竖直无轴承电机原理与位置控制系统
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作者刘思嘉编著
出版社清华大学出版社
ISBN9787302592075
出版时间2021-04
装帧平装
开本16开
定价99元
货号31557325
上书时间2024-10-12
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商品详情
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作者简介
刘思嘉，男，工学博士。1986年生于陕西西安，2009年毕业于清华大学电机工程与应用电子技术系，获学士学位；2017年毕业于北京交通大学电气工程学院(硕博连读），获博士学位，期间2014-2015年在美国伊利诺伊大学香槟分校（Universityof Illinois at Urbana-Champaign）国家公派联合培养。现任教于北京信息科技大学自动化学院。主要从事直线电机建模、设计、非线性控制等方面的研究。曾主持和参与教育部科研项目（包含北京交通大学期间主持和参与的相关项目）、北京市教委科技发展基金项目、横向科研项目15项，在国内外期刊、国际会议发表论文20余篇（其中SCI、EI检索7篇），申请发明专利1项。
目录
第1章 无轴承电机概述
1.1 历史概述
1.2 无轴承电机的原理和研究现状
1.2.1 磁悬浮轴承
1.2.2 无轴承电机的基本原理
1.2.3 无轴承电机的研究现状
1.3 基于直线感应电机解耦的无轴承电机
1.3.1 竖直无轴承电机
1.3.2 基于多直线电机的竖直无轴承电机
1.4 本书的主要内容
第2章 竖直转子定位系统的结构和驱动机理
2.1 定位控制系统的组成结构及数学模型
2.1.1 卡尔丹角与转子姿态描述
2.1.2 竖直转子的数学建模
2.1.3 转子定位系统的状态方程
2.1.4 含有不确定性的转子
2.1.5 执行器
2.1.6 位移传感器
2.2 共用转子的多弧形直线感应电机的驱动分析
2.2.1 多直线感应电机系统的基本原理
2.2.2 多直线感应电机系统的特殊性
2.3 多直线感应电机驱动仿真与实验
2.3.1 多直线感应电机系统驱动的有限元仿真
2.3.2 多直线感应电机系统的驱动实验
2.4 本章小结
第3章 弧形直线感应电机不均匀气隙磁场分析
3.1 问题的提出
3.2 气隙不均匀时的磁场解析公式
3.2.1 均匀气隙的弧形直线感应电机气隙磁感应强度分布
3.2.2 不均匀气隙的表达式
3.3 不均匀气隙时的气隙磁场仿真
3.3.12 D有限元建模
3.3.23 D有限元建模
3.4 解析与有限元计算结果对比
3.4.1 涡流场结果对比
3.4.2 瞬态场结果对比
3.5 解析公式的改进
3.5.1 改进的思路和方法
3.5.2 涡流场改进效果对比
3.5.3 瞬态场改进效果对比
3.6 本章小结
第4章 直线感应电机的法向力和切向力解耦
4.1 单个直线感应电机的数学模型
4.1.1 不考虑端部效应时的电机状态方程
4.1.2 端部效应的影响分析
4.2 法向力与切向力的解耦算法
4.3 直线感应电机法向力与切向力解耦仿真
4.4 本章小结
第5章 基于陀螺效应的竖直转子定位控制算法
5.1 竖直转子的动力学特性分析
5.2 基于陀螺效应的定位控制算法
5.2.1 极点配置方法在定位控制问题中的局限
5.2.2 基于陀螺效应的转子定位控制算法
5.2.3 转子定位控制策略的仿真
5.3 转子定位控制系统仿真
5.3.1 转子定位控制系统仿真模型的组成
5.3.2 转子定位控制系统仿真结果
5.4 本章小结
第6章 竖直转子的L1自适应定位控制
6.1 自适应控制与L1自适应控制
6.1.1 自适应控制简介
6.1.2 L1自适应控制理论简介
6.2 数学基础
6.2.1 向量范数
6.2.2 矩阵诱导范数
6.2.3 L空间和L范数
6.2.4 传递函数的L1范数
6.2.5 凸集和凸集上的投影算子
6.3 具有不确定性的竖直转子定位系统描述
6.4 基于L1自适应控制理论的转子定位控制研究
6.4.1 系统的基本转化
6.4.2 状态预测器
6.4.3 L1自适应控制算法
6.5 L1自适应控制系统的性能分析
6.5.1 系统误差和参数误差的有界性
6.5.2 系统的BIBS稳定性
6.5.3 自适应系统性能与自适应增益的关系
6.6 L1自适应控制系统的仿真
6.6.1 自适应控制系统的仿真
6.6.2 基于自适应控制的转子定位控制系统的仿真
6.7 本章小结
第7章 起动时的转子定位控制
7.1 问题的提出
7.2 可反馈线性化条件的验证
7.3 反馈线性化的实现
7.4 基于反馈线性化的转子定位控制的仿真
7.5 本章小结
第8章 转子定位控制策略的模拟实验
8.1 实验装置
8.2 实验方案
8.3 实验准备
8.3.1 电磁铁的参数测定
8.3.2 功率放大电路
8.4 实验结果
8.4.1 基于陀螺效应的转子定位控制实验结果
8.4.2 基于L1自适应控制的转子定位控制实验结果
8.5 本章小结
第9章 总结与展望
9.1 总结
9.2 展望
附录A 转子转动惯量的理论计算
参考文献
内容摘要
本书系统介绍了竖直无轴承电机转子姿态控制问题，主要包括竖直无轴承电机转子运动姿态的数学描述、
竖直转子的动力学特性、基于陀螺效应的竖直转子姿态
控制算法设计、基于L1自适
应控制的转子姿态控制算法改进等内容。
本书可作为电气工程、
机械工程、控制科学与工程等学科研究无轴承电机及其控制的参考书，也可供从事相关研究的高校教师、研究生和工程技术人员阅读参考。
精彩内容
本书系统介绍了竖直无轴承电机转子姿态控制问题，主要包括竖直无轴承电机转子运动姿态的数学描述、竖直转子的动力学特性、基于陀螺效应的竖直转子姿态控制算法设计、基于L1自适应控制的转子姿态控制算法改进等内容。本书可作为电气工程、机械工程、控制科学与工程等学科研究无轴承电机及其控制的参考书，也可供从事相关研究的高校教师、研究生和工程技术人员阅读参考。
媒体评论无轴承电机(Bearingless Motor)是磁悬浮轴承与电机相结合的机电一体化装置，具有无摩擦、低损耗、低噪声、免润滑等优点。近年来，无轴承电机越来越引起国内外研究者的重视，成为电机研究前沿的重要方向之一。无轴承电机的理论涵盖了电机、控制、力学等多个领域，具有相当的综合性。目前国内关于无轴承电机研究的著作较少，特别是竖直无轴承电机分析与控制方面的著作尚未见到。本书可以为研究者和相关工程技术人员提供这方面的参考。
低速竖直旋转装置在日常生活、工业生产和科学研究中有着广泛的应用。这类装置由于结构或功能限制，往往只有下端有机械轴承固定，而上端开放，这就使得转子运行时的振动成为一个不容忽视的问题，并由振动衍生出噪声、设备磨损等问题。本书针对这类转子振动问题提出一种新型的转子定位控制系统。该系统由多个共用转子的弧形直线感应电机组成，通过直线感应电机定转子之间的法向力来对转子进行非接触式定位控制，以减小转子的振动； 通过直线感应电机定转子之间的切向力来驱动转子转动。这种转子定位控制系统的基本思想与磁悬浮轴承或无轴承电机系统相同，都是通过对转子施加非接触的电磁力来控制转子位置。但是，传统的磁悬浮轴承主要研究的是高速水平转子，而对于低速竖直转子则研究较少。而在低速竖直转子的运动中存在着许多特殊情况： 首先，低速情形下，转子本身是一个不稳定的系统； 其次，竖直情形下，转子的运动中将会呈现更为复杂的非线性动力学特性。这些特点使得竖直低速转子的定位控制原理变得更为复杂。另外，传统的无轴承电机方案是通过在定子绕组中附加悬浮绕组来实现转子悬浮，其原理、结构和工艺都比较复杂，而采用多个直线感应电机来进行转子定位控制则可以省去附加绕组，使得电机结构简单、加工容易。因此，本书的研究既具有一定的理论难度，又具有一定的应用前景。
本书从无轴承电机的发展历程讲起，以竖直无轴承电机为例，重点阐述了无轴承电机的原理，单边轴承的模型、特性和控制。全书共分9章。第1章介绍无轴承电机的发展历史、研究现状、分类和基本原理； 第2章介绍竖直无轴承电机的基本组成、数学模型以及驱动特性； 第3章介绍不均匀气隙时的电机气隙磁场解析计算方法； 第4章主要介绍直线感应电机法向力和切向力解耦问题； 第5章主要介绍基于陀螺效应的竖直转子定位控制算法问题； 第6章主要介绍基于L1自适应控制的转子定位算法研究； 第7章主要介绍起动阶段转速动态变化时的转子定位控制算法； 第8章主要介绍竖直无轴承电机的一个实例验证； 第9章对竖直无轴承电机的研究成果及其未来研究方向作出总结和展望。
本书可作为电气工程、机械工程、控制科学与工程等学科研究无轴承电机及其控制人员的参考书，也可供从事相关研究的高校教师、研究生和工程技术人员阅读参考。
本书的研究工作是作者在博士课题研究的基础上，在北京市教委科技计划(KM201911232016)的大力支持下完成的，在此衷心感谢作者的导师——北京交通大学范瑜教授，并向北京市教育委员会表示衷心的感谢。
本书初稿经蒙范瑜教授和清华大学杨耕教授认真审阅，两位教授提出了很多宝贵的意见。在本书的编写和出版过程中得到了清华大学出版社的大力支持。在此向两位教授和清华大学出版社表示诚挚的感谢。
限于水平，书中难免存在谬误和不足之处，敬请各位专家、学者给予批评指正。
刘思嘉
2021年7月于北京
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