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动圈式永磁平面电机无位置传感器控制研究

动圈式永磁平面电机无位置传感器控制研究

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作者：阮光正安徽工程大学

学位级别：硕士

永磁平面电机在结构多样性、推力密度、控制精度、低速性能、能量损耗等方面较传统电机具有较大的综合优势,因此一直吸引着国内外学术界和工程界进行不断的研制和更新。本文以动圈式永磁平面电机为研究对象,在建立受力模型、解耦运动控... 详细信息

永磁平面电机在结构多样性、推力密度、控制精度、低速性能、能量损耗等方面较传统电机具有较大的综合优势,因此一直吸引着国内外学术界和工程界进行不断的研制和更新。本文以动圈式永磁平面电机为研究对象,在建立受力模型、解耦运动控制、z轴上动子的起浮和下降运动控制、xy平面上的动子无位置传感器运动控制等方面进行了研究,具体内容如下:1.介绍了动圈式永磁平面电机的基本结构、定子Halbach永磁阵列的磁场解析数学模型,推导出动子线圈的受力解析数学模型,总结了动圈式永磁平面电机的平面运动下的基本方程,提出了动圈式永磁平面电机的静止三相/移动两相坐标变换矩阵,做功电流和去耦电流新理论,并基于此概念推导了电磁力电流分配方程及其他相关变换矩阵,在数学化的总结后,将动圈式永磁平面电机的控制引入到做功和去耦域进行讨论,并进行电压型电磁力控制系统的设计。2.分析了动子在移动坐标系下电磁力控制方法下在z轴上的运动过程,提出了“假气隙点”概念,推导出了“假气隙点”位置与期望气隙点位置的数学关系表达式和动子起浮至期望气隙点和下降至零高度的时间计算积分公式,并给出了平稳起浮和下降控制策略。“假气隙点”现象表现为:动子停留在零位置时,对线圈分配“假气隙点”恒定电流,在此电流驱动下动子运行至期望气隙点处速度为零;动子悬浮在期望气隙点位置时,对线圈分配“假气隙点”恒定电流,在此电流驱动下动子运行至零位置处速度为零。利用上述现象,通过切换电流使动子在零位置和气隙点之间平稳移动。仿真结果表明动子运行误差、抖动很小,证明了控制策略的正确性。3.结合电路能量守恒定律,提出了利用卡尔曼滤波算法进行状态估计得到的动子位置信息来进行电磁力控制产生作用于动子的悬浮力和水平推力的无位置传感器控制策略。该策略通过实时获取动子线圈端电压和端电流计算得出总功率,减去动子线圈消耗热功率得到推力作用于动子的机械功率,此机械功率在恒定推力控制下反应动子采样时间间隔内位移的大小,以此建立动子位置、速度、加速度的卡尔曼滤波估计算法模型。在此基础上,针对控制算法以及控制策略的所产生的推力进行仿真,仿真结果验证了控制策略的正确性。

关键词：动圈式永磁平面电机 Halbach永磁阵列矢量控制做功电流去耦电流电压型电磁力控制系统卡尔曼滤波无位置传感器控制

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