交流二自由度混合磁轴承设计与数字控制

摘要

磁轴承具有无磨损、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。针对主动磁轴承的不足：体积大、直流功放功率损耗大、气隙偏小及成本高等，论文研究一种交流二自由度混合磁轴承，作为五自由度电主轴一端的两自由度悬浮支承。
　　 交流混合磁轴承结构新颖、紧凑，易于采用高性能数字信号处理器DSP控制的三相逆变器来驱动。本文从磁轴承的结构和磁路出发，针对交流二自由度同极型混合磁轴承，开展了基础理论与试验研究，具体内容：
　　 首先，采用等效磁路法对该磁轴承的磁路进行了推算，分析其工作原理,推导数学模型；根据数学模型提出控制策略，运用Matlab/Simulink构建出仿真系统，对磁轴承的启浮和悬浮特性进行分析，再对转子质量不平衡引起的振动进行研究，并建立四自由度刚性转子和柔性转子的模型。
　　 其次，设计了样机参数，运用Ansoft公司的Maxwel13D有限元分析软件分别对交流二自由度混合磁轴承和交直流三自由度混合磁轴承的磁路、转子受力特性进行分析，验证了样机结构参数的合理性。
　　 最后，设计了交流混合磁轴承以IPM为核心的三相逆变电路，并以减小交流磁轴承控制线圈中的电流纹波为出发点，提出了另一种驱动电路三电平功率逆变电路；基于TMS320F2812的交流磁轴承数字控制器的硬件结构，设计了交流磁轴承数字控制器的软件，并对交流二自由度混合磁轴承系统进行调试。
　　 理论研究与实验结果表明：交流混合磁轴承结构合理紧凑、效率高、成本低.具有广泛潜在应用前景。

目录

文摘

英文文摘

图表说明

第一章 绪论

1.1 磁轴承技术概述

1.1.1 磁轴承在国内外的发展历史

1.1.2 磁轴承的特点

1.1.3 磁轴承的研究现状

1.1.4 磁轴承的工业应用

1.2 交流混合磁轴承的研究意义

1.2.1 研究目的

1.2.2 交流混合磁轴承的提出

1.2.3 交流混合磁轴承的研究价值

1.3 数字控制器研究的意义

1.4 论文的内容安排

第二章 交流混合磁轴承的建模与仿真研究

2.1 交流二自由度混合磁轴承结构与磁路分析

2.1.1 交流二自由度异极型混合磁轴承结构与磁路

2.1.2 交流二自由度同极型混合磁轴承结构与磁路

2.2 交流二自由度混合磁轴承工作原理与数学模型

2.2.1 交流二自由度混合磁轴承工作机理

2.2.2 交流二自由度混合磁轴承数学模型

2.3 交流混合磁轴承仿真研究

2.3.1 交流二自由度混合磁轴承控制策略

2.3.2 动态性能分析

2.3.3 质量不平衡振动分析

2.4 交流磁轴承转子四自由度建模

2.4.1 刚性转子模型

2.4.2 柔性转子模型

2.5 本章小结

第三章 交流混合磁轴承结构设计与有限元分析

3.1 交流二自由度混合磁轴承结构参数设计

3.1.1 气隙长度选取及饱和磁感应强度确定

3.1.2 磁极面积和线圈安匝数的确定

3.1.3 定子铁芯参数的确定

3.1.4 线圈腔参数的确定[14-16]

3.1.5 永磁材料参数的设计

3.2 基于可视化窗口软件的结构参数设计

3.2.1 Visual Basic软件简介

3.2.2 磁轴承结构参数设计可视化界面的实现

3.2.3 参数设计结果

3.3 交流混合磁轴承有限元法基本理论[34,38,41]

3.3.1 磁轴承物理模型的假设

3.3.2 磁轴承的边界条件

3.4 基于Maxwell 3D的交流混合磁轴承有限元分析

3.4.1 Maxwell 3D模块简介[41]

3.4.2 交流二自由度混合磁轴承的有限元分析

3.4.3 交直流三自由度混合磁轴承有限元分析

3.5 本章小结

第四章 交流混合磁轴承驱动电路设计与研究

4.1 主电路的设计

4.1.1 整流环节的参数设计

4.1.2 滤波电容的选择

4.1.3 智能功率模块IPM的选取

4.2 接口电路的设计

4.2.1 位移接口模块

4.2.2 电流检测接口模块

4.3 设计结果与测试

4.4 功放的控制方法

4.4.1 脉宽调制(Pulse Width Modulation)

4.4.2 采样-保持控制(Sample-Hold)

4.4.3 电流滞环控制(Current Hysteresis Control)

4.4.4 最小脉宽控制(Minimum Pulse width Modulation)

4.4.5 电流滞环控制的选择

4.5 三电平功率逆变器的研究

4.5.1 三电平逆变器的原理

4.5.2 基于三电平逆变器的交流磁轴承控制策略

4.6 本章小结

第五章 交流混合磁轴承数字控制系统实现

5.1 交流磁轴承数宇控制器的设计

5.2 数字控制系统的硬件结构设计

5.2.1 TMS320F2812简介[43-44]

5.2.2 数字控制器的硬件结构

5.3 基于F2812的软件设计

5.3.1 F2812的浮点运算实现

5.3.2 控制算法的软件实现

5.4 实验台构建与实验结果

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文完成的主要工作

6.2 需作进一步研究的工作

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文与成果

致谢