多扰动下无轴承永磁同步电机无传感器高精度估计及运行控制

With the high speed and high precision characteristics, bearingless motors have broad application value in numerical control machine tools, flywheel energy storage system and other high-tech fields. Conventional rotor speed and radial displacement detection methods have seriously limited the excellent performance of the motor and become a bottleneck to practical application in low cost. In order to realize stable operation of bearingless permanent magnet synchronous motor(BPMSM) without sensors, the rotor speed and displacement estimation in the whole speed range and operation control under multi-disturbance will be researched in this project. The main researches include:①The influence and error analysis of muti-disturbance to the rotor speed and radial displacement.②When the motor work at state of standstill and ultra-low speed,in order to avoid the strict requirements of the modulation frequency of heterodyne,a new rotating high frequency signal injection based on Hilbert transform will be used to estimate speed and position. ③In the high-speed operation, strong tracking cubature Kalman filter (SRCKF) will be used to achieve accurate estimation of rotor speed and radial displacement under multi-disturbance conditions, at the same time, the real time online identification of motor parameters will be researched. ④The radial displacement state equation of the rotor will be established, and the radial displacement estimation based on the strong tracking SRCKF will be studied. ⑤ Hardware and software of digital control will be designed, through performance test of the drive system, optimize the system parameters and intelligent controller..This project will improve the precision of rotor speed and displacement estimation. It will also provide a theoretical basis and technical support for stable operation of BPMSM without sensors.

无轴承电机以其高速高精特性在数控机床、飞轮储能等高科技领域有广泛的应用价值。传统转速和径向位移检测方式严重限制了其高速性能的发挥，成为制约无轴承电机低成本、实用化运行的瓶颈。本项目以无轴承永磁同步电机为研究对象，旨在突破机械式传感器约束，实现不同工况时无轴承电机稳定悬浮运行。具体研究内容包括：①多种扰动对转速及径向位移的影响及误差分析；②静止及低速时，研究一种新型基于希尔伯特变换的旋转高频信号注入法估计转速，以避免外差法对调制频率的严格要求；③高速运行时，提出一种并行强跟踪平方根容积卡尔曼滤波转速估计方法，可同时实现电机参数在线辨识和转速高精度估计；④建立径向位移状态方程，研究强跟踪平方根容积卡尔曼滤波转子径向位移估计；⑤构建数字化驱动平台，通过实验研究，优化系统及控制器参数。.本项目的研究，将有效提高转速与径向位移估计精度，为实现无轴承电机无传感器稳定悬浮运行提供理论基础和技术支持。

无轴承电机以其高速、高精特性在数控机床、飞轮储能等领域有广泛的应用前景。传统转速和径向位移检测方式严重限制了其高速性能的发挥，成为制约无轴承电机低成本、实用化运行的瓶颈。本项目对无轴承永磁同步电机(BPMSM)数学模型、多扰动下转子状态估计及控制方法、全数字控制平台设计及试验进行研究，主要工作及成果如下：.1. 分析二自由度BPMSM悬浮力产生机理，建立转子偏心时悬浮力精确解析模型，推导考虑转子偏心与悬浮绕组电流影响的电磁转矩数学模型。建立转子运动方程及系统运动方程。.2. 在BPMSM零速及低速运行时，提出采用希尔伯特变换和龙伯格观测器方法实现转子位置估计。采用希尔伯特变换提取电流信号包络线，经龙伯格观测器提取转子位置，该方法无需高频信号解调，即便注入高频信号频率未知或频率波动，也可实现转子位置高精度估计。.3. 在BPMSM中高速运行时，提出强跟踪平方根容积卡尔曼滤波算法。结合强跟踪滤波原理，引入时变渐消因子在线自适应调整增益矩阵和状态预测误差协方差平方根矩阵，强迫平方根容积卡尔曼滤波保持对实际状态的快速跟踪。该方法可提高系统对平稳状态、转速突变及外界扰动下的估计精度。为实现全速范围内转速与位置准确估计，提出一种复合估计方法。通过设计“软切换”，实现低速到高速的平滑过渡，从而保证全速范围内转子位置准确估计。.4. 提出一种基于干扰观测器的自适应非奇异终端滑模速度控制方法。设计自适应变速指数趋近律，根据系统状态距离平衡点位置自适应增大指数趋近速度，缩短趋近时间，自动减小等速趋近速度，保证系统在到达切换面时削弱系统抖振，设计扰动观测器实时观测负载和参数扰动。该方法能够快速跟踪速度及径向位移给定值，并对外界扰动及参数摄动有较强鲁棒性。.5. 构建了BPMSM全数字控制实验平台，进行电机调速、转速突变状态下的悬浮运行控制试验，为无传感器运行参数设计与控制系统性能优化提供实验依据。