无轴承异步电机的伪微分反馈控制研究
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摘要
无轴承电机是近几年提出的一种高速和超高速驱动源，具有无摩擦、无磨损、无需润滑、无污染及寿命长等优点，适用于各种高速、超高速、真空等特殊环境。在军事、空间、核工业、交通、能源、生命科学等各领域具有广泛的应用前景和重要的科学意义。
无轴承电机是机电一体化复杂综合系统。与普通电机相比较，其更具有高阶、强耦合、非线性等特点。其控制研究的基本要求就是要寻求对各控制量良好解耦方法和探索优良的控制策略。
本文首先阐述了无轴承异步电机的工作机理，建立了无轴承异步电机的状态方程：并借助非线性解耦方法——逆系统方法，对其状态方程进行了解耦研究，建立了其伪线性化方程。线性化结果表明了该方法良好的解耦性能。
其次，针对典型PID控制的弱点，对无轴承异步电机进行了PDF控制研究。介绍了PDF控制器的结构形式和参数确定方法；并设计了无轴承异步电机各PDF控制器参数，分析了其控制性能；并在Matlab环境下运用Simulink工具包，对其仿真进行了对比研究。研究表明逆系统解耦方法结合PDF控制策略能很好地实现对无轴承异步电机的控制。
最后，设计了无轴承异步电机的实验控制平台。设计制造了无轴承异步电机的机械结构，设计调试了其控制电路。实验研究表明了该实验方案具有费用低，加工容易，能够实现对无轴承异步电机在两自由度上的稳定悬浮和旋转机理的实验研究。
Bearingless motor is a new type of high speed and super high speed drive device, which was proposed in recent years. For it's advantages of no friction, no wear, no lubrication and long lifetime, bearingless motor is used in many special fields such as high speed, vacuum etc. In the fields of military, space, nuclear industry etc., bearingless motor shows broad application future and important significance in science.
Bearingless motor is a typical machatronic system. Compared with the general induction motor, the characteristics of the bearingless motor are high-order, high-coupling and non-linear. So the basic research of its control are trying to searching for the good decoupling method and the excellent contol strategy.
In this paper, the basic principles of bearingless asynchronous motor are explained, and its state equations are built up. Based on the nonlinear decoupling method: the inverse system method, the pseudo-linear equations are established.
Secondly, Pseudo-Derivative Feedback (PDF) control strategy is used to research on the bearingless asynchronous motor. The PDF control parameters are designed and its control performance is analyzed. And the simulation through the models is done in the software of Matlab.
Finally, the experimental console of the bearingless asynchronous motor is set up. The mechanical structure and the control electronic circuit are designed and manufactured. The experiment results show that the rotor can be suspended in the two-degree freedom, and also lay out good foundations for further investigation.
无轴承电机是机电一体化复杂综合系统。与普通电机相比较，其更具有高阶、强耦合、非线性等特点。其控制研究的基本要求就是要寻求对各控制量良好解耦方法和探索优良的控制策略。
本文首先阐述了无轴承异步电机的工作机理，建立了无轴承异步电机的状态方程：并借助非线性解耦方法——逆系统方法，对其状态方程进行了解耦研究，建立了其伪线性化方程。线性化结果表明了该方法良好的解耦性能。
其次，针对典型PID控制的弱点，对无轴承异步电机进行了PDF控制研究。介绍了PDF控制器的结构形式和参数确定方法；并设计了无轴承异步电机各PDF控制器参数，分析了其控制性能；并在Matlab环境下运用Simulink工具包，对其仿真进行了对比研究。研究表明逆系统解耦方法结合PDF控制策略能很好地实现对无轴承异步电机的控制。
最后，设计了无轴承异步电机的实验控制平台。设计制造了无轴承异步电机的机械结构，设计调试了其控制电路。实验研究表明了该实验方案具有费用低，加工容易，能够实现对无轴承异步电机在两自由度上的稳定悬浮和旋转机理的实验研究。
Bearingless motor is a new type of high speed and super high speed drive device, which was proposed in recent years. For it's advantages of no friction, no wear, no lubrication and long lifetime, bearingless motor is used in many special fields such as high speed, vacuum etc. In the fields of military, space, nuclear industry etc., bearingless motor shows broad application future and important significance in science.
Bearingless motor is a typical machatronic system. Compared with the general induction motor, the characteristics of the bearingless motor are high-order, high-coupling and non-linear. So the basic research of its control are trying to searching for the good decoupling method and the excellent contol strategy.
In this paper, the basic principles of bearingless asynchronous motor are explained, and its state equations are built up. Based on the nonlinear decoupling method: the inverse system method, the pseudo-linear equations are established.
Secondly, Pseudo-Derivative Feedback (PDF) control strategy is used to research on the bearingless asynchronous motor. The PDF control parameters are designed and its control performance is analyzed. And the simulation through the models is done in the software of Matlab.
Finally, the experimental console of the bearingless asynchronous motor is set up. The mechanical structure and the control electronic circuit are designed and manufactured. The experiment results show that the rotor can be suspended in the two-degree freedom, and also lay out good foundations for further investigation.
引文
[1] 邓智泉，严仰光，无轴承交流电动机的基本理论和研究现状，电工技术学报，2000年4月，第15卷第2期
[2] 邓智泉，何礼高，严仰光，无轴承交流电动机的原理及应用，机械科学与技术，2002年9月，第21卷第5期
[3] 朱焜秋，邓智泉，严仰光，袁寿其，无轴承电机的研究原理及研究现状，微电机，2000年，第6期
[4] 施韦策，布鲁勒等著 《主动磁轴承 基础、性能及应用》 北京-新时代出版社 1997．03
[5] 虞烈，刘恒著 《轴承—转子系统动力学》 西安-西安交通大学出版社 2001
[6] 邓隐北，编译，瑞士研制成无轴承电机，中小型电机，1995年4月
[7] 谢宝昌，任永德，王庆文，磁悬浮电机及其应用的发展趋势，微电机，1999年第32卷，第6期
[8] 陆玉军，《无轴承异步电动机系统仿真轴向磁轴承控制研究》 南京航空航天大学硕士学位论文，2002年2月
[9] 曾励，陈飞，宋爱平，动力磁悬浮轴承原理，现代制造工程，2002年4月
[10] 曾励，永磁偏置的电磁轴承研究，南京航空航天大学博士后出站报告 1999．6
[11] 曾励，陈飞，宋爱平，黄民双，动力磁悬浮轴承的研究现状及关键技术，中国机械工程，2001年11月，第12卷第11期
[12] 王凤翔，郑柒拾，王宝国，不同转子结构无轴承电动机的磁悬浮力分析计算，电工技术学报，2002年10月，第17卷第5期
[13] 王宝国，王凤翔，磁悬浮无轴承电机悬浮力绕组励磁及控制方式，中国电机工程学报，2002年5月，第22卷第5期
[14] 陆玉军，邓智泉，朱焜秋，基于CRPWM的无轴承异步电动机矢量控制系统，南京航空航天大学学报，2002年4月，第34卷第2期
[15] 邓智泉，王晓琳，张宏荃，李冰，何礼高，严仰光，基于气隙磁场定向的无轴承异步电机非线性解耦控制，中国电机工程学报 2003年3月，第23卷第3期
[16] A.Chiba, T.Dedio, T.Fukao and M.A.Rahman, An Analysis of Bearingless Ac
Motors, IEEE transaction on energy conversion, 1994, vol:9,issue:1,March
[17] Chiba A, D.T.Power, Rzhman M A, Analysis of noload characteristics of a bearingless induction motor[J] .IEEE Trans on Ind. Appli. 1995,31(1)
[18] A.Chiba, D.T.Power and M.A.Rahman Characteristics of a bearingless induction motor IEEE transaction on magnetics, 1991, vol:27,Novermber
[19] Dr. Reto Sch(?)b, Bearingless electromotor, International Center for Magnetic Bearings, ETH Zurich
[20] Reto Sch(?)b, Natale Barletta, Principle and application of a bearingless slice motor, Fifth International Symposium on Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan, August 1996
[21] Akira chiba, M.Azizur Rahman, T.Fukao, Radial force in a bearingless reluctance motor, IEEE transaction on magnetics 1991, vol:27
[22] Chikara Michioka, Tomokazu Sakamoto, Akira chiba, A decoupling control method of reluctance-type bearingless motors considering magnetics saturation, IEEE transaction on industry application, 1996, vol:32,no. 5
[23] Tetsuo Ohishi, Yohji Okada, Kazutada Dejima, Analysis and design of a concentrated wound stator for synchronous-type levitated motor, Fourth International Symposium on Magnetic Bearings, August 1994, ETH Zurich
[24] Okada Y et at, Levitation and torque control of internal permanent magnet type bearingless motor, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 1996,4(5)
[25] 曹建荣，虞烈，谢友柏，感应型磁悬浮电机的解耦控制，电工技术学报 2002．10
[26] 曹建荣，虞烈，魏泽国，王勉华，基于逆系统理论的感应电动机解耦控制的研究，电工技术学报，第14卷第1期
[27] 曹建荣，虞烈，谢友柏，磁悬浮电动机的状态反馈线性化控制，中国电机工程学报，第21卷第9期
[28] 马国梁，《一类非线性系统反馈线性化设计方法研究》，南京理工大学硕士论文，2002年1月
[29] 李春文，苗原等，非线性系统控制的逆系统方法(Ⅰ)——单变量控制理，论控制与决策，1997年9月
[30] 李春文，苗原等，非线性系统控制的逆系统方法(Ⅱ)——多变量控制理
论，控制与决策，1997年11月
[31] 张兴华，戴先中，基于逆系统方法的感应电机调速控制系统，控制与决策，2000年11月
[32] 张兴华，戴先中，陆达君，沈建强，感应电机的逆系统方法解耦控制，电气传动，2001年2
[33] 曹建福，韩崇昭，方洋旺编著，《非线性系统理论及应用》，西安-西安交通大学出版社，2001
[34] 梁慧冰，孙炳达编，《现代控制理论基础》，北京-机械工业出版社，1998．10
[35] 王孝武 主编，《现代控制理论基础》，北京-机械工业出版社，1998．10
[36] 胡跃明 编著，《非线性控制系统理论与应用》，北京-国防工业出版社，2002
[37] 郑大钟 编著，《线性系统理论》，北京-清华大学出版社，1990．3
[38] Richar M. Phelan and Liu Chen, Subvariable control, MSD-84-02, Jan., 1984
[39] A simplified Approach to Feedback control system Design, ASME Design Engineering Conference,Anaheim 1978
[40] 董纵昊，《自调节PDF控制算法的研究》，西安交通大学硕士论文，2002年6月
[41] 余海，《PDF控制在磁悬浮中的实验研究及分析》，西南交通大学硕士学位论文，2000年
[42] 龚美华，《电磁悬浮系统伪微分反馈控制研究》，西南交通大学硕士学位论文，2002年
[43] 朱焜秋，无轴承电动机轴向磁轴承参数设计与控制系统研究，电工技术学报，2002年6月，第17卷第3期
[44] (美)D.Hanselman,B.Littlefield著 《精通MATLAB 6》 北京-清华大学出版社 2002
[45] 邹鲲，袁俊泉，龚享铱 编著《MATLAB 6.x信号处理》 北京-清华大学出版社 2002
[46] 车睛 编著，《电子系统仿真与MATLAB》，北京-北京广播学院出版社 2000
[47] 王华等编著，《Matlab在电信工程中的应用》，北京-中国水利水电出版社 2001
[48] 陈桂明，张明照，戚红雨，张宝俊编著，《应用MATLAB建模与仿真》，北京-科学出版社，2001
[49] 周金萍，王冉，吴斌编著，《MATLAB 6实践与提高》，北京-中国电
力出版社，2002
[50] 夏扬，基于SIMULINK的感应电动机建模与仿真研究，电气传动自动化，2002年2月，第24卷第1期
[51] 黎英，邵宗凯，基于MATLAB／SIMULINK的异步电动机建模与仿真，电气传动自动化，1999年8月，第21卷第3期
[52] 项世军，谢宗安，MATLAB语言在异步电动机同步旋转坐标系下模型仿真研究，计算机仿真，2000年5月，第17卷第3期
[53] 杨洋，张桂香，基于MATLAB／SIMULINK的异步电机矢量控制调速系统仿真，湖南大学学报(自然科学版)，2000年4月，第27卷第2期
[54] 李永东主编，《交流电机数字控制系统》，北京-机械工业出版社，2002
[55] 王成元等编著，《矢量控制交流伺服驱动电动机》，北京-机械工业出版社，1995．6
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[57] 孟传富，钱庆镳编，《机电能量转换》，北京-机械工业出版社，1993．10
[58] 陈伯时主编，《电力拖动自动控制系统》，北京-机械工业出版社，1999．05
[59] 李华德主编，《交流调速控制系统》，北京-电子工业出版社，2003
[60] 胡崇岳主编，《现代交流调速技术》，北京-机械工业出版社，1998．10
[61] Takahiro Suzuki, Akira Chiba, Azizur Rahman, Tadashi Fukao, Anair-gap-flux-oriented vector controller for stable operation for bearingless induction motors, IEEE transaction on industry application, 2000, vol:36, issue:4
[62] Reto Sch(?)b, Jürg Bichsel, Vector control of the bearingless motor, Fourth International Symposium on Magnetic Bearings, IEEE transaction on industry application, August 1994, ETH Zurich
[63] DENG Zhi-quan etc., Nonlinear Decoupling Control of the Bearingless Induction Motor Based on the Airgap Motor Flux Orientation, Chinese Journal of Aeronautics, February 2002
[64] 邓智泉等，基于气隙磁场定向的无轴承异步电机非线性解耦控制，电工技术学报，2002．12
[65] W.Amrhein, S.Silber, K.Nenninger, Levition Force in Bearingless Permanent Magnet Motors, IEEE transaction on magnetics, 1999, vol:35, no.5
[66] Akira Chiba, Ryuasaku Furuichi etc Stable operation of induction-type
bearingless motors under loaded conditions, IEEE transaction on industry application, 1997,vol:33,no. 4
[67] Chikara Michika,Tomokazu Sakamoto etc A Decoupling Control Method of Reluctance-Type Bearingless Motors Considering Magnetic Saturation, IEEE transaction on magnetics, 1996, vol:32,no., 5
[68] Masatsugu Takemoto, Hitoshi Suzuki, Akira Chiba etc., Improved Analysis of a Bearingless Switched Reluctance Motor, IEEE transaction on industry application, 2001, vol:37,no.,1
[69] Yohji Okada,Kazutada Dejima, and Tetsuo Ohishi, Analysis and Comparison of Synchronous Motor and Induction Motor Type Magnetic Bearings, IEEE transaction on industry application, 1995, vol:31,no.,5
[70] Thomas Gempp, Reto Sch(?)b, Design of a bearingless canned motor pump, Fifth International Symposium on Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan, August 1996
[71] 章婷，《动力磁悬浮轴承机理及直流悬浮实验研究》，扬州大学硕士论文，2003年5月
[72] 张玉璞等编，《电子技术课程设计》，北京理工大学出版社，1994
[73] 赵晶编著，《电路设计与制版》，北京-人民邮电出版社，2000
[74] 戴伏生主编，《基础电子电路设计与实践》，北京-国防工业出版社，2002
[75] 童诗白主编，《模拟电子技术基础》，北京-高等教育出版社，1996．03
[76] 戴逸民编著，《频率合成与锁相技术》，合肥-中国科学技术大学出版社，1995．02
[77] 段九州主编，《振荡电路实用设计手册》，沈阳-辽宁科学技术出版社，2002
[78] 林辉，王辉主编 《电力电子技术》 武昌-武汉理工大学出版社，2002
[79] 孙肖子等编，《传感器及其应用》，电子工业出版社，1999
[80] 袁宇正编著，《锁相与频率合成技术》，武汉-武汉测绘科技大学出版社，1992．02
[81] 康华光主编，《电子技术基础(模拟部分)》，高等教育出版社，1996
[82] 任为民主编，《电子技术基础课程设计指导》，中央广播电视大学出版社，1986
[83] 陆坤等编著，《电子设计技术》，电子科技大学出版社，1997．7
[84] 戴伏生主编，《基础电子电路设计与实践》，国防工业出版社，2002．4
[85] [日]雨宫好文，小柴典居 主编，砂译学著，商福昆译，《放大电路》，北京-科学出版社，OHM社，2000
[86] 王鸿钰主编，《实用电源技术手册》，上海-上海科学技术出版社，2002
[87] 阎石主编，《数字电子技术基础》，北京-高等教育出版社，1989．03
[88] 段九州主编，《放大电路实用设计手册》，沈阳-辽宁科学技术出版社，2002
[89] 王维平主编，《现代电力电子技术及应用》，南京-东南大学出版社，2001
[90] 中国集成电路大全编委会，《中国集成电路大全：高速CMOS集成电路》，北京-国防工业出版社，1995．8
[91] 李宏编著，《电力电子设备用器件与集成电路应用指南》，北京-机械工业出版社，2001
[92] 京辉热点工作室编著，《Protel 99电路设计实用指南》，北京-人民邮电出版社，2000
[2] 邓智泉，何礼高，严仰光，无轴承交流电动机的原理及应用，机械科学与技术，2002年9月，第21卷第5期
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[9] 曾励，陈飞，宋爱平，动力磁悬浮轴承原理，现代制造工程，2002年4月
[10] 曾励，永磁偏置的电磁轴承研究，南京航空航天大学博士后出站报告 1999．6
[11] 曾励，陈飞，宋爱平，黄民双，动力磁悬浮轴承的研究现状及关键技术，中国机械工程，2001年11月，第12卷第11期
[12] 王凤翔，郑柒拾，王宝国，不同转子结构无轴承电动机的磁悬浮力分析计算，电工技术学报，2002年10月，第17卷第5期
[13] 王宝国，王凤翔，磁悬浮无轴承电机悬浮力绕组励磁及控制方式，中国电机工程学报，2002年5月，第22卷第5期
[14] 陆玉军，邓智泉，朱焜秋，基于CRPWM的无轴承异步电动机矢量控制系统，南京航空航天大学学报，2002年4月，第34卷第2期
[15] 邓智泉，王晓琳，张宏荃，李冰，何礼高，严仰光，基于气隙磁场定向的无轴承异步电机非线性解耦控制，中国电机工程学报 2003年3月，第23卷第3期
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[26] 曹建荣，虞烈，魏泽国，王勉华，基于逆系统理论的感应电动机解耦控制的研究，电工技术学报，第14卷第1期
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[64] 邓智泉等，基于气隙磁场定向的无轴承异步电机非线性解耦控制，电工技术学报，2002．12
[65] W.Amrhein, S.Silber, K.Nenninger, Levition Force in Bearingless Permanent Magnet Motors, IEEE transaction on magnetics, 1999, vol:35, no.5
[66] Akira Chiba, Ryuasaku Furuichi etc Stable operation of induction-type
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[67] Chikara Michika,Tomokazu Sakamoto etc A Decoupling Control Method of Reluctance-Type Bearingless Motors Considering Magnetic Saturation, IEEE transaction on magnetics, 1996, vol:32,no., 5
[68] Masatsugu Takemoto, Hitoshi Suzuki, Akira Chiba etc., Improved Analysis of a Bearingless Switched Reluctance Motor, IEEE transaction on industry application, 2001, vol:37,no.,1
[69] Yohji Okada,Kazutada Dejima, and Tetsuo Ohishi, Analysis and Comparison of Synchronous Motor and Induction Motor Type Magnetic Bearings, IEEE transaction on industry application, 1995, vol:31,no.,5
[70] Thomas Gempp, Reto Sch(?)b, Design of a bearingless canned motor pump, Fifth International Symposium on Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan, August 1996
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[73] 赵晶编著，《电路设计与制版》，北京-人民邮电出版社，2000
[74] 戴伏生主编，《基础电子电路设计与实践》，北京-国防工业出版社，2002
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[76] 戴逸民编著，《频率合成与锁相技术》，合肥-中国科学技术大学出版社，1995．02
[77] 段九州主编，《振荡电路实用设计手册》，沈阳-辽宁科学技术出版社，2002
[78] 林辉，王辉主编 《电力电子技术》 武昌-武汉理工大学出版社，2002
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[91] 李宏编著，《电力电子设备用器件与集成电路应用指南》，北京-机械工业出版社，2001
[92] 京辉热点工作室编著，《Protel 99电路设计实用指南》，北京-人民邮电出版社，2000