电磁轴承控制系统设计及实现

摘要

首先本文比较了线性功率放大器和开关功率放大器的优缺点，分析了功率放大器类型与控制策略选择的关系，给出了功率放大器电源电压和开关频率的选择方法，考虑了力响应速度对功率放大器设计的要求，并最终设计了一款PWM型开关功率放大器，具有良好的线性度和动态性能。然后设计了以PID为基础的线性控制器，同时采用模拟电子元件制作控制电路板。再次本文采用非线性的电磁力模型，给出了单自由度电磁轴承系统的非线性数学模型描述，接着建立基于等效支撑刚度和阻尼的径向多自由度转子电磁轴承系统有限元计算模型，并通过计算转子的临界转速和动力学响应确定合理的支撑刚度和阻尼。然后从电磁轴承的支撑特性要求入手，使用精确线性化的方法设计非线性控制器，并给出了一种非线性控制算法，讨论了控制器参数与电磁轴承承载力，力的变化率和功率损耗的关系。而后针对实验室的转子电磁轴承系统给出算例。最后本文初步设计了基于DSP的数字控制平台，并编写了DSP与PC机的通信模块。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景及意义

1.2电磁轴承的发展及现状

1.2.1国外发展概况

1.2.2国内发展概况

1.3电磁轴承的若干研究方向

1.3.1转子动力学特性研究

1.3.2新材料研究

1.3.3控制系统研究

1.3.4无传感器电磁轴承研究

1.3.5无轴承电机的研究

1.3.6气磁混合轴承的研究

1.4电磁轴承控制系统的发展

1.4.1功率放大器

1.4.2控制器

1.5本文的主要研究内容

第2章PWM型功率放大器设计及实现

2.1线性功率放大器

2.2开关功率放大器

2.3不同控制方法对功放的要求

2.3.1磁通控制型电磁轴承

2.3.2电压控制型电磁轴承

2.3.3电流控制型电磁轴承

2.3.4三种控制方法比较及功放类型选择

2.4系统对功率放大器的性能要求

2.5 PWM型功率放大器的设计

2.5.1 PWM型功率放大器的原理

2.5.2 PWM型功率放大器的电路实现

2.5.3 PWM型功放主要参数的确定

2.5.4功率放大器的性能测试

2.6本章小结

第3章模拟PID控制器设计及实现

3.1引言

3.2电磁轴承系统的线性化模型

3.2.1电磁力及其线性化

3.2.2执行器和被控对象的数学模型

3.2.3基于线性化模型的系统方块图

3.3模拟PID控制器的设计及参数整定

3.3.1电磁轴承对控制器的基本要求

3.3.2控制方案的选择

3.3.3控制系统仿真与参数整定

3.4模拟PID控制器的电路实现

3.4.1各个环节的电路图

3.4.2 PCB板设计的一些处理

3.5本章小结

第4章基于支撑特性的非线性控制器设计

4.1单自由度电磁轴承系统的模型

4.1.1电磁力模型

4.1.2线圈中的电压方程

4.1.3功率放大器模型

4.1.4控制策略的选择

4.1.5系统动力学模型的完整描述

4.2基于等效支撑刚度和阻尼的转子电磁轴承系统模型

4.3电磁力的精确线性化

4.4等效支撑刚度和阻尼的选取

4.5控制器参数的选取

4.6非线性控制系统框图

4.7考虑重力时控制算法的修正

4.8算例

4.9本章小结

第5章基于DSP的数字控制平台设计

5.1基于DSP的数字控制系统的总体设计

5.2 DSP控制器的硬件平台

5.3电平转换与低通滤波器的设计

5.3.1目的和要求

5.3.2总体方案

5.3.3设计计算与电路实现

5.3.4电路仿真

5.4 DSP数字控制器的软件开发环境和软件开发

5.4.1软件开发环境

5.4.2控制策略

5.4.3软件开发

5.5本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明及使用授权书

致谢