磁悬浮轴承功率放大器及低功耗控制研究

论文摘要

磁悬浮轴承是利用可控电磁力使转子稳定悬浮的一种新型轴承,它消除了传统机械轴承存在的机械摩擦和磨损,具有转速高、寿命长、无需润滑、工况可监测等优点,自出现伊始,就受到了工业界、学术界的普遍关注和广泛研究。本文针对主动磁悬浮轴承中的开关功率放大器和低功耗控制器进行了研究。本文首先针对一种长转子磁悬浮轴承给出了节省轴向空间的轴向位移检测新方法。利用电涡流传感器对被测转子的台阶表面敏感的特性,通过将双电涡流传感器径向对称安装,达到测量轴向位移的目的。将两个传感器的输出进行数学运算处理消除了传感器线圈与导体间径向距离的变化对检测结果的影响。针对位移传感器工作时输出电压信号中存在的高斯噪声进行了时域和频域分析,结果表明,影响转子的噪声主要集中在低频段,采用卡尔曼滤波的方法对转子位移信号进行估计,降低了噪声对位移输出信号的影响,提高了信噪比。该检测方法应用在磁悬浮鼓风机中,结果表明传感器的输出电压之和与转子轴向位移之间具有良好的线性关系和灵敏度,实现了精确测量并达到了节省空间的目标。针对基于FPGA(Field Programmable Gate Array)控制的三电平脉冲宽度调制型开关功率放大器进行研究,建立了基于Simulink的数学模型,并利用Embedded MATLAB Function模块模拟了FPGA的工作流程,结果表明建立的系统模型能有效的反映开关功率放大器闭环控制系统的实际工作特性。提出了构造干扰观测器的方法对数字控制式开关功率放大器中存在的时间延时问题进行补偿,将前向通路中的时间延时作为扰动项等效到输入端,并构造干扰观测器对扰动项进行估计,在此基础上分析了负载参数扰动对时间延时补偿效果的影响。在以往两电平开关功率放大器非线性现象分析的基础上,研究了三电平开关功率放大器的非线性现象,针对磁悬浮轴承开关功率放大器全桥拓扑结构,研究了全桥变换器在工作过程中存在的混沌行为。首先采用频闪映射的方法,建立了全桥变换器的非线性模型,分析了其分岔稳定性和混沌特性,利用数值计算确定了电流控制比例系数、载波频率和功率电源电压的稳定区域,计算了李雅普诺夫指数验证混沌现象的存在,并确定了参数的稳定工作范围。为降低磁悬浮轴承静态电流损耗研究了零功率控制。针对零功率控制下控制系统刚度低的特点,采用位移反馈的方法提高控制系统的刚度,为了实现刚度和功耗的折中。本文研究的基于可变刚度的零功率控制在磁悬浮人工心脏泵中进行了实验验证,在满足磁悬浮人工心脏泵刚度和阻尼的情况下达到了降低功耗的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 主动磁悬浮轴承工作原理及特点
• 1.3 磁悬浮轴承控制系统的国内外研究状况
• 1.3.1 位移检测
• 1.3.2 功率放大器
• 1.3.3 低功耗控制
• 1.4 论文的主要工作及内容安排
• 1.4.1 论文的主要工作
• 1.4.2 论文的内容安排
• 第二章 磁悬浮轴承轴向位移检测系统
• 2.1 引言
• 2.2 基于电涡流传感器的磁悬浮轴承轴向位移检测
• 2.2.1 电涡流传感器测量原理
• 2.2.2 轴向位移检测的新方法
• 2.3 位移信号估计
• 2.3.1 干扰的时域频域表现
• 2.3.2 卡尔曼滤波器的系统状态最优估计
• 2.3.3 仿真实验
• 2.4 实验验证
• 2.4.1 转子沿传感器轴向的位移对转子轴向位移检测的影响
• 2.4.2 转子沿传感器径向的位移对转子轴向位移检测的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 磁悬浮轴承三电平开关功率放大器建模
• 3.1 引言
• 3.2 三电平调制原理
• 3.3 三电平开关功率放大器的硬件实现
• 3.4 基于Simulink的数字磁悬浮轴承开关功率放大器建模
• 3.5 仿真及实验验证
• 3.6 本章小结
• 第四章 磁悬浮轴承开关功率放大器基于干扰观测器的延时补偿
• 4.1 引言
• 4.2 时间延时补偿的方法
• 4.3 开关功率放大器数学模型
• 4.3.1 工作原理
• 4.3.2 含延时环节的开关功率放大器数学模型
• 4.4 基于干扰观测器的时间延时补偿
• 4.4.1 时间延时的等效变换
• 4.4.2 开关功放延时补偿
• 4.4.3 延时补偿算法的实现
• 4.5 仿真分析及实验验证
• 4.5.1 仿真分析
• 4.5.2 实验验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 三电平开关功率放大器非线性特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 全桥变换器的非线性现象
• 5.3 非线性现象分析方法
• 5.4 三电平开关功率放大器的离散电路模型及稳定性分析
• 5.4.1 输出电流离散模型分析
• 5.4.2 不动点稳定性
• 5.5 开关功率放大器的混沌行为分析
• 5.5.1 比例系数的分岔
• 5.5.2 载波频率的分岔
• 5.5.3 母线电压的分岔
• 5.6 实验验证
• 5.7 本章小结
• 第六章 基于可变刚度的磁悬浮轴承的零功率控制
• 6.1 引言
• 6.2 磁轴承零功率控制工作原理
• 6.3 数学模型的建立
• 6.4 零功率控制分析
• 6.4.1 实现原理分析
• 6.4.2 刚度特性分析
• 6.5 改进零电流控制策略
• 6.5.1 实现原理分析
• 6.5.2 刚度特性分析
• 6.5.3 最优刚度零功率控制
• 6.6 仿真及实验验证
• 6.6.1 仿真分析
• 6.6.2 实验验证
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研工作
• 学位论文评阅及答辩情况表