无轴承电机通过定子两套不同极对数绕组对气隙磁场的调制,使电机转子同时具有旋转和自悬浮能力,实现了定、转子间无机械支撑运行,从而突破了传统电机的运行机理,以全新的概念构成了高转速、大功率的机电能量转换装置。在高速和超高速电气传动的研究领域里,有其广泛的应用前景,目前已成为了备受关注的研究对象。无轴承电机主要可分为感应型、永磁型、磁阻型。与感应型和磁阻型相比,永磁型无轴承电机采用永磁体建立气隙磁场,无需定子转矩绕组电流提供励磁,故具有体积小、重量轻、损耗小、功率密度大、效率高等显著优点。为此它已经成为了当今无轴承电机研究领域里的主流。本论文针对永磁型无轴承电机的运行控制进行了较为深入的研究,提出了永磁型无轴承电机完整数学模型,为电机系统控制策略提供了可靠的基础和依据;同时,研究了整个控制系统的特点,分别对转矩控制子系统和悬浮控制子系统提出了合适的控制策略,特别对于悬浮控制中的径向位移控制进行了详细的分析研究,得出三种不同的控制方案;针对样机进行了全数字化控制系统的设计和研制,实现了永磁型无轴承电机的稳定悬浮运行实验,同时将径向位移控制中研究的各控制策略付诸于实践,实现了悬浮控制子系统中径向位移的优化控制。论文的主要工作包括: 一、从永磁型无轴承电机的工作原理出发,基于麦克斯韦张量法和虚位移法,推导出计及定、转子定位偏心的悬浮力解析表达式。其准确性通过了电磁场有限元分析的验证。 二、建立了基于转子磁场定向控制的永磁型无轴承电机控制系统,从硬件和软件两方面,详细介绍了以DSP2407为核心的硬件系统,给出了控制系统的软件开发流程,并对主要的程序模块作了详尽的原理阐述。在样机实验平台上,实现了从低速到高速的稳定悬浮运行。 三、从原理分析和仿真研究两个方面,提出了传统数学模型的固有缺陷,为此,提出了永磁型无轴承电机的完整数学模型,并通过有限元计算,提出了确定数学模型中关键参数的计算方法。该模型考虑了电机中两套绕组的各种电磁耦合关系,其准确性通过仿真分析和实验研究得到了充分验证。在此基础上,为悬浮控制系统引入了悬浮力补偿和悬浮力反馈PI调节,提高了控制精度。 四、针对悬浮控制子系统中的径向位移控制,重点研究分析了三种不同的控制策略:传统PID控制、模糊PID控制以及H_∞鲁棒控制。分别从原理分析、控制器设计、仿真及实验研究等方面进行了深入研究,通过研究对比,得到了一些有关优化永磁无轴承电机径向位移控制的结论,为提高悬浮控制精度奠定了坚实的理论基础。