无轴承薄片电机转子动力学及稳定性的分析

论文摘要

超洁净驱动技术是随着现代科学技术的进步而发展的一种高密封性、超洁净性、无交叉污染的绿色驱动技术,已被广泛应用于生物制药、医疗机械、化工、生命科学、核废料处理等超洁净领域。无轴承薄片电机继承了无轴承电机的所有优点,同时由于省去了轴向磁轴承,密封性能好。可以说直到无轴承薄片电机的出现,才真正将磁悬浮技术融合到了超洁净领域中。国外,虽然无轴承薄片电机已经进入了工业化应用阶段,但电机系统在高速运行状态下的稳定性差以及抗干扰能力等问题,已经严重的制约了该技术的进一步推广和应用。对于高速运行下的无轴承薄片电机系统,其转子动力学性能的分析和设计很大程度上影响着整个系统的运行性能。以应用于人工心脏血泵的电机系统为例,转子系统的稳定性直接影响使用者的生命安全,因此对本课题的研究具有很重要的理论和实际意义。本文运用刚体动力学和陀螺力学原理,建立系统被动悬浮转子动力学模型,研究了在不同阻尼、不同函数以及不同参数下系统的稳定性。为一台无轴承交替极薄片电机设计H∞鲁棒控制器并进行仿真,研究控制器对外扰和模型不确定性的抑制作用,并与经典频域法中的PID控制器的控制效果进行对比分析,考虑了实际电流幅值为仿真模型增加电流限幅,分析电流限幅对系统悬浮特性的影响。本文还利用dSPACE实时仿真系统实现了采用PID控制器的无轴承交替极薄片电机的静止悬浮。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究无轴承薄片电机的目的和意义
• 1.2 无轴承薄片电机的发展概况
• 1.3 课题研究的背景、目的和意义
• 1.3.1 课题的研究背景
• 1.3.2 课题研究的目的和意义
• 1.4 论文研究内容安排
• 1.4.1 主要内容
• 1.4.2 主要工作
• 第二章 无轴承薄片电机转子系统主动悬浮特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 无轴承薄片电机数学模型
• 2.3 无轴承薄片电机控制策略
• 2.4 无轴承薄片电机径向转子运动方程
• 2.5 无轴承薄片电机主动悬浮动力学模型的仿真
• 2.5.1 仿真模型中重要参数的测量和计算
• 2.5.2 无轴承薄片电机主动悬浮动力学模型的建立及仿真
• 2.6 本章小结
• 第三章 无轴承薄片电机转子系统被动悬浮特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 陀螺力学和刚体动力学中的相关基本概念
• 3.3 无轴承薄片电机在扭转方向上转子系统动力学模型的建立
• 3.4 无轴承薄片电机在轴向方向上转子系统动力学模型的建立
• 3.5 无轴承薄片电机在扭转方向上转子系统动力学模型的仿真
• 3.5.1 计算转子动量矩H
• 3.5.2 转子在无阻尼和流体阻尼系统中的稳定性比较分析
• 3.5.3 转子在不同扭转角和回复扭矩函数关系下的稳定性比较分析
• 3.5.4 转子在不同扭转刚度系数和粘性阻尼系数的稳定性分析比较
• 3.5.5 改进的仿真模型
• 3.6 无轴承薄片电机在轴向方向上转子系统动力学模型的仿真
• 3.7 本章小结
• ∞控制器的研究'>第四章 无轴承交替极薄片电机H_∞控制器的研究
• 4.1 引言
• 4.2 混合灵敏度问题
• 4.3 无轴承交替薄片电机的数学模型
• ∞控制器对外扰的抑制'>4.4 H_∞控制器对外扰的抑制
• ∞控制器对系统乘性不确定性的抑制'>4.5 H_∞控制器对系统乘性不确定性的抑制
• ∞控制器输出加限幅后仿真研究'>4.6 对H_∞控制器输出加限幅后仿真研究
• 4.7 本章小结
• 第五章 无轴承交替极薄片电机悬浮实验
• 5.1 引言
• 5.2 dSPACE 实时仿真系统体系结构
• 5.2.1 dSPACE 软件系统
• 5.2.2 dSPACE 硬件系统
• 5.2.3 使用dSPACE 系统的研发步骤
• 5.3 无轴承交替极薄片电机实验平台
• 5.4 无轴承交替极薄片电机悬浮实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结和展望
• 6.1 本文主要工作
• 6.2 需进一步做的研究
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文及获奖情况