曹杨[1]2007年在《电磁轴承数字控制系统的设计与研究》文中进行了进一步梳理电磁轴承是典型的机电一体化系统，包括电气子系统(传感器、控制器和功率放大器)和机械子系统(转子、定子和线圈)，其性能好坏主要取决于电气子系统性能。本文主要对其电气子系统，特别是功率放大器和基于DSP的数字控制器，开展研究。首先简要介绍了磁轴承的分类及工作原理，概述了主动电磁轴承的研究现状、发展趋势及工业应用：建立了单自由度电磁轴承系统的数学模型，利用MATLAB/SIMULlNK对系统特性进行了仿真，并讨论了不同的PID控制参数对系统阶跃响应的影响。其次介绍了功率放大器的工作原理和工作状态，分析了开关功率放大器的各种拓扑结构和控制策略，研究了电磁轴承用叁电平PWM开关功率放大器，对其动、静态性能进行了仿真和实验测试。之后研究了电磁轴承的数字控制器，选择PID算法作为系统的控制策略，设计了基于TMS320F240 DSP的数字控制程序以及相应的A/D采样电路、D/A转换电路和滤波电路，并设计了用于串口调试参数的上位机软件，实现了在线调试功能。最后在一个控制箱内集成了电磁轴承控制系统，确认各部分功能与接口的正确后进行了综合调试，通过静态与动态悬浮实验，结果证明了电磁轴承数字控制系统达到了设定的要求。
蔡晓峰[2]2004年在《电磁轴承开关功率放大器的设计与研究》文中研究表明电磁轴承是利用电磁力将转子无接触地悬浮起来的支承部件,这一特性使电磁轴承与传统轴承相比具有无法比拟的优点,在高速旋转机械领域得到了广泛的应用。在电磁轴承系统中,功率放大器(简称功放)的作用是向电磁铁线圈提供相应的控制电流以产生所需要的电磁力。功放在电磁轴承系统中具有重要的作用。 本文讨论了两电平和叁电平开关功率放大器的工作原理及其特性。通过在电磁轴承绕组的电感中引入机械参数的方法,得到了机械参数与功放输出电流谐波之间的关系式,并分析了机械参数对电磁轴承开关功率放大器的输出电流谐波影响。针对目前开关功率放大器所采用的调制技术,比较了各种调制技术的优缺点,在功放设计方案中采用了比较实用的PWM调制技术。研究了功率MOSFET驱动电路,特别是桥式结构驱动电路的设计,设计和实验了IR2110、两路独立电源供电的TLP250和TLP250自举供电叁种驱动方案,并对实验结果进行了分析。设计和制作了基于DSP的两电平开关功率放大器,并调试成功。针对叁电平开关功率放大器控制逻辑硬件电路设计上的难点,结合TMS320F240DSP快速处理能力和具有适合控制的事件管理器,提出了基于DSP的叁电平开关功率放大器硬件设计方案,设计和制作了基于DSP的叁电平开关功率放大器的电路板,并调试成功。并给出了开关功率放大器从前端输入到H桥输出的硬件设计的完整方案。论文探讨了大功率开关功率放大器的各种实现技术并对其在电磁轴承系统中运用的可行性进行了分析,给出了电磁轴承大功率开关放大器设计思路。最后,针对辅助轴承精确定位难这一问题提出了一种解决方法,并在实验中得到很好的验证。 本论文设计两电平和叁电平开关功率放大器并完成了相关的实验,分析了各种实验结果。实验结果基本达到了设计要求。
许峰[3]2003年在《电磁轴承功率放大器的研究》文中认为本文在分析电磁轴承工作原理的基础上建立了电磁轴承系统的数学模型，它包括力学方程和电学方程两部分，在此基础上推导出系统的传递函数和系统框图。本文重点讨论了电磁轴承的功率放大器。首先讨论了分立元件开关功率放大器原理并研制了在电磁轴承中的应用电路；其次讨论了集成功率放大器，应用SA60设计了新型脉宽调制功率放大器并在电磁轴承中应用；在论文的最后给出了电磁轴承系统综合调试的一般方法及调试结果。
周伟[4]2009年在《磁悬浮功率放大器的研究和设计》文中研究指明目前,磁悬浮轴承和磁悬浮列车是国内外的一个研究热点,而应用最广泛的是磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中,然后将转子以旋转电机驱动,使其绕特定轴线旋转,转子与定子之间没有机械接触的一种新型、高性能轴承。在五自由度磁悬浮轴承控制系统中,功率放大器是磁悬浮轴承控制系统中非常重要的一部分。电磁轴承系统在早期多采用线性功率放大器,由于线性功放的效率较低,现在电磁轴承系统中几乎都采用效率高、动态特性好的开关功率放大器。由于磁悬浮功率放大器的设计涉及到控制理论、电磁学、电子学,电力电子等方面的知识,且工况现场电磁干扰比较复杂,所以目前的功率放大器存在输出电流纹波比较大,跟随特性不够理想和重复性不够好等问题。针对这些问题,本文设计了PWM型开关功率放大器。该功放采用集成PWM波产生芯片SG3524作为PWM波产生芯片,采用EXB841作为过流保护芯片。该设计电路简单,稳定可靠。并通过性能测试和实验分析,对其纹波、阶跃响应、输入输出特性和耦合状态下的线性度进行研究和改进。为了便于研究,首先根据磁悬浮轴承转子支承特性,抽象出盘状磁悬浮轴承支承结构模型,分析盘状磁悬浮轴承控制系统的数学模型;以往主电路的保护电路结构较为复杂,在磁悬浮技术的实际应用中,易受外界干扰的影响而导致其稳定性不够,设计了基于EXB841的简单易实现的保护电路,且带过流自锁功能;本文对磁悬浮功率放大器的电磁兼容性进行了分析,并提出了具体方案;由于磁悬浮功率放大器涉及到电磁学、控制理论和计算机科学等众多领域,许多磁悬浮功率放大器存在输出电流纹波和跟随特性不够理想,本文对其进行研究和分析;最后,对功率放大器的主要特性进行了测试,并分析了电磁线圈在悬浮中被其他电磁线圈磁场耦合的状态下,功放能否保持较好的线形度。功率放大器的主要特性测试试验表明,本文设计的功率放大器能够满足盘状磁悬浮轴承系统的静态悬浮的要求。
李冰[5]2003年在《电磁轴承系统集成化技术的研究》文中研究表明电磁轴承集成技术是目前磁轴承高速电机领域研究的热点。该技术对于提高系统的可靠性、减小转子轴向长度和体积，改善高速电机的动态性能具有独特的作用。本文以电磁轴承系统集成化技术为研究重点，包括将轴向和径向磁轴承功能结合为一体的集成磁轴承、将径向磁轴承和异步电机集成在一起的无轴承异步电机、新型开关功率放大器的研制以及控制系统H_∞鲁棒控制策略等研究。主要作了以下几个方面开创性的工作： 研究了一种高效紧凑的新型永磁偏置轴向径向磁轴承。利用等效磁路法建立了该磁轴承的磁悬浮力数学模型，依据此数学模型分析了径向和轴向磁悬浮力之间的非线性耦合关系，得出在转子平衡位置附近，径向和轴向悬浮力是解耦的结论，从而为控制带来了极大的方便。在以上分析的基础上，推出磁悬浮力的线性化方程，计算了电流刚度和位移刚度，同时提出了这种磁轴承的性能指标公式，为该磁轴承的设计提供了理论依据。对该新型磁轴承进行了ANSYS有限元仿真，很好地验证了磁悬浮机理和数学模型的正确性。实验进一步验证了永磁偏置轴向径向磁轴承的工作原理和优良的动态性能。在永磁偏置轴向径向磁轴承的基础上首次提出了一种永磁偏置径向磁轴承，研究了该磁轴承的数学模型，并对其进行了实验验证。 在阐明无轴承异步电机基本工作原理的基础上，详细推导了适用于矢量控制的磁悬浮力数学模型，为无轴承异步电机的气隙磁场定向控制奠定了坚实的基础。首次运用有限元方法对该电机进行了深入的研究，充分展现了无轴承异步电机特有的气隙磁场分布、验证了稳定磁悬浮力产生的条件、指出了磁饱和对磁悬浮力的影响、利用有限元方法修正了磁悬浮力数学模型。 研究了由无轴承异步电机和永磁偏置轴向径向磁轴承构成的新型五自由度磁悬浮系统。阐述了无轴承异步电机的气隙磁场定向控制策略，采用该非线性控制方法能使无轴承异步电机解耦成转矩子系统和磁悬浮径向力子系统，从而可以采用经典PID对这两个独立的子系统进行控制，首次实现了系统在0～3000rpm转速范围内的稳定悬浮。 提出一种五自由度悬浮磁轴承电机系统(由永磁偏置轴向径向磁轴承、永磁偏置径向磁轴承、高速永磁同步电机共同构成)。首次将H_∞鲁棒控制策略应用于集成化磁轴承系统，详细论述了H_∞控制器的设计过程，并与经典PID控制策略进行了比较，表明了H_∞控制器优良的抗干扰能力和稳定的鲁棒性。 针对磁轴承系统对开关功率放大器的要求，首次提出并实现了一种具有高带宽和低纹波电流的开关功率放大器——电流模式控制叁态开关功率放大器，详细阐述了其南京航空航天大学博士学位论文工作原理和设计过程，给出了实验波形和分析。从降低系统成本和提高可靠性的角度，提出了一种采用空间电压矢量控制的开关功率放大器，对其进行了仿真研究，指出了这种功放的应用前景。
唐明[6]2013年在《径向四自由度主动电磁轴承系统的自传感运行研究》文中认为自传感主动电磁轴承系统具有硬件精简、成本低廉、设计简便、执行器和传感器为同一部件等等一系列独特的性能优势,因而成为近年来电磁轴承领域最具革新意义的热门课题之一本文在采用恒频电流型PWM开关功率放大器的主动电磁轴承系统平台中,研究了基于PWM信号的电磁轴承自传感技术。从理论分析、仿真研究、实验验证叁个方面全方位地对PWM信号这一高频源在自传感技术中的应用进行了深入而细致的研究。在基础理论和关键技术方面获取了一些自主创新的研究成果：1.建立了主动电磁轴承系统的电感模型,在忽略磁场饱和、漏磁、磁滞、涡流等非线性因素的条件下,推导出了电磁线圈等效电感和气隙长度的函数关系式,证明气隙长度可以由电磁线圈等效电感的变化来进行估计,该结论是电磁轴承系统实现自传感运行的重要理论基础。2.研究了恒频电流型PWM开关功率放大器的拓扑结构与工作原理,使用傅里叶级数的方法对电磁线圈两端的电压信号、电磁线圈中的电流信号进行了谐波分析,推导出了电流高频纹波幅值关于气隙长度和PWM信号占空比的函数关系式。3.使用雅可比-安格尔恒等式、第一类贝塞尔函数等数学工具研究了力扰动对电流高频纹波信号的频谱特性影响,理论分析和实验结果表明力扰动通过控制器的反馈作用,使得功率放大器在跟踪动态给定电流信号时产生了时变的占空比。时变的占空比不仅影响着电流纹波高频分量的幅值,而且使其频谱不再单一。电流纹波在开关频率处的谱线周围会出现无数的等间隔边频分量,这些边频分量的频率间隔与电流参考信号的频率相等。各阶边频分量的幅值由第一类贝塞尔函数的值确定。4.考虑到电流高频纹波的特殊频谱特性,在帕塞瓦尔定理的基础上详细探讨了解调器中带通滤波器的通带增益、通带带宽等参数对解调器性能的影响,并给出了各参数的选择范围。在此基础上,基于UAF42芯片设计了一款改进型解调器,并通过仿真和实验验证了该解调器的性能。5.提出一种采用占空比补偿的电磁轴承自传感技术,通过对DSP28335芯片资源的充分利用,将自传感技术的硬件复杂度降低了一半。将占空比补偿策略所估计得到的转子位移作为反馈信号,成功地实现了四自由度径向电磁轴承系统在0-3000rpm内稳定的自传感运行。6.提出一种采用非线性参数估计法的电磁轴承自传感技术,通过嵌入一个与实际系(?)参数相等的电磁轴承等效模型和简单PI控制器,实现了对转子位移的闭环估计。仿真结果表明,相比其他开环位移估计策略该方法能够有效的提高位移提取的精度和带宽。将非(?)性参数估计法估计得到的转子位移作为反馈信号,能够实现四自由度径向电磁轴承系统(?)0-3000rpm内稳定的自传感运行,且性能明显优于占空比补偿法。
胡立波[7]2005年在《五自由度磁力轴承控制系统设计与仿真研究》文中进行了进一步梳理磁力轴承具有定转子之间无摩擦、高转速、高精度等优点，在国际上引起广泛关注。国际上的磁力轴承研究已经有40年以上历史。目前，在美国、法国、日本、瑞士等国已经获得了工业领域的应用。国际第一届磁力轴承会议于1988年举行，以后每2年一届。我国的磁力轴承研究起始于上世纪80年代初，于今已有20年左右历史，但始终没能实现工业化的生产。在前人研究的基础上，本文试图提出磁力轴承的数字控制系统的新设计方案及其实现方法；对磁力轴承的功率放大器作出一点改进；探索新的控制算法；对国内磁力轴承研究提出一点建议。 本论文首先介绍了磁力轴承研究在国民经济中的实用价值与理论意义、国内外研究的现状等。其次介绍了磁力轴承系统各部分的组成及它们在磁力轴承系统中的作用，同时较详细地介绍了位移传感器。 本论文提出了新的磁力轴承数控系统方案及其实现方法。该数控系统选用1片高性能的TMS320F2812型DSP作为主控制器。通过TMS320F2812型DSP内置的12位ADC模块对五个自由度的位移信号进行转换，该A／D转换方案的主要优点是减少A／D接口设计的任务、降低接口设计成本。本数控系统的D／A部分则采用2片8通道、12位DAC芯片TLV5630，该D／A转换方案的主要优点是使10路悬浮线圈电流给定信号同时输出、以降低磁力轴承控制系统模型不确定性，减少A／D接口设计的任务、降低接口设计成本。本论文对TMS320F2812ADC模块、SPI模块应用所作的探索，将能供使用TMS320F2812ADC模块、SPI模块的研发人员或学习者参考。 针对磁力轴承的特点，从提高功率放大器的电流响应速度和能量转化效率出发，对功率放大器的控制电路和功率电路进行了研究，研制了一台采样保持型磁力轴承功率放大器。实验结果表明，该功率放大器具有电流响应速度快、能量转化效率高等优点。 在对五自由度磁力轴承作仿真研究时，前人虽然对磁力轴承的五个自由度进行建模，但常常仅选择具有代表性的轴向自由度进行仿真。本论文则对磁力轴承的五个自由度都分别进行了仿真研究。 在文章的最后，总结了本文的主要研究成果、创新点，对国内的磁力轴承研究方法进行了反思，提出了几点改进国内磁力轴承研究的方法。
黄丰新[8]2017年在《电磁轴承开关功放的特性分析与改进设计》文中认为电磁轴承作为新型可控支承装置,凭借其无接触、刚度阻尼可调等独特优点而被广泛应用于航空航天、交通和能源等领域。开关功放是电磁轴承控制系统的重要组成部分之一,其干扰最大、滞后最严重。因此,必须改善开关功放的性能,以提高整个电磁轴承系统的支承能力。本文从理论分析、实验验证、仿真验证叁个方面对开关功放的性能进行了全方位研究,并将其应用于五自由度电磁轴承系统中进行了悬浮实验,主要内容如下:首先,从数学模型的角度对不同类型电磁轴承开关功放的优缺点进行了对比分析。建立了单线圈和双线圈缠绕方式的电磁轴承线圈电流模型,对比分析了这两种缠绕方式所对应的半桥型和全桥型开关功放的优缺点;建立了电流和电压控制方案的电磁轴承力学模型、动力学模型以及开关功放的电学模型、传递函数模型,对比分析了这两种控制方案所对应的电流型和电压型开关功放的优缺点;建立了二电平和叁电平PWM开关功放的电流波纹模型,对比分析了这两种电平方式开关功放的优缺点。其次,在数学模型的基础上对电磁轴承开关功放的特性进行了理论分析与实验验证。针对本实验室所用半桥式、电流型、叁电平PWM开关功放,确定了其负载线圈电感参数、开关频率、频带宽度、驱动电流、电源电压、功率器件等电气参数,研究了其效率、失真、电流波纹、电流响应速度、输出特性等性能指标,阐述了开关功放电气参数的选择对其性能指标乃至整个电磁轴承系统性能的影响,揭示了开关功放失真的原因及其危害,并着重分析并实验验证了其电流波纹、电流响应速度与频率、占空比之间的关系,而且还简单介绍了开关功放的干扰问题。再次,在失真分析的基础上对电磁轴承开关功放的特性进行了改进设计与仿真验证。提出了一种基于模糊控制的数字型开关功放来提高电流响应速度,以改善其滞后失真。从硬件和软件上对这种数字型开关功放进行了简单的电路设计、程序设计及抗干扰设计,依次介绍了其电流反馈电路、信号采样电路、移相PWM电路、隔离驱动与保护电路等硬件电路以及系统主程序、中断服务子程序等软件程序,并进行了仿真分析,仿真结果表明,基于模糊控制的数字型开关功放改善了其跟踪性能并很好地抑制了电磁干扰。最后,将开关功放应用于10kWh飞轮储能系统电磁轴承样机中进行了静态和动态悬浮实验。在静态悬浮实验中,对比分析了轴向和径向电磁轴承的转子位移、线圈电流、传感器输出电压等参数;在动态低速悬浮实验中,对比分析了轴向和径向电磁轴承的转子位移、线圈电流等参数。在动态高速悬浮实验中,对比分析了轴向和径向电磁轴承的转子位移、幅频谱、相频谱、功率谱和轴心轨迹等情况。悬浮结果表明电磁轴承转子在轴向和径向各自由度上能够稳定悬浮在理想位置,即本文研究的开关功放基本上能够满足电磁轴承系统的要求。
范友鹏[9]2013年在《磁悬浮轴承功率放大器及低功耗控制研究》文中研究指明磁悬浮轴承是利用可控电磁力使转子稳定悬浮的一种新型轴承,它消除了传统机械轴承存在的机械摩擦和磨损,具有转速高、寿命长、无需润滑、工况可监测等优点,自出现伊始,就受到了工业界、学术界的普遍关注和广泛研究。本文针对主动磁悬浮轴承中的开关功率放大器和低功耗控制器进行了研究。本文首先针对一种长转子磁悬浮轴承给出了节省轴向空间的轴向位移检测新方法。利用电涡流传感器对被测转子的台阶表面敏感的特性,通过将双电涡流传感器径向对称安装,达到测量轴向位移的目的。将两个传感器的输出进行数学运算处理消除了传感器线圈与导体间径向距离的变化对检测结果的影响。针对位移传感器工作时输出电压信号中存在的高斯噪声进行了时域和频域分析,结果表明,影响转子的噪声主要集中在低频段,采用卡尔曼滤波的方法对转子位移信号进行估计,降低了噪声对位移输出信号的影响,提高了信噪比。该检测方法应用在磁悬浮鼓风机中,结果表明传感器的输出电压之和与转子轴向位移之间具有良好的线性关系和灵敏度,实现了精确测量并达到了节省空间的目标。针对基于FPGA(Field Programmable Gate Array)控制的叁电平脉冲宽度调制型开关功率放大器进行研究,建立了基于Simulink的数学模型,并利用Embedded MATLAB Function模块模拟了FPGA的工作流程,结果表明建立的系统模型能有效的反映开关功率放大器闭环控制系统的实际工作特性。提出了构造干扰观测器的方法对数字控制式开关功率放大器中存在的时间延时问题进行补偿,将前向通路中的时间延时作为扰动项等效到输入端,并构造干扰观测器对扰动项进行估计,在此基础上分析了负载参数扰动对时间延时补偿效果的影响。在以往两电平开关功率放大器非线性现象分析的基础上,研究了叁电平开关功率放大器的非线性现象,针对磁悬浮轴承开关功率放大器全桥拓扑结构,研究了全桥变换器在工作过程中存在的混沌行为。首先采用频闪映射的方法,建立了全桥变换器的非线性模型,分析了其分岔稳定性和混沌特性,利用数值计算确定了电流控制比例系数、载波频率和功率电源电压的稳定区域,计算了李雅普诺夫指数验证混沌现象的存在,并确定了参数的稳定工作范围。为降低磁悬浮轴承静态电流损耗研究了零功率控制。针对零功率控制下控制系统刚度低的特点,采用位移反馈的方法提高控制系统的刚度,为了实现刚度和功耗的折中。本文研究的基于可变刚度的零功率控制在磁悬浮人工心脏泵中进行了实验验证,在满足磁悬浮人工心脏泵刚度和阻尼的情况下达到了降低功耗的结果。
雷勇[10]2006年在《轴向控制的磁浮转子系统的控制研究》文中指出磁悬浮轴承由于无摩擦、无磨损、无需润滑、寿命长、低功耗、无噪声等优点越来越受到重视，将广泛应用于航空航天、超高速超精密加工机床等高科技领域。磁轴承承载特性的好坏主要取决于其结构参数和控制系统。磁悬浮轴承的稳定性分析和控制方法可以应用到其它磁悬浮领域，因此进行磁悬浮轴承的稳定性分析和控制机理研究具有极其重要的意义。本文着重对磁悬浮控制方法和功率放大两个部分进行了研究。首先针对所设计的一种新型磁悬浮转子系统建立了单自由度磁悬浮系统数学模型。并在此基础上展开了相应的理论分析，设计了常规PID控制器和专家PID控制器。通过实验表明：与常规PID控制器相比，专家PID控制器的单自由度磁悬浮转子系统有更加良好的稳定性和鲁棒性，且在较短的时间内能达到平衡，对干扰信号的抑制也取得了令人满意的效果。为了保证控制策略的顺利实现，必须有好的执行机构，为此先后设计出了线性功率放大器和H型PWM功率放大器。对功放的性能测试表明：设计出来的线性功放能完成单自由度磁悬浮平台的稳定悬浮，但提供的电流范围有限，为了解决提供电流的不足，又设计出了H型PWM功放，测试结果表明能适应磁悬浮转子系统的特殊要求。
参考文献：
[1]. 电磁轴承数字控制系统的设计与研究[D]. 曹杨. 浙江大学. 2007
[2]. 电磁轴承开关功率放大器的设计与研究[D]. 蔡晓峰. 浙江大学. 2004
[3]. 电磁轴承功率放大器的研究[D]. 许峰. 山东科技大学. 2003
[4]. 磁悬浮功率放大器的研究和设计[D]. 周伟. 武汉理工大学. 2009
[5]. 电磁轴承系统集成化技术的研究[D]. 李冰. 南京航空航天大学. 2003
[6]. 径向四自由度主动电磁轴承系统的自传感运行研究[D]. 唐明. 浙江大学. 2013
[7]. 五自由度磁力轴承控制系统设计与仿真研究[D]. 胡立波. 武汉理工大学. 2005
[8]. 电磁轴承开关功放的特性分析与改进设计[D]. 黄丰新. 哈尔滨工程大学. 2017
[9]. 磁悬浮轴承功率放大器及低功耗控制研究[D]. 范友鹏. 山东大学. 2013
[10]. 轴向控制的磁浮转子系统的控制研究[D]. 雷勇. 中南大学. 2006
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