无轴承异步电机及其控制系统优化设计研究

发布时间：2017-03-23 17:15

  本文关键词：无轴承异步电机及其控制系统优化设计研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无轴承异步电机(Bearingless Induction Motors,BIM)在普通异步电机基础上再嵌入一套悬浮绕组实现无轴承运行,因其无摩擦、无磨损、机械强度高,能工作在转速极高的场合,因此在高速高精数控机床、航空航天、飞轮储能等领域有非常广阔的应用前景,是国内外研究最早且最多的无轴承电机类型之一。BIM中转速和转子径向位置通常采用PID控制,使得无轴承异步电机在高速、超高速运行过程中,一定程度上产生了过高超调、振荡以及对外部扰动过分敏感现象,这都影响了电机高性能运行。因此,对BIM控制系统中转速和转子径向位置PID控制器进行优化设计具有重要的理论价值与现实意义。本文在国家自然科学基金项目(61104016、51475214)的资助下,重点研究了BIM中转速和位置控制系统中PID控制器优化设计,具体内容如下:首先,对BIM的研究现状、发展趋势和应用领域进行了简要概述。然后介绍了经典PID控制器研究背景和发展现状,并介绍了两种PID控制器优化设计:模糊自适应PID控制器与自抗扰控制器的研究背景。在分析BIM悬浮力方程、转矩方程和运动方程的基础上,采用基于气隙磁场定向控制的策略建立电机数学模型,并进行仿真与分析。其次,为了抑制电机因使用经典PID控制器而产生的转速和转子径向位置超调,减少电机参数变化以及增加负载产生扰动对系统稳定性的影响,针对PID控制器提出了两种不同方式的优化控制策略。一种是采用在经典PID控制器中增加模糊自适应模块对PID参数进行在线智能自适应优化;另一种是选用自抗扰控制器替换经典PID控制器,从根本上克服了PID控制器的局限性,在此基础上对自抗扰控制器进一步优化,仿真研究表明,提高了系统抗干扰能力。最后,本文基于自抗扰控制器构建了BIM转速和转子径向位置控制系统实验平台,并开展实验研究。通过分析实验波形可知,所建立的数字控制系统可以有效减少转速和转子径向位置超调,具备良好的动、静态性能。
【关键词】：无轴承异步电机 PID控制器 模糊自适应PID控制器 自抗扰控制器 数字控制
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM343
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 无轴承异步电机发展概况9-11
• 1.1.1 无轴承异步电机研究现状9-10
• 1.1.2 无轴承异步电机应用领域10
• 1.1.3 无轴承异步电机发展趋势10-11
• 1.2 PID控制器研究背景与研究现状11-12
• 1.2.1 研究背景11
• 1.2.2 研究现状11-12
• 1.2.3 模糊自适应PID控制器12
• 1.2.4 自抗扰控制器12
• 1.3 本文研究意义与研究内容12-14
• 1.3.1 研究意义12
• 1.3.2 研究内容12-14
• 第二章 无轴承异步电机基本原理14-27
• 2.1 无轴承异步电机基本运行原理14-19
• 2.1.1 洛伦兹力15-16
• 2.1.2 麦克斯韦力16-19
• 2.2 无轴承异步电机数学模型19-21
• 2.2.1 径向悬浮力数学模型19-20
• 2.2.2 旋转部分数学模型20
• 2.2.3 电机悬浮系统运动方程20-21
• 2.3 无轴承异步电机气隙磁场定向控制系统及仿真分析21-25
• 2.3.1 无轴承异步电机气隙磁场定向控制系统数学模型21-23
• 2.3.2 无轴承异步电机气隙磁场定向控制仿真分析23-25
• 2.4 本章小结25-27
• 第三章 基于模糊自适应PID控制器的无轴承异步电机设计27-41
• 3.1 经典PID控制原理27-29
• 3.1.1 比例控制28
• 3.1.2 积分控制28
• 3.1.3 微分控制28-29
• 3.2 模糊自适应PID控制器的结构和算法实现29-35
• 3.2.1 模糊自适应PID控制器结构29-30
• 3.2.2 PID参数自适应原则30
• 3.2.3 模糊自适应PID控制器设计30-35
• 3.3 基于模糊自适应PID控制器的无轴承异步电机气隙磁场定向控制35-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 基于优化自抗扰控制器无轴承异步电机设计41-57
• 4.1 自抗扰控制器原理与研究背景41-42
• 4.2 自抗扰控制器结构与数学模型42-48
• 4.2.1 跟踪微分器43-44
• 4.2.2 扩张状态观测器44-46
• 4.2.3 非线性误差状态反馈46-47
• 4.2.4 自抗扰控制器的实现原理47-48
• 4.3 基于自抗扰控制器的无轴承异步电机气隙磁场定向控制48-51
• 4.3.1 速度模块优化自抗扰控制器48-49
• 4.3.2 径向悬浮绕组优化自抗扰控制器49-51
• 4.4 基于自抗扰的无轴承异步电机气隙磁场定向控制系统设计和仿真51-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 基于自抗扰控制器的无轴承异步电机数字控制系统57-65
• 5.1 芯片介绍57-58
• 5.1.1 TMS320F2812 DSP57
• 5.1.2 CPLD复杂可编程逻辑芯片57-58
• 5.2 无轴承异步电机数字控制系统硬件设计58-60
• 5.2.1 电源电路设计58-59
• 5.2.2 检测电路设计59-60
• 5.2.3 保护电路设计60
• 5.3 基于ADRC的无轴承异步电机速度与位置控制系统的软件设计60-62
• 5.4 实验结果与分析62-64
• 5.5 本章小结64-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 6.1 论文工作总结65-66
• 6.2 后续研究工作展望66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-73
• 攻读硕士研究生期间的学术成果73

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