交直流磁轴承结构优化设计与驱动控制

论文摘要

磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间的一种新型高性能非接触式轴承。磁悬浮轴承具有无磨损、无需润滑和密封、高速度、寿命长等优良品质,从根本上革新了传统的支承方式。本文研究了一种新颖的交直流三自由度混合磁轴承,轴向悬浮力控制采用直流驱动,径向悬浮力控制采用三相逆变器提供电流驱动,永磁体同时提供轴向、径向偏磁磁通,定转子采用锥形结构使得共用同一空气气隙实现磁轴承在三个自由度方向的悬浮控制。本文在国家自然科学基金项目的支持下开展了对交直流三自由度混合磁轴承结构的优化设计以及基础理论研究,并对交流二自由度混合磁轴承的功率驱动系统和数字控制系统进行了研究。具体内容如下:首先,分析了两种交直流三自由度混合磁轴承的结构和磁路,重点研究了锥形定转子交直流混合磁轴承的基本结构和悬浮力产生的工作原理,采用等效磁路法推导出了其悬浮力数学模型,并运用Matlab软件对磁轴承各自由度运动之间、磁路之间的耦合特性进行了计算和分析。其次,根据该磁轴承的数学模型和预先给定的技术指标设计锥形定转子交直流混合磁轴承样机的结构参数,并使用有限元分析软件Ansoft对磁轴承样机的结构参数进行了进一步优化分析,并对磁路进行了仿真分析,验证了磁轴承结构设计的合理性。最后,设计了交流二自由度混合磁轴承的功率驱动电路,详细介绍了功率驱动电路的硬件结构组成和设计过程。说明了基于TMS320F2812 DSP的交流二自由度混合磁轴承数字控制系统硬件结构和控制算法的具体实现,给出了相关实验结果。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 磁轴承技术概述

1.1.1 磁轴承简介

1.1.2 磁轴承技术发展与研究现状

1.1.3 磁轴承系统组成和工作原理

1.1.4 磁轴承特点及工业应用

1.2 交流混合磁轴承的研究意义

1.2.1 交流混合磁轴承的研究目的

1.2.2 交流混合磁轴承的研究价值

1.3 功率驱动系统的研究意义

1.4 论文的工作安排

第二章交直流混合磁轴承数学模型与耦合特性研究

2.1 交直流混合磁轴承结构与磁路分析

2.1.1 三自由度交直流混合磁轴承结构一

2.1.2 三自由度交直流混合磁轴承结构二

2.2 锥形定转子交流混合磁轴承工作机理

2.3 锥形定转子交流混合磁轴承数学模型

2.3.1 建立磁轴承数学模型的假设条件

2.3.2 磁轴承等效磁路及工作气隙处合成磁通计算

2.3.3 磁轴承轴向悬浮力及轴向刚度数学模型

2.3.4 磁轴承径向悬浮力及径向刚度数学模型

2.4 锥形定转子交流混合磁轴承耦合特性研究

2.4.1 磁轴承各自由度之间运动耦合分析

2.4.2 磁轴承各自由度之间电磁耦合分析

2.5 本章小结

第三章交直流混合磁轴承参数设计与有限元分析

3.1 磁轴承结构参数设计方法

3.1.1 磁轴承的承载能力

3.1.2 永磁体参数设计

3.1.3 工作气隙长度的选取和磁感应强度的确定

3.1.4 磁极面积及电磁铁安匝数的计算

3.1.5 辅助轴承参数的确定

3.2 锥形定转子交流磁轴承结构参数设计

3.2.1 锥形定转子交流磁轴承结构参数设计

3.2.2 锥形定转子交流磁轴承结构参数设计结果

3.3 锥形定转子交流磁轴承有限元分析

3.3.1 有限元法基本理论

3.3.2 锥形定转子交流磁轴承的有限元分析

3.4 本章小结

第四章交流磁轴承功率驱动电路研究与设计

4.1 磁轴承开关功率放大器的控制方法

4.1.1 PWM脉宽调制

4.1.2 电流滞环控制

4.1.3 采样保持控制

4.1.4 最小脉宽调制型

4.2 交流磁轴承功率驱动电路结构

4.3 交流磁轴承功率驱动电路设计

4.3.1 整流环节设计

4.3.2 智能功率模块IPM

4.3.3 滞环比较电路

4.3.4 脉冲分配电路

4.3.5 故障保护电路

4.3.6 位移检测电路

4.3.7 电流检测电路

4.4 本章小结

第五章交流磁轴承数字控制系统

5.1 数字控制系统开发环境与工具

5.1.1 代码生成工具和实时操作系统

5.1.2 系统集成及调试环境

5.2 数字控制系统硬件结构

5.2.1 数字控制系统硬件模块结构

5.2.2 TMS320F2812 DSP简介

5.3 数字控制系统软件设计及实验结果

5.3.1 DSP2812软件开发的特点

5.3.2 控制算法的软件实现

5.3.3 实验结果

5.4 本章小结

第六章总结与展望

6.1 本文完成的主要工作

6.2 需作进一步研究的工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文与成果

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