磁悬浮轴承系统硬件电路设计与研究

论文摘要

磁悬浮轴承利用电磁力使转子稳定悬浮,旋转轴之间无机械接触,具有无摩擦、无润滑、转速高以及寿命长等优点,是未来高速旋转机构支撑轴承的主要发展方向。一套完整的磁悬浮旋转驱动系统,至少包括两台径向磁轴承、一台轴向磁轴承以及一台电动机,系统硬件电路包括检测、功率驱动、外围保护以及电源等模块,结构较复杂。而且,若电动机采用变频器单独控制,硬件系统较分散,控制器之间通讯不便,整体抗干扰能力差。为此,本文将电动机和磁轴承的控制器集成于一体,进行整体电路设计,以达到减小体积、降低成本的目的,并进一步提高磁悬浮轴承系统的精度、稳定性和抗干扰能力。本文以径向载荷为800N、轴向载荷为1000N以及驱动电机功率为550W的磁悬浮驱动系统为研究对象,设计了以TMS320LF2407A为主控制器的系统硬件电路总体结构。在分析位移、电流、电压、速度等参量的实时检测原理的基础上,根据DSP实际工作电压要求对采样电路进行了整体设计,并采用PSPICE电路仿真软件对所设计电路进行了仿真研究和改进。选取IGBT和IPM为磁悬浮轴承和电动机功率驱动模块的核心元件,分析了其具体工作原理和特性,并设计了相关的隔离、驱动和保护等电路。针对IPM驱动单元,设计了四路不共地的15V电源,并附加了隔离保护、滤波以及稳压等功能,实验结果显示,采用滤波、稳压措施可有效消除谐波,提高输出精度。设定磁悬浮轴承转速为10000r/min,并以位移、速度、电流、电压等检测电路的实际输出为依据,分析了检测信号中高频干扰的原因和成分,并据此设计了采样滤波电路,结合仿真得出了适合磁悬浮轴承系统的滤波电路结构和参数。最后,对系统硬件电路进行了整体规划,并制成印刷电路板(PCB),以提高系统抗干扰能力为目标,改进了布局和布线,并进一步探讨了电磁屏蔽等抗干扰措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 磁悬浮轴承发展及现状
• 1.2 Protel技术的发展及现状
• 1.3 电磁兼容技术的发展及现状
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 本文结构安排
• 第二章 磁轴承的检测电路设计
• 2.1 TMS320LF240x系列DSP简介
• 2.2 位移检测电路设计
• 2.2.1 位移传感器的工作原理
• 2.2.2 位移传感器的标定
• 2.2.3 位移检测电路
• 2.3 电流检测电路设计
• 2.4 电压检测电路设计
• 2.5 速度检测电路设计
• 2.5.1 光电编码器
• 2.5.2 速度检测电路设计
• 2.6 滤波电路设计
• 2.6.1 位移检测滤波电路设计
• 2.6.2 电流、电压检测滤波电路设计
• 2.7 A/D转换的外围电路设计
• 本章小结
• 第三章 功率驱动与电源电路设计
• 3.1 功率驱动电路设计
• 3.1.1 智能功率模块的选择
• 3.1.2 IPM中的保护电路模块
• 3.1.3 逆变电路设计
• 3.1.4 IGBT驱动电路
• 3.2 电源电路设计
• 3.2.1 电源电路的输出
• 3.2.2 电源电路中的稳压隔离电路
• 本章小结
• 第四章 电磁兼容性分析
• 4.1 电磁兼容技术的发展
• 4.2 电磁兼容设计的必要性
• 4.3 系统的电磁兼容性设计
• 4.4 电磁屏蔽措施
• 4.5 PCB抗干扰措施
• 4.6 电磁兼容性预测的基本方程
• 本章小结
• 第五章 PCB板的制作
• 5.1 原理图的绘制
• 5.1.1 原理图绘制流程
• 5.1.2 元件的电气连接和检测
• 5.1.3 元件封装的绘制
• 5.2 PCB的绘制
• 5.2.1 元件的导入和布局
• 5.2.2 PCB的布线原则
• 5.2.3 PCB抗干扰设计
• 5.2.4 磁悬浮轴承控制系统中电路的PCB制作
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢