磁悬浮轴承三电平功率放大器数字驱动系统

论文摘要

主动磁悬浮轴承(简称磁悬浮轴承)是利用可控的电磁力将转子稳定地悬浮在空中,实现转子和定子之间无机械接触的一种新型的高性能轴承。由于其具有无磨损、无需润滑、寿命长、能耗低、振动和噪声小等传统轴承无法比拟的优点,在航空航天、能源、交通、超高速精密加工等领域有着广阔的应用前景.功率放大器系统是磁悬浮轴承系统的重要组成部分,其性能的好坏直接影响磁悬浮轴承执行的优劣。本文对基于FPGA的磁悬浮轴承三电平功放数字控制器及磁悬浮轴承多点温度自动检测系统做了研究与实验,主要工作为:第一,根据磁悬浮轴承控制系统的需要,本文设计了以Xilinx Xc2s200的FPGA(可编程逻辑门器件)为平台的磁悬浮轴承功放的数字驱动系统,提高了三电平功率放大器的电流响应速度,减小了电流纹波,使得磁悬浮轴承同时具有高精度、高刚度。第二,程序采用数字PID控制方式,提高功放的电流响应速度,以数字并行通讯的方式接收DSP传送的控制信号,并实时将采集到的线圈电流数据发送给DSP控制芯片,提高系统的控制精度和稳定性。第三,设计了无干扰多点温度自动检测系统,采用热敏电阻在磁悬浮电主轴内部多个关键点对温度检测,实时为运行中的控制系统提供数据参考,为研究温升对磁悬浮轴承的影响奠定了基础。本文的研究对实现磁悬浮轴承在磨床上的应用有一定的意义。

论文目录

• 目录
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 磁悬浮轴承系统简介
• 1.3 本论文所做的工作
• 第二章 磁悬浮电主轴系统模型分析
• 2.1 磁悬浮轴承单自由度模型
• 2.2 磁悬浮轴承转子动力学模型
• 2.3 电磁线圈的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 H桥全桥三电平功率放大器
• 3.1 引言
• 3.2 三电平PWM电路原理分析
• 3.3 三电平功放与两电平功放的电流纹波分析
• 3.3.1 两电平脉宽调制开关功放的电流纹波估算
• 3.3.2 三电平脉宽调制开关功放的电流纹波估算
• 3.4 本章小结
• 第四章 三电平功放数字驱动系统
• 4.1 三电平功率放大器数字驱动硬件电路构架
• 4.2 主控芯片的选取
• 4.3 FPGA电路设计
• 4.4 FPGA程序设计
• 4.4.1 AD转换器控制模块
• 4.4.2 DSP控制信号并行接口模块设计
• 4.4.3 数字PID运算模块
• 4.4.4 PWM占空比产生模块
• 4.4.5 FPGA主控模块
• 4.4.6 反馈电流编码模块
• 4.4.7 反馈电流串行输出模块
• 4.5 程序执行
• 4.5.1 FPGA的初始化配置
• 4.5.2 存储芯片的配置
• 4.5.3 FPGA的程序配置
• 4.6 实验结果分析
• 4.6.1 阶跃响应测试
• 4.6.2 正弦信号的响应
• 4.6.3 频率响应测试
• 第五章 温度传感器设计
• 5.1 引言
• 5.2 磁悬浮电主轴温度传感器的设计
• 5.2.1 温度检测元件
• 5.2.2 信号处理电路的设计与非线性补偿
• 5.3 多点温度检测电路
• 5.3.1 浮地电源问题的提出
• 5.3.2 同相加法器电路法
• 5.3.3 参数确定
• 5.3.4 多路开关法
• 5.4 实验结果与分析
• 5.4.1 实验结果
• 5.4.2 误差分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表