适用于高速电机的混合型磁悬浮轴承设计及控制策略的研究

发布时间：2018-02-16 15:28

  本文关键词： 混合型磁悬浮轴承 参数优化设计 控制策略 H∞控制方法 开关功放 五相六桥臂 单周期控制　出处：《南京航空航天大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：混合型磁悬浮轴承利用永磁体建立偏置磁场,功率损耗低,体积重量小,将其用于高速电机可使电机获得更高的转速与功率密度,在航空航天、机械加工等高速驱动领域具有广泛的应用前景。本文对适用于高速电机的混合型磁悬浮轴承的参数设计与优化、控制系统的数字控制策略及其开关功放的数字控制策略进行了深入研究。本文提出了一种基于漏磁与磁阻系数迭代计算的磁悬浮轴承参数设计方法,结合有限元法与解析法,通过迭代算法获得磁场的磁阻系数与漏磁系数,提高了参数的设计精度。基于该方法,设计了一台混合型三自由度磁悬浮轴承并进行了三维有限元仿真验证。最终制作了一套基于该磁悬浮轴承的五自由度高速电机磁悬浮轴承实验样机,实现了30000 rpm的稳定悬浮,验证了该设计方法的有效性。本文研究了五自由度混合型磁悬浮轴承控制系统的H∞控制及其优化设计策略。根据奇异值曲线分析加权阵函数选择规律,设计了H∞控制器。与传统PID控制进行了比较研究,仿真与实验结果表明H∞控制器能够有效的抑制系统干扰,具有较强的鲁棒稳定性。针对H∞混合灵敏度控制器阶次高、不利于实际应用的局限,本文利用BP神经网络函数逼近的特性,设计了一种简单的阶数低的磁悬浮轴承H∞优化控制器。对设计的H∞优化控制器进行了起浮、静态悬浮、动态悬浮及扰动实验验证,实验结果验证了本文设计的H∞优化控制器的优越性。本文针对适用于磁悬浮轴承系统的电流型全桥开关功率放大器,研究了其单周期数字控制策略。本文分别在单极性与双极性不同的工作模式下,推导出单周期控制的数学模型。基于数学模型,设计了单周期控制策略,并通过仿真验证了数字控制策略的合理性。设计了全桥开关功放的原理样机,分别对两种工作模式下的控制策略进行了实验验证。采用五相六桥臂结构作为磁悬浮轴承开关功放的主电路,可以进一步降低开关功放的成本以利于磁悬浮轴承的推广应用。针对五相六桥臂控制算法复杂、五路电流输出存在耦合的问题,本文提出了一种新型的五相六桥臂开关功放的数字控制策略,运用单周期控制的思想,固定公共桥臂占空比,进而推导五路负载桥臂开关管的占空比,实现了五路电流的独立输出与解耦控制。设计了五相六桥臂开关功放的原理样机,并进行了实验验证,表明本文所提出的控制策略具有控制简单、响应速度快、控制精度高等特征。
[Abstract]:Hybrid maglev bearings use permanent magnets to establish bias magnetic fields, with low power loss and small volume and weight. The use of hybrid magnetic bearings in high-speed motor can make the motor obtain higher rotational speed and power density in aerospace, The high speed driving field such as machining has a wide application prospect. The parameter design and optimization of hybrid magnetic suspension bearing, which is suitable for high speed motor, is discussed in this paper. The digital control strategy of the control system and the digital control strategy of the switching power amplifier are deeply studied. In this paper, a parameter design method based on the iterative calculation of magnetic flux leakage and magnetoresistive coefficient is proposed, which combines the finite element method and the analytical method. The magnetoresistive coefficient and magnetic flux leakage coefficient of the magnetic field are obtained by iterative method, which improves the design accuracy of the parameters. A hybrid three-degree-of-freedom maglev bearing is designed and verified by three-dimensional finite element simulation. Finally, a set of experimental prototype of 5-DOF high speed motor magnetic suspension bearing based on the magnetic suspension bearing is made, and the stable suspension of 30000 rpm is realized. The effectiveness of the design method is verified. In this paper, the H 鈭，

本文编号：1515834