采用三电平功放的磁轴承控制系统研究与设计

发布时间：2020-06-10 22:31

【摘要】：伴随着工业生产中应用的高速电机的发展,起到支撑高速电机转子的磁轴承成为当前热点研究内容。磁悬浮轴承是一种集机械结构、电力电子、控制工程、材料学、数字信号处理等多门学科的机电一体化的典型代表。根据磁轴承偏置磁场的来源的不同,磁轴承可以分为多种类别。本文主要研究了单自由度主动磁悬浮轴承及其控制系统。具体内容如下:研究应用在工程上的主动磁悬浮轴承径向磁轴承的结构、定子磁极的绕线方式。通过对电磁悬浮力的分析,推导出单自由度差动驱动方式控制的磁悬浮轴承的电磁力计算公式,确定了电磁轴承模型及参数,给出了位移传感器和功率放大器的简化数学模型。为了实现磁轴承的单自由度分散控制,应用Ansoft有限元分析软件对径向磁轴承定子的不同结构进行二维有限元电磁仿真计算,并对不同磁轭结构的计算结果进行分析从而确定径向磁轴承的解耦结构。计算了转子所受电磁合力与转子位移的关系曲线,分析表明做了解耦设计的磁轴承结构能够提供转子在产生位置偏移时回到平衡位置的电磁力。从而得出设计的磁轴承结构满足实际要求。分析主动磁悬浮轴承的控制方式,针对磁轴承的电磁执行器的特性要求,并遵循磁轴承功放的设计依据,在脉宽调制发生电路和功放驱动电路之间设计了一个逻辑电路。从而在两电平功放电路的基础上实现三电平控制策略。通过仿真与实验相结合的方式验证了功放设计的合理性。功率放大器的性能良好。能够有效减小电流纹波。仿真确定了磁轴承控制系统的位移外环PID控制参数。并在此参数条件下对主动磁悬浮轴承转子进行了起浮、静态悬浮和旋转实验。
【图文】：

之前提到了磁轴承的分类依据。比如按磁场提供来源可以分为主动式、被动式和混合式[19]。其中主动式磁轴承中若偏置电流由恒流源提供的叫做恒流源偏置磁悬浮轴承。偏置磁场由永磁体提供的叫做永磁偏置磁轴承[20-21]。不论是主动式还是混合式磁轴承，，都属于闭环系统，具有负反馈环节。而被动式磁悬浮轴承属于开环控制，虽能达到悬浮效果，但被悬浮的对象受到干扰很难再回到平衡位置。磁轴承按结构分为径向和轴向磁轴承两种，磁轴承定子的磁极的数量对于具体磁轴承来说也不是固定的。一般来说实际应用的都是四磁极和八磁极结构[22-23]。这是因为定子上磁极的数目越多，能够提供更多方向的磁拉力，使转子悬浮的鲁棒性更高。但是对于磁轴承控制系统，磁极太多会增加控制难度。而磁极数量太少，对于径向磁轴承来说，会造成电磁铁产生的磁感线耦合。给磁轴承力学模型的线性化增加了难度。在磁轴承发展历史中也提到过一种应用到人体左心室的人工心脏泵就是区别于常规磁悬浮轴承结构的磁悬浮轴承[24-25]。由于是应用到人体，要保证结构的紧凑性和一体性，这种磁轴承将电机和其中的一个轴承组合到一起。图 1.1 是磁轴承结构简图。

承控制系统的结构、工作原理；通过分析系统结构，在工作点运行范围力线性化模型。最后建立磁悬浮轴承转子的数学模型，并为后续磁轴承准备。轴承的工作原理学者 S.Earnshaw 的研究可知，若导磁被控对象在只受到永磁力的条件都实现稳定悬浮是不可能的。因此需要控制系统对磁轴承转子施加主动磁轴承控制系统主要由电机转子轴、缠绕线圈的磁轴承定子、功率放大式位移传感器五部分来组成一个闭环控制系统。这里需要说明的是由于，因此传感器需要选择非接触类型。在电机转子受到外部干扰偏移中心轴承控制系统中的控制器将会实时接收到来自与转子无直接机械接触的偏差信号，控制器将这个偏差信号经过处理器按照控制策略进行处理输到功率放大器中，功率放大器将控制信号转化成线圈中的实时电流使转保证转子的稳定悬浮。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH133.3;TP273

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1 赵鸿宾;;磁轴承研究现状[J];国际学术动态;1999年06期

2 朱q

本文编号：2706945