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《南京航空航天大学》 2010年
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交替极无轴承永磁电机控制系统研究

丁强  
【摘要】: 交替极无轴承永磁电机因其特殊的转子结构,使电机悬浮系统与转矩系统耦合程度大为降低,可以分别设计控制系统进行独立控制,系统的可靠性增加,使其在航空航天、国防、工农业生产和日常生活领域具有广泛的应用前景。 本文以一种交替极无轴承永磁电机为被控对象,以其控制系统为研究对象,主要完成以下研究工作: 首先,深入研究交替极无轴承永磁电机悬浮原理和数学模型,从理论上阐述该电机悬浮系统与转矩系统耦合程度降低以及能够克服转矩与悬浮力折中的原因。在上述理论分析基础上,考虑到电机内部各变量之间的相互影响、相互作用,为了揭示电机内部各种关系,建立出电机状态空间表达式形式的数学模型。 其次,因为PID类控制算法广泛应用于无轴承电机控制系统中且其参数选取整定工作通常是通过“试凑”完成的,没有可以遵循的规则。本文在深入研究电机数学模型和控制系统基础上,对交替极无轴承永磁电机悬浮系统进行合理简化,基于简化的悬浮系统模型,结合线性调节器设计理论,探索电机悬浮控制系统PID类控制算法选型及参数整定的方法,通过电机悬浮系统电流环、位移环的仿真实验验证该方法的正确性。由于PID类控制算法仅关注系统的输入输出,无法揭示系统内部各变量之间的关系,为了将先进控制理论引入到无轴承电机的控制系统中来,在电机状态空间表达式形式的数学模型基础上,利用线性系统理论设计了电机的状态反馈跟踪控制器,通过对电机转矩系统空载、负载运行以及悬浮系统起浮性能、抗正弦干扰性能和电机参数摄动的仿真实验验证控制算法的正确性。 最后,考虑到线性理论设计的控制算法依赖被控对象数学模型,在工程实践中应用效果不佳,为了选择一种适合于交替极无轴承永磁电机这样非线性强耦合被控对象的控制算法实现悬浮系统稳定悬浮,经过比较后选择自抗扰控制这样实用的非线性控制策略作为悬浮系统的控制算法,通过对电机在恒定、阶跃、冲击、白噪声、不同频率正弦等扰动作用时以及参数摄动时的仿真分析,验证了自抗扰控制算法的有效性。完成自抗扰算法仿真验证后,在基于DSP F2812为核心的数字控制系统之上,编写了电机悬浮系统自抗扰控制的数字控制程序,实现了电机空载稳定旋转悬浮。在电机自抗扰控制的悬浮系统基础上,做了电机转矩系统的转速闭环实验。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM351

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