电磁轴承用电流型开关功率放大器关键技术研究
发布时间：2020-05-14 11:04
【摘要】：在电磁轴承控制系统中,开关功放的输出特性对整个系统的设计和稳定起关键性作用,电流纹波特性以及不同电平的PWM技术是近年来研究的核心技术。对于电磁轴承系统而言,电流型开关功率放大器相较于电压型开关功率放大器,其系统稳定性更高,因此本文主要研究电流型开关功率放大器。本文的创新点主要有:一是在不涉及具体脉宽调制策略的前提下,建立基于主电路开关状态函数的统一化电流纹波模型,分析了利用电流纹波特性来实现转子位移估算的基本原理;二是结合统一化电流纹波-转子位移模型和具体脉宽调制策略,从时域和频域两方面分析开关功放输出电流纹波的特性;三是针对传统三角波比较法三电平开关功放的调制失效情况下,提出一种新型的混合型脉宽调制方案,并通过仿真和实验进行了验证;四是通过上述理论研究,设计电磁轴承电流型开关功放的各硬件模块,接着对其输出性能进行分析,并结合单自由度及多自由度电磁轴承实验平台进行功能验证。以上述创新点为脉络,本文的主要研究内容如下:首先,本文对电磁轴承以及功率放大器目前的研究现状进行了综述,提出本文的研究目的、方法等内容。分析电磁轴承的电感特性,建立差动控制策略下单自由度电磁轴承系统的线性化模型,并接着结合电流型功放、电压型功放以及磁通型功放的特性,分析电磁轴承的主要控制方案。其次,介绍电磁轴承开关功放的类别以及主电路拓扑结构,建立开关状态方程,接着根据不同电平分析其电流纹波特性(线圈电流、电流变化率、谐波幅值等)。然后根据电流纹波特性重点分析了其与转子位移之间的传递关系,推导出统一的传递模型,同时通过Matlab/Simulink仿真软件结合三种具体的脉宽调制技术对比分析了电流纹波特性之间的区别。接着,分析了三角波比较法三电平PWM开关功放的调制失效机理。在三电平PWM开关功率放大器的基础上,提出一种结合三角波比较法和采样保持法的混合调制方法,该新型功放对公共桥臂和负载桥臂分别进行调制,其中公共桥臂采用三角波比较法,负载桥臂采用改进型采样保持法,通过载波的幅值和静态电流误差均值来设置偏置电压,并通过仿真和实验验证了本设计的正确性。最后,完成所设计的开关功率放大器各硬件模块的设计说明,并基于Cadence设计软件对开关功放进行了硬件制作,重点分析了其线性度、谐波畸变(THD)、跟踪特性、电流纹波以及电流响应速度等性能。同时基于MP8675芯片设计降压型DC-DC开关电源,以提供位置传感器的电源电压。接着采用数字PID控制器在单自由度以及单侧飞轮转子电磁轴承实验平台上完成悬浮实验,并通过检测转子悬浮位置以及功率谱密度曲线分析其悬浮质量。
【图文】：
?电磁轴承用电流型开关功率放大器关键技术研究3图 1.2 电磁轴承工作原理图1.2 电磁轴承系统的发展目前，国内外许多学者和专家都将目光集中在电磁轴承应用于工业控制领域方面，其中磁悬浮列车σ图 1.3τ 飞轮储能σ图 1.4τ以及在磁力轴承硬盘的研发设计等领域尤为突出 电磁轴承因其能提供无接触支承力的独特优点，可以代替传统轴承来解决轴承发热严重和润滑等问题，并且更有效地应用于高速旋转机械的场合[12-20] 利用电磁力实现物体的悬浮这一构想产生已久 1842 年，Earnshaw 就通过证明，在介绍永磁轴承为基础，在静态的无旋转系统上重点阐述了如果一个刚体在 6 个自由度上都通过永磁铁来支承，至少存在一个自由度不稳定 不稳定自由度可以通过机械轴承 有缘电磁铁或者超导磁铁的相互作用来使之稳定，因此，在 20 世纪 40 年代末，Braunbeck[21]通过理论分析和实验验证：当悬浮物为抗磁性材料
图 1.3 中低速磁悬浮列车图 1.4 磁悬浮飞轮储能设备90 年代初，电磁轴承开始受到国内众多学者和专家的重视和研究， 清华大学首先设计磁悬浮控制系统，将小钢球悬浮于单自由度空气间隙中，并对实验结果进行了详分析说明 1988 年，，哈尔滨工业大学建立单自由度以及多自由度电磁轴承控制系统学模型，通过系统传递函数 功率放大器的不同控制方案模型以及电流控制器的设计度，对电磁轴承的不同结构和控制模型进行了进一步优化 由此，全国一大批高校也组建电磁轴承研究小组，在电磁轴承控制系统 高速磁悬浮储能飞轮车载支承以及电承开关功放等诸多方面的研究上投入了大量的理论和实验研究[46-50] 在汽车减排 公通 船舶动力 楼宇电梯 采矿钻探和港口作业等重型设备领域中，高效的能量存储将对自然能源的高效利用和可持续发展提供核心技术支撑 为了加强国内电磁轴承领学术交流，2005 年，中国力学学会 全国磁悬浮轴承研究单位以及清华大学核能与源技术研究院，在北京召开了首届中国磁悬浮轴承学术会议 会议每两年召开一次
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN722.75
【图文】：
?电磁轴承用电流型开关功率放大器关键技术研究3图 1.2 电磁轴承工作原理图1.2 电磁轴承系统的发展目前，国内外许多学者和专家都将目光集中在电磁轴承应用于工业控制领域方面，其中磁悬浮列车σ图 1.3τ 飞轮储能σ图 1.4τ以及在磁力轴承硬盘的研发设计等领域尤为突出 电磁轴承因其能提供无接触支承力的独特优点，可以代替传统轴承来解决轴承发热严重和润滑等问题，并且更有效地应用于高速旋转机械的场合[12-20] 利用电磁力实现物体的悬浮这一构想产生已久 1842 年，Earnshaw 就通过证明，在介绍永磁轴承为基础，在静态的无旋转系统上重点阐述了如果一个刚体在 6 个自由度上都通过永磁铁来支承，至少存在一个自由度不稳定 不稳定自由度可以通过机械轴承 有缘电磁铁或者超导磁铁的相互作用来使之稳定，因此，在 20 世纪 40 年代末，Braunbeck[21]通过理论分析和实验验证：当悬浮物为抗磁性材料
图 1.3 中低速磁悬浮列车图 1.4 磁悬浮飞轮储能设备90 年代初，电磁轴承开始受到国内众多学者和专家的重视和研究， 清华大学首先设计磁悬浮控制系统，将小钢球悬浮于单自由度空气间隙中，并对实验结果进行了详分析说明 1988 年，，哈尔滨工业大学建立单自由度以及多自由度电磁轴承控制系统学模型，通过系统传递函数 功率放大器的不同控制方案模型以及电流控制器的设计度，对电磁轴承的不同结构和控制模型进行了进一步优化 由此，全国一大批高校也组建电磁轴承研究小组，在电磁轴承控制系统 高速磁悬浮储能飞轮车载支承以及电承开关功放等诸多方面的研究上投入了大量的理论和实验研究[46-50] 在汽车减排 公通 船舶动力 楼宇电梯 采矿钻探和港口作业等重型设备领域中，高效的能量存储将对自然能源的高效利用和可持续发展提供核心技术支撑 为了加强国内电磁轴承领学术交流，2005 年，中国力学学会 全国磁悬浮轴承研究单位以及清华大学核能与源技术研究院，在北京召开了首届中国磁悬浮轴承学术会议 会议每两年召开一次
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN722.75
【参考文献】
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1 姚迪;王建文;刘园;;改进模糊PID控制在八磁极径向电磁轴承中的应用[J];机械科学与技术;2015年09期
2 张维煜;朱q
本文编号：2663250
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