高速发电机磁力轴承动力学分析及控制策略的研究

论文摘要

主动磁悬浮轴承(AMB)具有无摩擦、无磨损、无需润滑、寿命长等一系列传统滚动轴承所不具备的优点。受到国内为学术界和工业领域的广泛关注,也因此成为轴承行业的重点研究领域。文章的主要工作:(1)建立了磁悬浮轴承的数学模型。从电磁理论出发推导了磁悬浮轴承的非线性力学模型,将其在平衡点处做了线性化处理。对转子进行力学分析得到其数学模型。由于磁悬浮轴承具有开环不稳定性,因此采用PID闭环控制。(2)磁悬浮轴承结构参数的计算和推导过程是对其进行参数化设计的第一步。本文分别对径向和轴向磁悬浮轴承的定子和转子的各个几何参数的关系进行了详细的推导。(3)利用MATLAB和ANSYS相结合的方法,对磁悬浮轴承进行了动态特性分析。并利用MATLAB的模糊控制箱对磁悬浮轴承的模糊PID控制进行了仿真,并将传统PID控制与变参数PID控制进行了对比。仿真表明,变参数PID控制改善了转子的起浮过程。(4)分析并研制了主动磁悬浮轴承的模拟PID控制系统。并分别对硬件电路的各个组成部分进行了设计与调试。本文采用PID控制策略。对5自由度的磁悬浮转子耦合特性进行了分析,得出在转速不超过20000r/min的情况下可以采用分散控制。在建立数学模型基础上通过试凑法对PID控制参数进行了仿真整定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 磁悬浮轴承研究意义
• 1.1.1 磁悬浮轴承概述
• 1.1.2 磁悬浮轴承技术发展现状
• 1.2 磁悬浮轴承的应用
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 磁悬浮轴承工作原理及数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 磁悬浮轴承系统组成及其工作原理
• 2.3 主动磁悬浮系统的数学模型
• 2.3.1 单自由度磁悬浮控制系统数学模型
• 2.3.2 磁路中电感的计算
• 2.3.3 磁悬浮轴承中五自由度转子的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 主动磁悬浮轴承的结构设计
• 3.1 磁悬浮轴承的结构形式
• 3.2 主动径向磁悬浮轴承结构参数的确定
• 3.2.1 径向磁悬浮轴承转子的设计
• 3.2.2 径向磁悬浮轴承定子的设计
• 3.3 轴向磁悬浮轴承设计
• 3.3.1 轴向磁悬浮轴承总体形式
• 3.3.2 轴向磁悬浮轴承定转子的设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 主动磁悬浮轴承控制策略分析
• 4.1 磁悬浮轴承的PID控制器
• 4.1.1 标准PID控制器
• 4.1.2 PID控制参数调整方法
• 4.2 磁悬浮轴承模糊PID控制器
• 4.3 磁悬浮轴承系统仿真
• 4.3.1 基于有限元法的悬浮力分析
• 4.3.2 磁悬浮轴承动态特性分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 磁悬浮轴承硬件电路设计
• 5.1 传感器电路设计
• 5.1.1 传感器工作原理
• 5.1.2 传感器结构与组成
• 5.1.3 调理电路设计
• 5.2 模拟PID控制器设计
• 5.3 PWM电路的设计
• 5.4 功率放大电路的设计
• 5.4.1 常用的功放有连续型和开关型两种
• 5.4.2 工作原理及电路分析
• 5.4.3 电流变化率
• 5.4.4 功率放大器的效率
• 5.4.5 功率器件与开关频率
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学期间研究成果
• 致谢