磁悬浮轴承测控系统研究
发布时间：2021-01-19 03:11
电磁轴承凭借其无接触,无磨损,无需润滑等优异特性,在真空系统、高速透平机械、医疗器械等领域有广泛的应用。典型的主动式电磁轴承系统中,控制器通过位移传感器实时采集转子的位置信息,计算控制转子所需的电磁力,并通过功率放大器驱动电磁铁使转子受控悬浮。目前磁悬浮轴承领域的研究主要朝着超高速、高可靠性、低成本、小型化等方向发展。为了匹配高速磁悬浮轴承系统的测控需求,课题从新型的低成本位移传感器,高性能多核控制平台和低噪声开关功率放大器三个方面着手展开研究工作。位移传感器是高速电磁轴承系统中重要的组件之一,其直接决定了转子的控制精度。课题研究了一种新型的横向磁通传感器,其在低成本,小型化磁轴承中优势明显。课题建立了传感器的理论模型,并借助有限元软件建模仿真,对传感器探头线圈设计进行优化分析,探索出了一套适用的设计规律,并据此设计、构建了传感器测试平台。静态性能测试结果表明所制传感器灵敏度为38.94 mV/μm,线性度为1.87%,径向正交两自由度（X-Y）耦合度为2.14%,且理论带宽9.54 kHz,能够满足超高速电磁轴承的位移检测需求。该传感器被应用于某高速磁悬浮压缩机转子的位移检测,实现了...
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
主动式电磁轴承结构示意图
第1章引言图1.2相关文献中出现的横向磁通传感器一。为了改进设计以获得尽可能高的灵敏度，研究者一般使用软件建模、仿真进行参数优化。有研究者使用多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics基于FEM建模[13]，也有研究者使用Gecko-Simulations工具包基于PEEC法建模[12]。不同的研究者采用不同的工具，但所研究的影响灵敏度的因素基本都包括激励频率，线圈布局与形状，转子的材料等。整体来看，目前没有人提出一套可行的设计准则。有些关键问题还有待于进一步的研究，比如关于PCB上的铜走线的间距与宽度、铜箔的厚度、传感器的驱动方式、信号解调方式等。1.2.2控制器主动式电磁轴承的核心是控制器，高速运动转子的动态行为依赖于控制器的实时控制。控制器的输入来自各类传感器，主要为转子的运动状态信号，如位移、转速等；输出的控制信号控制后级的功率放大器，往电磁铁中注入相应的电流，使转子受控悬福现代化的控制器基本都是数字控制，但上世纪八十年代，磁悬浮轴承的控制器还是依靠模拟电路来实现的。相比数字控制器，模拟控制器存在诸多问题，比如受模拟电路复杂度影响，一般只能实现基础的PID控制，无法满足高速磁悬浮轴承的控制需求；更新控制器参数需要改动硬件电路，调试不便；控制参数受模拟器件的温漂和时漂影响，使用场合受限等。随着微处理器、数模转换器、模数转换器等集成电路的快速发展，数字控制器已经成为构建磁悬浮轴承系统的主流选择。数字控制器可以非常灵活地实现多种控制算法，比如非线性控制、不平衡控制算法等。通过实现复杂的控制算法，磁轴承系统可以获得很多优异的特性，比4
第2章横向磁通位移传感器理论与设计仿真第2章横向磁通位移传感器理论与设计仿真横向磁通位移传感器是基于电涡流效应工作的传感器，具有低成本，高集成度，高灵敏度等优点，在小型化磁悬浮轴承位移检测领域有着较大的应用潜力。本章系统地介绍了关于横向磁通位移传感器的理论研究与建模仿真结果，总结出了一套设计规律用于优化设计此类型传感器，并给出了设计实例。2.1传统电涡流传感器的工作原理处于交变磁场中的导体，其内部会感应出涡电流，涡电流会产生磁场反抗原磁场的变化，使得产生交变磁场的线圈等效阻抗发生变化，这一效应被称为电涡流效应，基于此效应研制的传感器即电涡流传感器。图2.1电涡流传感器工作原理示意图如图2.1所示，探头线圈通入电流为I，产生磁场为H，其接近被测体时，被测体感应出的涡电流为I′，形成的反抗磁场为H′。探头线圈等效阻抗为Z，其改变的程度与被侧导体的磁导率μ、电阻率ρ、探头线圈与被测体的距离x，探头线圈中电流I的频率f等因素相关[32-35]，线圈阻抗可被表述为式(2-1)。Z=f(ρ,μ,f,x)(2-1)在探头线圈和被测体确定的情况下，等效阻抗与二者之间的距离相关，依据此可制成电涡流位移传感器，并运用于磁悬浮轴承系统转子位移的检测。10
【参考文献】：
期刊论文
[1]横向磁通径向位移传感器研究[J]. 薛莲晓,张剀,徐旸,刘哲鸣. 仪器仪表学报. 2017(05)
[2]基于OMAP-L138的嵌入式运动控制器的设计与研究[J]. 付浩,刘建群. 科学技术与工程. 2013(01)
[3]基于FPGA的飞轮磁轴承一体化控制系统设计[J]. 张立,刘昆. 电机与控制学报. 2012(04)
[4]基于FPGA的磁悬浮轴承电控系统设计[J]. 金超武,徐龙祥. 江苏大学学报(自然科学版). 2011(05)
[5]磁悬浮轴承开关功率放大器等效数学模型[J]. 王军,徐龙祥. 电工技术学报. 2010(04)
[6]基于TMS320C6713B+FPGA数字控制器实现磁悬浮飞轮主动振动控制[J]. 刘彬,房建成,刘刚. 光学精密工程. 2009(01)
[7]平面电涡流线圈的结构参数设计[J]. 王鹏,丁天怀,傅志斌. 清华大学学报(自然科学版). 2007(11)
[8]基于DSP的主动磁轴承电主轴控制系统研究[J]. 吴国庆,张钢,张建生,张爱林,汪希平. 电机与控制学报. 2006(02)
[9]电涡流传感器的有限元仿真研究与分析[J]. 王春兰,张钢,董鲁宁,汪希平. 传感器与微系统. 2006(02)
[10]永磁偏置磁轴承三电平PWM开关功放的研究[J]. 张亮,房建成. 电力电子技术. 2006(01)
硕士论文
[1]涡流传感器建模与补偿及其电磁场仿真研究[D]. 葛向兵.江苏科技大学 2013
[2]电涡流传感器的仿真与设计[D]. 廖雅琴.电子科技大学 2007
本文编号：2986219
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
主动式电磁轴承结构示意图
第1章引言图1.2相关文献中出现的横向磁通传感器一。为了改进设计以获得尽可能高的灵敏度，研究者一般使用软件建模、仿真进行参数优化。有研究者使用多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics基于FEM建模[13]，也有研究者使用Gecko-Simulations工具包基于PEEC法建模[12]。不同的研究者采用不同的工具，但所研究的影响灵敏度的因素基本都包括激励频率，线圈布局与形状，转子的材料等。整体来看，目前没有人提出一套可行的设计准则。有些关键问题还有待于进一步的研究，比如关于PCB上的铜走线的间距与宽度、铜箔的厚度、传感器的驱动方式、信号解调方式等。1.2.2控制器主动式电磁轴承的核心是控制器，高速运动转子的动态行为依赖于控制器的实时控制。控制器的输入来自各类传感器，主要为转子的运动状态信号，如位移、转速等；输出的控制信号控制后级的功率放大器，往电磁铁中注入相应的电流，使转子受控悬福现代化的控制器基本都是数字控制，但上世纪八十年代，磁悬浮轴承的控制器还是依靠模拟电路来实现的。相比数字控制器，模拟控制器存在诸多问题，比如受模拟电路复杂度影响，一般只能实现基础的PID控制，无法满足高速磁悬浮轴承的控制需求；更新控制器参数需要改动硬件电路，调试不便；控制参数受模拟器件的温漂和时漂影响，使用场合受限等。随着微处理器、数模转换器、模数转换器等集成电路的快速发展，数字控制器已经成为构建磁悬浮轴承系统的主流选择。数字控制器可以非常灵活地实现多种控制算法，比如非线性控制、不平衡控制算法等。通过实现复杂的控制算法，磁轴承系统可以获得很多优异的特性，比4
第2章横向磁通位移传感器理论与设计仿真第2章横向磁通位移传感器理论与设计仿真横向磁通位移传感器是基于电涡流效应工作的传感器，具有低成本，高集成度，高灵敏度等优点，在小型化磁悬浮轴承位移检测领域有着较大的应用潜力。本章系统地介绍了关于横向磁通位移传感器的理论研究与建模仿真结果，总结出了一套设计规律用于优化设计此类型传感器，并给出了设计实例。2.1传统电涡流传感器的工作原理处于交变磁场中的导体，其内部会感应出涡电流，涡电流会产生磁场反抗原磁场的变化，使得产生交变磁场的线圈等效阻抗发生变化，这一效应被称为电涡流效应，基于此效应研制的传感器即电涡流传感器。图2.1电涡流传感器工作原理示意图如图2.1所示，探头线圈通入电流为I，产生磁场为H，其接近被测体时，被测体感应出的涡电流为I′，形成的反抗磁场为H′。探头线圈等效阻抗为Z，其改变的程度与被侧导体的磁导率μ、电阻率ρ、探头线圈与被测体的距离x，探头线圈中电流I的频率f等因素相关[32-35]，线圈阻抗可被表述为式(2-1)。Z=f(ρ,μ,f,x)(2-1)在探头线圈和被测体确定的情况下，等效阻抗与二者之间的距离相关，依据此可制成电涡流位移传感器，并运用于磁悬浮轴承系统转子位移的检测。10
【参考文献】：
期刊论文
[1]横向磁通径向位移传感器研究[J]. 薛莲晓,张剀,徐旸,刘哲鸣. 仪器仪表学报. 2017(05)
[2]基于OMAP-L138的嵌入式运动控制器的设计与研究[J]. 付浩,刘建群. 科学技术与工程. 2013(01)
[3]基于FPGA的飞轮磁轴承一体化控制系统设计[J]. 张立,刘昆. 电机与控制学报. 2012(04)
[4]基于FPGA的磁悬浮轴承电控系统设计[J]. 金超武,徐龙祥. 江苏大学学报(自然科学版). 2011(05)
[5]磁悬浮轴承开关功率放大器等效数学模型[J]. 王军,徐龙祥. 电工技术学报. 2010(04)
[6]基于TMS320C6713B+FPGA数字控制器实现磁悬浮飞轮主动振动控制[J]. 刘彬,房建成,刘刚. 光学精密工程. 2009(01)
[7]平面电涡流线圈的结构参数设计[J]. 王鹏,丁天怀,傅志斌. 清华大学学报(自然科学版). 2007(11)
[8]基于DSP的主动磁轴承电主轴控制系统研究[J]. 吴国庆,张钢,张建生,张爱林,汪希平. 电机与控制学报. 2006(02)
[9]电涡流传感器的有限元仿真研究与分析[J]. 王春兰,张钢,董鲁宁,汪希平. 传感器与微系统. 2006(02)
[10]永磁偏置磁轴承三电平PWM开关功放的研究[J]. 张亮,房建成. 电力电子技术. 2006(01)
硕士论文
[1]涡流传感器建模与补偿及其电磁场仿真研究[D]. 葛向兵.江苏科技大学 2013
[2]电涡流传感器的仿真与设计[D]. 廖雅琴.电子科技大学 2007
本文编号：2986219
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