适用于高速电机的混合型磁悬浮轴承设计及控制策略的研究

摘要

混合型磁悬浮轴承利用永磁体建立偏置磁场，功率损耗低，体积重量小，将其用于高速电机可使电机获得更高的转速与功率密度，在航空航天、机械加工等高速驱动领域具有广泛的应用前景。本文对适用于高速电机的混合型磁悬浮轴承的参数设计与优化、控制系统的数字控制策略及其开关功放的数字控制策略进行了深入研究。
　　本文提出了一种基于漏磁与磁阻系数迭代计算的磁悬浮轴承参数设计方法，结合有限元法与解析法，通过迭代算法获得磁场的磁阻系数与漏磁系数，提高了参数的设计精度。基于该方法，设计了一台混合型三自由度磁悬浮轴承并进行了三维有限元仿真验证。最终制作了一套基于该磁悬浮轴承的五自由度高速电机磁悬浮轴承实验样机，实现了30000 rpm的稳定悬浮，验证了该设计方法的有效性。
　　本文研究了五自由度混合型磁悬浮轴承控制系统的H∞控制及其优化设计策略。根据奇异值曲线分析加权阵函数选择规律，设计了H∞控制器。与传统PID控制进行了比较研究，仿真与实验结果表明H∞控制器能够有效的抑制系统干扰，具有较强的鲁棒稳定性。针对H∞混合灵敏度控制器阶次高、不利于实际应用的局限，本文利用BP神经网络函数逼近的特性，设计了一种简单的阶数低的磁悬浮轴承H∞优化控制器。对设计的H∞优化控制器进行了起浮、静态悬浮、动态悬浮及扰动实验验证，实验结果验证了本文设计的H∞优化控制器的优越性。
　　本文针对适用于磁悬浮轴承系统的电流型全桥开关功率放大器，研究了其单周期数字控制策略。本文分别在单极性与双极性不同的工作模式下，推导出单周期控制的数学模型。基于数学模型，设计了单周期控制策略，并通过仿真验证了数字控制策略的合理性。设计了全桥开关功放的原理样机，分别对两种工作模式下的控制策略进行了实验验证。
　　采用五相六桥臂结构作为磁悬浮轴承开关功放的主电路，可以进一步降低开关功放的成本以利于磁悬浮轴承的推广应用。针对五相六桥臂控制算法复杂、五路电流输出存在耦合的问题，本文提出了一种新型的五相六桥臂开关功放的数字控制策略，运用单周期控制的思想，固定公共桥臂占空比，进而推导五路负载桥臂开关管的占空比，实现了五路电流的独立输出与解耦控制。设计了五相六桥臂开关功放的原理样机，并进行了实验验证，表明本文所提出的控制策略具有控制简单、响应速度快、控制精度高等特征。

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注释表

缩略词

第一章绪论

1 .1研究背景

1 .2磁悬浮轴承系统的研究现状

1 .3本文的研究意义及内容结构安排

第二章混合型磁悬浮轴承参数设计与优化方法

2 .1引言

2 .2五自由度高速磁悬浮电机结构

2 .3三自由度混合型磁悬浮轴承结构与工作原理

2.4 —种新型的三自由度混合型磁悬浮轴承参数设计与优化方法

2 .5有限元仿真验算

2 .6实验结果

2 .7本章小结

第三章混合型磁悬浮轴承控制系统控制策略研究

3 .1引言

3 .2五自由度混合型磁悬浮轴承的数字控制系统

3.3 H∞混合灵敏度控制器设计

3 .4仿真验证

3 .5实验结果

3 .6磁悬浮轴承H∞优化控制器设计

3 .7本章小结

第四章磁悬浮轴承系统电流型全桥开关功放数字单周期控制策略

4 .1引言

4 .2全桥开关功放基本工作原理

4 .3电流型全桥开关功放数字单周期控制方式

4 .4电流型全桥开关功放数字单周期算法仿真分析

4 .5电流型全桥开关功放数字单周期控制算法实验结果与分析

4 .6本章小结

第五章五相六桥臂开关功放数字单周期控制策略

5 .1引言

5 .2五相六桥臂开关功放拓扑与工作原理

5 .3五相六桥臂单周期控制数学模型

5 .4公共桥臂的占空比的选择

5 .5控制算法仿真分析

5 .6实验结果与分析

5 .7磁悬浮高速开关磁阻电机平台实验

5 .8本章小结

第六章全文总结与展望

6 .1本文的主要工作与创新点

6 .2进一步的工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录实验样机参数