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磁悬浮高速电机系统建模与控制
张涛;刘欣凤;莫丽红;倪伟;桑英军;丁卫红
【摘要】为实现磁悬浮电机的稳定悬浮运行,研究一种基于最优控制理论的控制器
设计策略.在分析磁悬浮电机结构和工作原理的基础上,建立悬浮转子的运动方程,构
建以气隙偏移量和控制电流为状态变量的系统状态方程,经线性化处理后,采用最优
控制理论,设计闭环控制器.构建闭环系统仿真与试验平台并进行仿真与试验研究,测
量径向位移和转子几何中心运动轨迹波形.仿真和实验研究结果表明,基于最优控制
理论的闭环控制器可实现磁悬浮电机的稳定悬浮运行,并具有较好的动静态性
能.%Torealizethestablesuspensionoperationofmagneticsuspension
motor,acontrollerdesignal-gorithmispresentedusingtheoptimal
controltheory.Basedonanalyzingthestructureandoperationprin-cipleof
themagneticsuspensionmotor,themotionequationofsuspensionrotor
wasbuilt,andthenthestateequationwasestablishedbytakingairgap
offsetandcontrolcurrentasstatevariables.Thisstatee-quationwas
furtherlinearizedandthusthelinearoptimalcontroltheorycanbeapplied
todesigntheclosed-loopcontroller.Toshowtheeffectivenessofthe
presentedmethod,thesimulationandexperimen-talresearchwerecarried
out.Theexperimentalandsimulationresultsshowthatthedesigned
controllercanrealizethehigh-speedsuspensionoperationofmagnetic
levitationmotorwithgooddynamicandstaticperformances.
【期刊名称】《电机与控制学报》
【年(卷),期】2018(022)004
【总页数】7页(P98-104)
【关键词】高速电机;磁悬浮电机;磁轴承;状态方程;最优控制
【作者】张涛;刘欣凤;莫丽红;倪伟;桑英军;丁卫红
【作者单位】淮阴工学院自动化学院,江苏淮安223005;南京信息工程大学江苏省
气象能源利用与控制工程技术研究中心,江苏南京210044;江南大学物联网工程学
院,江苏无锡214122;淮阴工学院自动化学院,江苏淮安223005;淮阴工学院自动化
学院,江苏淮安223005;淮阴工学院自动化学院,江苏淮安223005;淮阴工学院自动
化学院,江苏淮安223005;淮阴工学院自动化学院,江苏淮安223005
【正文语种】中文
【中图分类】TM301.2
0引言
由于高转速，高速电机的体积远小于同等功率的中、低速电机。高速电机具有：高
功率密度，节约材料，减小设备体积与重量；可直接驱动负载，无需传动机构，无
传动损耗和噪声，效率高；转子转动惯量小，动态响应速度快等一系列优点。高速
电机在离心压缩机、航空航天、高速电主轴、新能源等高速直接驱动领域具有广阔
的应用前景，目前已成为电气工程领域的研究热点[1-3]。
磁轴承支承技术解决了高速电机转子—轴承系统存在的摩擦和磨损问题，可大幅
度提升电机转速和输出功率，但是由多个磁轴承单元构成的磁轴承—转子系统为
多变量、强耦合的非线性复杂系统，其动、静态性能主要取决于所采取的闭环控制
策略。目前，磁悬浮轴承的闭环控制系统设计主要是通过研制性能优良的控制器，
使得磁悬浮转子在物理极限内使刚度、阻尼与磁轴承的工作环境、运行状态及转速
相适应，并通过优化设计闭环控制算法及前馈补偿环节来提高转子的回转精度，方
法主要有H∞、逆系统、滑模变结构、神经网络逆控制等。这些算法复杂，计算量
大，难以实现工程应用[4-5]。
本文以磁轴
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