發(fā)布時(shí)間：2020-05-14 11:04

【摘要】：在電磁軸承控制系統(tǒng)中,開關(guān)功放的輸出特性對整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定起關(guān)鍵性作用,電流紋波特性以及不同電平的PWM技術(shù)是近年來研究的核心技術(shù)。對于電磁軸承系統(tǒng)而言,電流型開關(guān)功率放大器相較于電壓型開關(guān)功率放大器,其系統(tǒng)穩(wěn)定性更高,因此本文主要研究電流型開關(guān)功率放大器。本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要有:一是在不涉及具體脈寬調(diào)制策略的前提下,建立基于主電路開關(guān)狀態(tài)函數(shù)的統(tǒng)一化電流紋波模型,分析了利用電流紋波特性來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位移估算的基本原理;二是結(jié)合統(tǒng)一化電流紋波-轉(zhuǎn)子位移模型和具體脈寬調(diào)制策略,從時(shí)域和頻域兩方面分析開關(guān)功放輸出電流紋波的特性;三是針對傳統(tǒng)三角波比較法三電平開關(guān)功放的調(diào)制失效情況下,提出一種新型的混合型脈寬調(diào)制方案,并通過仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證;四是通過上述理論研究,設(shè)計(jì)電磁軸承電流型開關(guān)功放的各硬件模塊,接著對其輸出性能進(jìn)行分析,并結(jié)合單自由度及多自由度電磁軸承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行功能驗(yàn)證。以上述創(chuàng)新點(diǎn)為脈絡(luò),本文的主要研究內(nèi)容如下:首先,本文對電磁軸承以及功率放大器目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,提出本文的研究目的、方法等內(nèi)容。分析電磁軸承的電感特性,建立差動(dòng)控制策略下單自由度電磁軸承系統(tǒng)的線性化模型,并接著結(jié)合電流型功放、電壓型功放以及磁通型功放的特性,分析電磁軸承的主要控制方案。其次,介紹電磁軸承開關(guān)功放的類別以及主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),建立開關(guān)狀態(tài)方程,接著根據(jù)不同電平分析其電流紋波特性(線圈電流、電流變化率、諧波幅值等)。然后根據(jù)電流紋波特性重點(diǎn)分析了其與轉(zhuǎn)子位移之間的傳遞關(guān)系,推導(dǎo)出統(tǒng)一的傳遞模型,同時(shí)通過Matlab/Simulink仿真軟件結(jié)合三種具體的脈寬調(diào)制技術(shù)對比分析了電流紋波特性之間的區(qū)別。接著,分析了三角波比較法三電平PWM開關(guān)功放的調(diào)制失效機(jī)理。在三電平PWM開關(guān)功率放大器的基礎(chǔ)上,提出一種結(jié)合三角波比較法和采樣保持法的混合調(diào)制方法,該新型功放對公共橋臂和負(fù)載橋臂分別進(jìn)行調(diào)制,其中公共橋臂采用三角波比較法,負(fù)載橋臂采用改進(jìn)型采樣保持法,通過載波的幅值和靜態(tài)電流誤差均值來設(shè)置偏置電壓,并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的正確性。最后,完成所設(shè)計(jì)的開關(guān)功率放大器各硬件模塊的設(shè)計(jì)說明,并基于Cadence設(shè)計(jì)軟件對開關(guān)功放進(jìn)行了硬件制作,重點(diǎn)分析了其線性度、諧波畸變(THD)、跟蹤特性、電流紋波以及電流響應(yīng)速度等性能。同時(shí)基于MP8675芯片設(shè)計(jì)降壓型DC-DC開關(guān)電源,以提供位置傳感器的電源電壓。接著采用數(shù)字PID控制器在單自由度以及單側(cè)飛輪轉(zhuǎn)子電磁軸承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成懸浮實(shí)驗(yàn),并通過檢測轉(zhuǎn)子懸浮位置以及功率譜密度曲線分析其懸浮質(zhì)量。
【圖文】：

?電磁軸承用電流型開關(guān)功率放大器關(guān)鍵技術(shù)研究3圖 1.2 電磁軸承工作原理圖1.2 電磁軸承系統(tǒng)的發(fā)展目前，國內(nèi)外許多學(xué)者和專家都將目光集中在電磁軸承應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域方面，其中磁懸浮列車σ圖 1.3τ 飛輪儲(chǔ)能σ圖 1.4τ以及在磁力軸承硬盤的研發(fā)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域尤為突出 電磁軸承因其能提供無接觸支承力的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)軸承來解決軸承發(fā)熱嚴(yán)重和潤滑等問題，并且更有效地應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的場合[12-20] 利用電磁力實(shí)現(xiàn)物體的懸浮這一構(gòu)想產(chǎn)生已久 1842 年，Earnshaw 就通過證明，在介紹永磁軸承為基礎(chǔ)，在靜態(tài)的無旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)上重點(diǎn)闡述了如果一個(gè)剛體在 6 個(gè)自由度上都通過永磁鐵來支承，至少存在一個(gè)自由度不穩(wěn)定 不穩(wěn)定自由度可以通過機(jī)械軸承 有緣電磁鐵或者超導(dǎo)磁鐵的相互作用來使之穩(wěn)定，因此，在 20 世紀(jì) 40 年代末，Braunbeck[21]通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：當(dāng)懸浮物為抗磁性材料

圖 1.3 中低速磁懸浮列車圖 1.4 磁懸浮飛輪儲(chǔ)能設(shè)備90 年代初，電磁軸承開始受到國內(nèi)眾多學(xué)者和專家的重視和研究， 清華大學(xué)首先設(shè)計(jì)磁懸浮控制系統(tǒng)，將小鋼球懸浮于單自由度空氣間隙中，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳分析說明 1988 年，，哈爾濱工業(yè)大學(xué)建立單自由度以及多自由度電磁軸承控制系統(tǒng)學(xué)模型，通過系統(tǒng)傳遞函數(shù) 功率放大器的不同控制方案模型以及電流控制器的設(shè)計(jì)度，對電磁軸承的不同結(jié)構(gòu)和控制模型進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化 由此，全國一大批高校也組建電磁軸承研究小組，在電磁軸承控制系統(tǒng) 高速磁懸浮儲(chǔ)能飛輪車載支承以及電承開關(guān)功放等諸多方面的研究上投入了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究[46-50] 在汽車減排 公通 船舶動(dòng)力 樓宇電梯 采礦鉆探和港口作業(yè)等重型設(shè)備領(lǐng)域中，高效的能量存儲(chǔ)將對自然能源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展提供核心技術(shù)支撐 為了加強(qiáng)國內(nèi)電磁軸承領(lǐng)學(xué)術(shù)交流，2005 年，中國力學(xué)學(xué)會(huì) 全國磁懸浮軸承研究單位以及清華大學(xué)核能與源技術(shù)研究院，在北京召開了首屆中國磁懸浮軸承學(xué)術(shù)會(huì)議 會(huì)議每兩年召開一次
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN722.75

【參考文獻(xiàn)】

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1 姚迪;王建文;劉園;;改進(jìn)模糊PID控制在八磁極徑向電磁軸承中的應(yīng)用[J];機(jī)械科學(xué)與技術(shù);2015年09期

2 張維煜;朱q

本文編號(hào)：2663250