磁悬浮轴承开关功率放大器的研究

论文摘要

磁悬浮轴承是利用磁力将转子无接触地悬浮起来的支承部件,这一特性使得磁悬浮轴承与传统轴承相比具有无法比拟的优点,如无机械磨损、无需润滑、使用寿命长,在高速旋转机械领域得到了广泛的应用。磁悬浮轴承是典型的机电一体化系统,在其电控系统(传感器、控制器和功率放大器)中,功率放大器具有重要的作用,它向电磁铁线圈提供相应的控制电流以产生所需要的电磁力。一般商品化的功放产品不能满足使用要求,而应专门设计。在功率放大器的分类中开关型功率放大器因其损耗小、效率高、通频带宽等优点,广泛取代了早期低效率的线性功放,成为目前功率放大器研究的重点。针对目前开关功率放大器所采用的调制技术,基于对脉宽调制、电流滞环控制、采样/保持控制及最小脉宽调制这四种基本开关功放控制策略的优缺点的分析比较,给出了开关功放设计的一般原则。较早的磁悬浮轴承开关功放大都采用电流两电平调制技术,存在电流纹波大、动态特性受限等缺点,而电流三电平调制技术能很好地克服了上述缺点。本文对开关功放中电流三电平调制技术进行了理论分析及电流纹波的公式推导,分析表明,采用电流三电平调制技术能有效地降低电流纹波,有利于提高开关功放的电流响应速度,进而提高磁悬浮轴承系统的整体性能。仿真结果验证了电流三电平调制技术的优越性。设计制作了一种新型的适合于FPGA控制的三电平PWM开关功放,并给出了该功放隔离电路、驱动电路、电流检测电路及半桥主电路中各元器件的选取方法。最后对该电路的静态输入输出特性、电流纹波特性、动态阶跃响应特性、频率响应特性进行了电路仿真和实验测试,仿真结果和实验结果都表明该功放具有良好的动、静态特性,能很好地满足高速磁悬浮轴承的要求。本文所设计的适于FPGA的三电平PWM开关功放具有结构简单、电流纹波小、电流动态响应快、频带宽、受负载影响小等优点,在实际应用中达到了很好的控制效果。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 磁悬浮轴承概述
• 1.1.1 磁悬浮轴承的工作原理
• 1.1.2 磁悬浮轴承的发展现状
• 1.2 磁悬浮轴承功率放大器
• 1.2.1 磁悬浮轴承功率放大器的研究进展
• 1.2.2 磁悬浮轴承开关功放的主要形式
• 1.3 本文所做的工作
• 第二章 磁悬浮轴承功率放大器
• 2.1 磁悬浮轴承功率放大器的分类
• 2.2 开关功放的基本控制策略
• 2.2.1 采样/保持控制
• 2.2.2 电流滞环控制
• 2.2.3 脉宽调制
• 2.2.4 最小脉宽控制
• 2.3 磁悬浮轴承功率放大器的设计
• 2.3.1 功放的效率
• 2.3.2 功放的开关频率
• 2.3.3 功放的电流响应速度
• 2.3.4 功放的控制力响应速度
• 2.3.5 功放的输出电流纹波
• 2.3.6 电磁铁线圈电感的计算
• 2.4 小结
• 第三章 三电平开关功放电流调制技术
• 3.1 三电平PWM开关功放的工作原理
• 3.2 三电平PWM功放电流调制技术
• 3.2.1 三电平开关功放PWM波的产生原理
• 3.2.2 电流增加模式
• 3.2.3 电流保持模式
• 3.2.4 电流减小模式
• 3.3 三电平PWM开关功放的电流纹波
• 3.4 小结
• 第四章 三电平PWM开关功放的设计
• 4.1 功放电路的原理
• 4.2 功放电路的设计
• 4.2.1 FPGA的内部模块构成
• 4.2.2 主电路及开关器件的选取
• 4.2.3 驱动电路
• 4.2.4 隔离电路
• 4.2.5 电流检测电路
• 4.3 小结
• 第五章 功放的性能仿真与测试
• 5.1 功放的性能仿真
• 5.1.1 功放的阶跃响应特性
• 5.1.2 功放的输入输出特性
• 5.1.3 功放的频率响应特性
• 5.2 功放实验结果与分析
• 5.2.1 功放的阶跃响应特性
• 5.2.2 功放的输入输出特性
• 5.2.3 功放的频率响应特性
• 5.3 功放的电流纹波
• 5.4 在磁悬浮轴承电主轴中的应用
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表