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

rn-M親 (1)

1.1研究背景 (1)

1.1.1磁悬浮轴承的分类 (1)

1.1.2磁悬浮轴承的国内外发展现状 (1)

1.2磁悬浮轴承系统的研究现状 (2)

1.2.1磁悬浮轴承的参数设计与优化研究 (2)

1.2.2磁悬浮轴承控制技术的研究 (3)

1.2.3磁悬浮轴承开关功放的研究 (4)

1.3本文的研究意义及内容结构安排 (5)

1.3.1本课题研究意义 (5)

1.3.2研究内容结构安排 (6)

第二章混合型磁悬浮轴承参数设计与优化方法 (7)

2.1弓丨* (7)

2.2五自由度高速磁悬浮电机结构 (7)

2.3三自由度混合型磁悬浮轴承结构与工作原理 (8)

2.3.1三自由度混合型磁悬浮轴承基本结构 (8)

2.3.2三自由度混合型磁悬浮轴承的磁场分布与工作原理 (9)

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 (9)

2.4.1三自由度混合型磁悬浮轴承参数设计公式 (10)

2.4.2基于漏磁系数与磁阻系数迭代的参数优化过程 (15)

2.5有限元仿真验证 (17)

2.6实验结果 (19)

2.6.1静态悬浮实验 (20)

2.6.2动态悬浮实验 (22)

2.7本章小结 (22)

第三章混合型磁悬浮轴承控制系统控制策略研究 (23)

3.1弓丨言 (23)

3.2五自由度混合型磁悬浮轴承的数字控制系统 (23)

3.3 H?混合灵敏度控制器设计 (24)

3.3.1 H?混合灵敏度控制问题 (25)

3.3.2 H?混合灵敏度控制器的设计过程 (27)

3.4仿真验证 (35)

3.4.1阶跃响应 (35)

3.4.2不同幅值扰动力响应 (35)

3.4.3不同频率的扰动力响应曲线 (36)

3.4.4参数摄动响应曲线 (36)

3.5实验结果 (37)

3.5.1起浮实验 (38)

3.5.2静态态悬浮实验 (39)

3.5.3动态悬浮实验 (40)

3.5.4突卸负载实验 (40)

3.5.5摆锤冲击实验 (41)

3.5.6负载运行实验 (42)

3.6磁悬浮轴承H?优化控制器设计 (43)

3.6.1基于B P神经网络的H w优化控制器设计 (44)

3.6.2仿真结果 (47)

3.6.3实验验证 (50)

3.7本章小结 (53)

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 (55)

4.1弓丨言 (55)

4.2全桥开关功放基本工作原理 (55)

4.3电流型全桥开关功放数字单周期控制方式 (56)

4.3.1双极性的控制算法 (56)

4.3.2单极性的控制算法 (58)

4.4电流型全桥开关功放数字单周期算法仿真分析 (61)

4.4.1双极性控制算法仿真验证 (61)

4.4.2单极性控制算法仿真验证 (63)

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 (64)

4.5.1数字单周期双极性控制算法实验波形 (65)

4.5.2数字单周期单极性控制算法实验波形 (67)

4.6本章小结 (70)

第五章五相六桥臂开关功放数字单周期控制策略 (71)

5.1 弓丨* (71)

5.2五相六桥臂开关功放拓扑与工作原理 (71)

5.3五相六桥臂单周期控制数学模型 (72)

5.3.1 周期变量A/(k)>0 (73)

5.3.2 周期变量A/(k)<0 (74)

5.4公共桥臂的占空比的选择 (75)

5.5控制算法仿真分析 (78)

5.5.1阶跃响应 (79)

5.5.2正弦电流仿真波形 (79)

5.5.3信号突变 (80)

5.5.4占空比的选择 (81)

5.6实验结果与分析 (82)

5.6.1阶跃响应实验 (83)

5.6.2五路正弦电流给定实验 (83)

5.6.3信号突变实验 (85)

5.6.4公共桥臂占空比 (85)

5.7磁悬浮高速开关磁阻电机平台实验 (86)

5.8本章小结 (87)

第六章全文总结与展望 (88)

6.1本文的主要工作与创新点 (88)

6.2进一步的工作展望 (88)

#敎_ (90)

在学期间的研究成果及发表的学术论文 (101)

縣 (106)

VII

图表清单

图2.1五自由度磁悬浮轴承结构1 (7)

图2.2五自由度磁悬浮轴承结构2 (8)

图2.3五自由度磁悬浮轴承结构3 (8)

图2.4三自由度混合型磁悬浮轴承结构图 (9)

图2.5三自由度混合型磁悬浮轴承磁场分布图 (9)

图2.6设计流程图 (16)

图2.7有限元网格剖分图 (17)

图2.8径向定子及转子上偏置磁场磁通密度标量图 (18)

图2.9径向气隙磁通密度仿真结果 (18)

图2.10轴向气隙中磁通密度结果 (19)

图2.11五自由度磁悬浮开关磁阻电机结构图 (19)

图2.12样机图 (20)

图2.13静态起浮位移与电流波形 (21)

图2.14静态悬浮位移与电流波形 (21)

图2.15力-电流与力-位移关系 (22)

图2.16 30000r/min位移与电流波形 (22)

图3.1磁悬浮轴承闭环控制框图 (23)

图3.2磁悬浮电机转子结构图3.3转子的径向运动模型 (24)

图3.4闭环控制系统 (25)

图3.5混合灵敏度问题的标准框架 (26)

图3.6“相乘不确定性”误差模型的幅频特性 (28)

图3.7受到干扰力时的数学模型 (28)

图3.8受到干扰力时的等效数学模型 (29)

图3.9不同x值下的奇异值与响应曲线图图3.10不同值下的奇异值与响应曲线 (31)

图3.11不同p值下的奇异值与响应曲线 (32)

图3.12奇异值与响应曲线 (33)

图3.13奇异值曲线 (34)

图3.14系统阶跃响应仿真曲线 (35)

图3.15不同幅值的扰动力响应仿真曲线 (36)

图3.16不同频率的扰动力响应仿真曲线 (36)

图3.17参数摄动响应仿真曲线 (37)

图3.18数字控制器与数模转换电路 (38)

图3.19位移传感器 (38)

图3.20起浮实验波形图 (39)

图3.21 K(s)控制下的静态悬浮实验波形 (39)

图3.22 P I D控制下的静态悬浮实验波形 (39)

图3.23 P I D控制下转速为15000r/min时的实验波形 (40)

图3.24 K(s)控制下转速为15000r/min时的实验波形 (40)

VIII

图3.25突卸负载实验波形 (41)

图3.26摆锤冲击实验波形 (41)

图3.27 P I D控制带载5000r/min实验波形 (42)

图3.28 K(s)控制带载5000 r/min实验波形 (42)

图3.29 K(s)控制带载8000 r/min实验波形 (43)

图3.30 H①优化控制器设计流程图 (46)

图3.31 的范数曲线图 (47)

图3.32系统阶跃响应仿真曲线 (48)

图3.33不同幅值干扰力响应仿真曲线 (48)

图3.34不同频率干扰力响应仿真曲线 (49)

图3.35不同频率干扰力响应仿真曲线 (50)

图3.36起浮实验波形 (51)

图3.37 K(s)控制下的静态悬浮位实验波形 (51)

图3.38 K c(s)控制下的静态悬浮位实验波形 (51)

图3.39 K(s)控制下的转速为15000r/min的实验波形 (52)

图3.40 K c(s)控制下的转速为15000r/min的实验波形 (52)

图3.41转轴突卸60N负载力实验波形 (53)

图3.42摆锤冲击实验波形 (53)

图4.1全桥开关功放电路 (56)

图4.2全桥功放数字单周期控制波形图 (57)

图4.3全桥功放数字单周期控制波形图 (59)

图4.4全桥功放电流模式单周期控制仿真模型 (61)

图4.5全桥功放电流模式单周期控制双极性控制算法子模块 (62)

图4.6双极性单周期控制阶跃电流响应仿真波形图 (62)

图4.7双极性单周期控制正弦电流仿真波形图 (62)

图4.8全桥功放电流模式单周期控制单极性控制算法子模块 (63)

图4.9单极性单周期控制阶跃电流响应仿真波形图 (63)

图4.10单极性单周期控制正弦电流仿真波形图 (64)

图4.11控制系统框图 (64)

图4.12双极性数字单周期控制实现程序流程图 (65)

图4.13阶跃响应波形 (66)

图4.14正弦输入实验波形 (66)

图4.15双极性控制输出电流纹波及开关管信号波形图 (67)

图4.16单极性数字单周期控制实现程序流程图 (68)

图4.17单极性控制下阶跃响应波形 (68)

图4.18单极性数字单周期正弦输入实验波形 (69)

图4.19单极性输出电流纹波及开关管信号波形图 (69)

图5.1五相六桥臂开关功放主功率电路 (71)

图5.2五相六桥臂开关功放的工作原理框图 (72)

图5.3 A相负载桥臂与公共桥臂开关功率电路 (72)

图5.4五相六桥臂单周期控制波形图 (73)

图5.5公共桥臂D不同时的电流波形图 (76)

图5.6母线电压与公共桥臂占空比关系 (78)

图5.7电流模式五相六桥臂功放单周期控制仿真模型 (78)

图5.8电流模式五相六桥臂开关功放单周期控制算法子模块 (79)

图5.9不同母线电压条件下的阶跃响应仿真波形 (79)

图5.10五路给定正弦电流仿真波形 (80)

图5.11 E相电流突变输出电流波形 (81)

图5.12公共桥臂占空比不同母线电压相同A相电流输出 (81)

图5.13五相六桥臂开关功放系统平台 (82)

图5.14阶跃响应实验波形 (83)

图5.15对称正弦电流给定与输出电流波形图5.16不对称正弦电流给定与输出电流波形 (84)

图5.17 A相输出电流纹波及开关管信号波形图 (84)

图5.18 A相电流突变时五路给定与输出电流波形图 (85)

图5.19占空比不同母线电压相同A相给定与输出电流波形 (86)

图5.20起浮给定与输出电流波形图 (86)

图5.21 6000 R/MIN给定与输出电流波形图 (87)

表2.1已知参数 (16)

表2.2设计目标 (17)

表2.3漏磁系数与磁阻系数终值 (17)

表4.1各输出电流总谐波失真T H D(%) (69)

表5.1母线电压U c值 (77)

表5.2五路对称正弦电流参数 (80)

表5.3五路不对称正弦电流给定参数 (80)

表5.4五相六桥臂开关功放五路负载参数 (82)

表5.5五相对称给定电流参数 (83)

表5.6五相对称给定电流参数 (83)

注释表

^brg偏置磁场磁通密度

Sr t a转子铁芯垂直于轴的截面面积

B c r g控制磁场磁通密度

^r r t转子铁芯径向控制磁场漏磁系数F径向承载力

S r t h转子铁芯轴截面面积

a r p径向磁极极弧度fb偏置磁场磁阻系数

Drto转子铁芯外径H c永磁材料矫顽力

&径向磁极厚度

B r永磁材料剩余磁通密度

a b r g径向气隙处偏置磁场漏磁系数D mgo永磁材料外径

a c r g径向气隙处控制磁场漏磁系数D■

m g i永磁材料内径

a b a g轴向气隙处偏置磁场漏磁系数(Bmg, H mg)永磁材料工作点

B b a g轴向气隙中偏置磁场磁通密度g r/ga径向/轴向气隙长度

B c a g轴向气隙中控制磁场磁通密度D r t i转子铁芯内径

a b r t转子铁芯偏置磁场漏磁系数Sf径向定子槽满率

S r t r转子铁芯同心圆柱截面平均面积B s软磁材料饱和磁通密度

a a r t转子铁芯轴向控制磁场漏磁系数a、b两端距离质心的距离

&径向磁极轴向厚度S r c径向绕组截面积

L转子铁芯轴向长度S s l o t径向磁极间的定子槽的面积

Drpi径向磁极内径D r p o径向磁极外径

Ts y定子磁轭轴向厚度Hrc径向控制绕组端部的高度

^r s y定子磁轭径向控制磁场漏磁系数D s y i定子磁辄内径

Ds p o定子圆盘外径D s y o定子磁轭外径

n-i-^s p i定子圆盘内径^b s p定子圆盘偏置磁场漏磁系数

Dm g o永磁材料外径^"a s p定子圆盘轴向控制磁场漏磁系数Ds si定子套筒的内径L s s定子套筒轴向长度

^b s s定子套筒偏置磁场漏磁系数T a c轴向控制绕组厚度

G a s s定子套筒轴向控制磁场漏磁系数D a p o轴向磁极外径

fc控制磁场磁阻系数D J-^a p i轴向磁极内径

^max功放最大电流值Js控制绕组电流密度值

db漆包线裸线线径qm漆包线漆膜厚度

fca轴向控制磁场磁阻系数D a c i轴向控制绕组内径