磁力轴承用数字功率放大器的研究

发布时间：2017-06-06 08:19

  本文关键词：磁力轴承用数字功率放大器的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：不加控制的磁力轴承是一个不稳定的开环系统,因此需要加入控制系统进行闭环控制。功率放大器(简称功放)做为磁力轴承控制系统的驱动单元,其输出特性对系统的稳定性以及动态特性具有重要影响。磁力轴承功放根据实现方式的不同分为模拟功放和数字功放两类,数字功放以其抗干扰能力强、控制算法灵活等优点逐渐在磁力轴承系统中得到广泛应用,本文对两电平功放和三电平功放的数学模型进行建模并设计一款基于DSP28335的数字功放以验证不同参数对功放的影响。 首先对磁力轴承功放的特性进行了分析并深入探讨了电流响应速度、控制力响应速度、电流纹波、开关频率等参数对磁力轴承系统的影响。通过比较各类调制方式和功率主电路的优缺点确定了PWM调制+半桥结构的功放硬件电路设计方案。根据负载线圈两端电平的不同将功放分为了两电平功放和三电平功放两类,通过求解电压方程得到了两电平功放和三电平功放稳态时的电流纹波表达式,运用傅立叶变换对功放输出电流信号进行了分解并使用SIMULINK软件建立了两电平功放和三电平功放的闭环模型。由两电平功放和三电平功放的仿真结果可知三电平功放具有更好的电流输出特性。 其次对功放电路进行了详细地设计和选型并研制了一块实验用功放板。以CCS3.3开发软件为平台对ePWM模块和A/D模块进行了配置,实现了0%-100%占空比可变的PWM波的输出、数字PI调节和负载电流的采集。 最后搭建了系统实验平台并对两电平数字功放的输出特性进行测试。根据测试结果可知,该两电平数字功放能够实现给定信号的稳定跟踪并具有较好的线性度。在母线电压下观察其对功放电流响应速度的影响并验证了两电平功放输出纹波电流与母线电压成正比这一结论。通过给定不同频率的正弦波信号测量功放的输出电流波形并绘制出功放的幅频响应曲线和相频响应曲线。当负载为电感6.3mH、电阻为1Ω的电磁线圈,母线电压为90V时,根据频率响应曲线可知功放的输出带宽理论上达到了7.2KHz,实际可用带宽为600Hz,根据该功放设计的磁力轴承最高转速理论上可达36000r/min。
【关键词】：磁力轴承 数字功放 DSP28335
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.3;TN722.75
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 磁力轴承概述9-12
• 1.1.1 磁力轴承的分类及特点9-11
• 1.1.2 磁力轴承国内外研究现状11-12
• 1.2 磁力轴承功放国内外研究现状12-17
• 1.3 本课题研究目的及意义17-18
• 1.4 项目来源18-19
• 第2章 磁力轴承功放特性分析及数学模型的建立19-41
• 2.1 磁力轴承功放的性能指标19-23
• 2.1.1 电流响应速度和控制力响应速度19-21
• 2.1.2 输出电流纹波与系统失真度21-22
• 2.1.3 功放效率与开关频率22-23
• 2.2 磁力轴承开关功放工作原理及组成23-29
• 2.2.1 磁力轴承开关功放工作原理23-24
• 2.2.2 磁力轴承两电平开关功放工作原理及纹波电流计算24-26
• 2.2.3 磁力轴承三电平开关功放工作原理及纹波电流计算26-29
• 2.3 磁力轴承功放模型的建立与仿真29-40
• 2.3.1 两电平功放闭环模型29-31
• 2.3.2 两电平功放仿真结果分析31-32
• 2.3.3 三电平功放闭环模型32-34
• 2.3.4 三电平功放仿真结果分析34-38
• 2.3.5 两电平功放与三电平功放仿真结果对比38-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第3章 磁力轴承数字开关功放的设计41-62
• 3.1 磁力轴承模拟开关功放与数字开关功放41-42
• 3.1.1 传统的磁力轴承模拟开关功放41
• 3.1.2 基于DSP的磁力轴承数字开关功放41-42
• 3.2 磁力轴承数字开关功放硬件电路设计42-53
• 3.2.1 DSP芯片的选用43-44
• 3.2.2 功率电路器件的选用44-46
• 3.2.3 光耦模块设计46-48
• 3.2.4 采样电路设计48-49
• 3.2.5 A/D输入保护电路设计49-50
• 3.2.6 缓冲电路设计50-52
• 3.2.7 功放电路实物图52-53
• 3.3 磁力轴承数字开关功放控制流程设计53-61
• 3.3.1 调试软件和仿真工具简介53-54
• 3.3.2 系统控制流程图54-55
• 3.3.3 A/D模块配置55-58
• 3.3.4 ePWM模块配置58-60
• 3.3.5 PI算法设计60-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第4章 数字功放调试与实验结果62-74
• 4.1 测试平台的搭建62
• 4.2 驱动波形的测量62-63
• 4.3 PI参数调节63-64
• 4.4 功放输出特性的测量64-68
• 4.4.1 固定占空比时功放的输出特性测量64-67
• 4.4.2 功放线性度测试67
• 4.4.3 电流跟踪效果测量67-68
• 4.4.4 两电平工作方式验证68
• 4.5 母线电压对功放性能的影响68-70
• 4.5.1 母线电压对电流响应速度的影响68-69
• 4.5.2 母线电压对纹波电流的影响69-70
• 4.6 功放输出带宽的测量70-73
• 4.7 本章小结73-74
• 第5章 总结与展望74-75
• 5.1 论文研究总结74
• 5.2 论文研究展望74-75
• 致谢75-76
• 参考文献76-80
• 攻读硕士期间发表的论文80

【参考文献】

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本文编号：425839