磁悬浮轴承双向数字功率放大器的研究

论文摘要

本文研究一种输出电流可正负双向流动的数字功率放大器。首先基于开关周期平均法建立了双向功率放大器的数学模型，比对二阶系统标准形式，整理后的模型中开环增益、频率、阻尼比和零点等都由具有明确物理意义的量值表示，可以直观的看出设计参数对其的影响，通过Matlab仿真给出控制参数对系统动态性能的影响趋势，为双向数字功放的设计与调试提供理论基础。本文以建立的双向功率放大器的数学模型为理论依据，对五自由度双向数字功率放大器的软硬件进行了设计，通过对IGBT驱动电路及吸收电路进行重新设计，解决了以前双向模拟功率放大器电压电流浪涌、电流纹波大导致系统异常的问题；并在软件方面改进电流控制器算法，提高了功率放大器的动态响应能力；利用软硬件结合的方式设计了两级过流保护方案，提高了双向功率放大器的可靠性。对双向数字功率放大器静态与动态性能进行了测试，试验结果表明其输出电流具有较小纹波，静态线性度好；阶跃响应上升时间达1ms，系统截止频率为1.5kHZ，具有良好的动态性能。将双向数字功率放大器应用于五自由度恒流源偏置磁悬浮轴承试验台和两自由度永磁偏置磁悬浮轴承试验台，均实现了转子的静态稳定悬浮，转子的最大振动峰峰值为9μm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 磁悬浮轴承技术概述
• 1.1.1 磁悬浮轴承特点
• 1.1.2 磁悬浮轴承分类
• 1.1.3 主动磁悬浮轴承系统简介
• 1.2 磁悬浮轴承功率放大器研究现状
• 1.2.1 功率放大器研究现状概述
• 1.2.2 双向功率放大器研究现状
• 1.3 论文主要工作及意义
• 1.4 论文主要内容安排
• 第二章 双向数字功放的工作原理及数学模型
• 2.1 双向功率放大器的应用场合
• 2.2 双向数字功率放大器的工作原理
• 2.2.1 双向数字功率放大器组成
• 2.2.2 全桥功率电路的结构及工作过程分析
• 2.3 双向数字功率放大器的数学模型
• 2.3.1 系统模型的建立
• 2.3.2 控制参数的设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 双向数字功率放大器硬件系统研制
• 3.1 硬件系统总体设计方案
• 3.2 数字控制模块设计
• 3.2.1 输入信号调理电路
• 3.2.2 DSP 模块
• 3.2.3 FPGA 模块
• 3.2.4 供电电源和地
• 3.3 光耦隔离驱动及功率模块的设计
• 3.3.1 光耦隔离模块
• 3.3.2 驱动电路设计
• 3.3.3 保护电路设计
• 3.3.4 功率主电路
• 3.4 PCB 设计与测试
• 3.5 本章小结
• 第四章 双向数字功率放大器软件编程与调试
• 4.1 软件设计总体方案
• 4.2 DSP 开发平台及仿真器介绍
• 4.3 ADC 模块设计
• 4.3.1 A/D 采样
• 4.3.2 ADC 模块设置
• 4.4 改进型数字 PI 电流控制器
• 4.4.1 PI 电流控制器原理
• 4.4.2 改进型数字 PI 电流控制器的实现
• 4.5 PWM 波产生调理与两级保护程序
• 4.6 FPGA 软件程序设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 试验研究与损耗的计算
• 5.1 恒流源磁悬浮轴承试验台的搭建
• 5.1.1 总试验台搭建
• 5.1.2 机械台的调整与传感器标定
• 5.2 双向数字功率放大器性能测试
• 5.3 静态悬浮试验
• 5.3.1 恒流源偏置磁轴承悬浮试验
• 5.3.2 永磁偏置磁轴承悬浮试验
• 5.4 双向数字功率放大器损耗的计算
• 5.4.1 三种磁轴承功放损耗差异分析
• 5.4.2 功率放大器损耗的数值计算
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文