电磁轴承多绕组控制回路容错运行技术研究

摘要

主动电磁轴承是机电一体化的复杂控制系统，通过可控性的电磁力将转子稳定悬浮在期望位置，有一系列传统轴承无法比拟的优势，如没有摩擦损耗，不发热，无需润滑且工作寿命长等。所以主动电磁轴承被应用在越来越多的实际工业设备上。如何进一步提高运行时的安全性和可靠性是电磁轴承更加广泛被应用的关键。本文对径向电磁轴承的冗余结构和容错控制进行了具体研究。 首先，本文概述了磁悬浮轴承的发展状况，电磁轴承的故障形式以及冗余容错控制方面的国内外研究现状。着重介绍了电磁轴承系统的基本组成和数学模型，阐述了电磁轴承的工作原理。并对电磁轴承系统中位移传感器和功率放大器的冗余结构作了详细分析，通过仿真对冗余前后系统的可靠性进行了分析对比，验证了冗余结构的有效性。 其次，在基于偏流线性化理论的基础上，对8磁极强耦合结构和弱耦合结构的径向电磁轴承进行分析，根据不同结构下的模型和等效磁路，实现x、y轴方向电磁力的解耦和线性化。搭建了基于RTW的电磁轴承半实物仿真平台，对仿真模型的建立和dSPACE的应用作了详细的介绍，并实现了转子在两自由度上的稳定悬浮，验证了实验平台的良好性能。 最后，提出了一种基于最小功耗的多绕组回路容错控制方法，详细介绍了最小功耗下电流分配矩阵的求解过程，实现了将故障绕组的电磁力分配到其他正常绕组且所有绕组回路消耗的能量最少。另外，对电磁轴承的故障形式进行归纳总结，列举了所有可实现容错控制的基本故障类型。当一个或多个绕组回路故障时，只需求解基本故障类型对应的电流分配矩阵，同种故障类型的电流分配矩阵可根据坐标变换矩阵和绕组重映射矩阵得到，即可实现同种故障类型下不同故障组合形式的容错控制。详细介绍了该方法的设计和实现过程。利用Smulink仿真对差动控制和该容错控制方法的能量消耗进行对比分析，通过实验验证该容错方法的有效性。研究结果表明该方法能有效减少绕组电流的消耗，简化容错过程，提高系统的可靠性。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1电磁轴承系统概述

1．1．1电磁轴承系统简介

1．1．2电磁轴承国内外发展状况

1．1．3电磁轴承的应用

1．2电磁轴承容错控制介绍

1．2．1研究的背景及意义

1．2．2电磁轴承容错控制研究现状

1．3论文的主要研究工作及内容安排

1．3．1论文的主要研究工作

1．3．2工作内容安排

第二章电磁轴承的工作原理及可靠性分析

2．1电磁轴承的工作原理

2．2电磁轴承电磁力的计算

2．2．1电磁力的基本计算模型

2．2．2电磁轴承差动控制模型分析

2．3电磁轴承常见的故障形式与可靠性分析

2．3．1电磁轴承常见的故障形式

2．3．2电磁轴承可靠性分析方法

2．4电磁轴承系统的冗余结构

2．4．1功率放大器的冗余结构

2．4．2传感器性能分析及冗余结构

2．5本章小结

第三章偏流线性化理论及绕组回路的容错控制

3．1偏流线性化理论介绍

3．2偏流线性化理论在电磁轴承中的应用

3．2．1强耦合结构的电磁轴承

3．2．2弱耦合结构的电磁轴承

3．3电流分配矩阵的求解方法

3．4本章小结

第四章电磁轴承实验平台的设计与搭建

4．1基于RTw的半实物仿真平台简介

4．2 dsPAcE实时仿真系统

4．2．1 dsPAcE实时仿真系统简介

4．2．2 dsPAcE实时仿真系统的实现

4．3 MicroLabBox模数和数模转换功能测试

4．3．2 MicroLabBox D/A功能检测

4．4 simulink模型的搭建

4．5两自由度电磁轴承稳定悬浮实验

4．6本章小结

第五章电磁轴承绕组回路容错控制方法

5．1电磁轴承容错控制结构

5．2基于最小功耗下的绕组回路容错控制方法

5．2．1电流分配矩阵的重构

5．2．2最小功耗下电流分配矩阵的求解

5．3故障容错的分类归纳

5．3．1单个绕组回路的故障类型

5．3．2多个绕组回路的故障类型

5．4数值验证与分析

5．4．1能耗减小验证与分析

5．4．2容错控制算例验证与实验分析

5．5本章小结

第六章总结与展望

6．1论文主要研究工作总结

6．2展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢