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適用于高速電機(jī)的混合型磁懸浮軸承設(shè)計及控制策略的研究

發(fā)布時間:2018-02-16 15:28

  本文關(guān)鍵詞: 混合型磁懸浮軸承 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計 控制策略 H∞控制方法 開關(guān)功放 五相六橋臂 單周期控制 出處:《南京航空航天大學(xué)》2015年博士論文 論文類型:學(xué)位論文


【摘要】:混合型磁懸浮軸承利用永磁體建立偏置磁場,功率損耗低,體積重量小,將其用于高速電機(jī)可使電機(jī)獲得更高的轉(zhuǎn)速與功率密度,在航空航天、機(jī)械加工等高速驅(qū)動領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文對適用于高速電機(jī)的混合型磁懸浮軸承的參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化、控制系統(tǒng)的數(shù)字控制策略及其開關(guān)功放的數(shù)字控制策略進(jìn)行了深入研究。本文提出了一種基于漏磁與磁阻系數(shù)迭代計算的磁懸浮軸承參數(shù)設(shè)計方法,結(jié)合有限元法與解析法,通過迭代算法獲得磁場的磁阻系數(shù)與漏磁系數(shù),提高了參數(shù)的設(shè)計精度;谠摲椒,設(shè)計了一臺混合型三自由度磁懸浮軸承并進(jìn)行了三維有限元仿真驗證。最終制作了一套基于該磁懸浮軸承的五自由度高速電機(jī)磁懸浮軸承實驗樣機(jī),實現(xiàn)了30000 rpm的穩(wěn)定懸浮,驗證了該設(shè)計方法的有效性。本文研究了五自由度混合型磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的H∞控制及其優(yōu)化設(shè)計策略。根據(jù)奇異值曲線分析加權(quán)陣函數(shù)選擇規(guī)律,設(shè)計了H∞控制器。與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行了比較研究,仿真與實驗結(jié)果表明H∞控制器能夠有效的抑制系統(tǒng)干擾,具有較強(qiáng)的魯棒穩(wěn)定性。針對H∞混合靈敏度控制器階次高、不利于實際應(yīng)用的局限,本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)逼近的特性,設(shè)計了一種簡單的階數(shù)低的磁懸浮軸承H∞優(yōu)化控制器。對設(shè)計的H∞優(yōu)化控制器進(jìn)行了起浮、靜態(tài)懸浮、動態(tài)懸浮及擾動實驗驗證,實驗結(jié)果驗證了本文設(shè)計的H∞優(yōu)化控制器的優(yōu)越性。本文針對適用于磁懸浮軸承系統(tǒng)的電流型全橋開關(guān)功率放大器,研究了其單周期數(shù)字控制策略。本文分別在單極性與雙極性不同的工作模式下,推導(dǎo)出單周期控制的數(shù)學(xué)模型。基于數(shù)學(xué)模型,設(shè)計了單周期控制策略,并通過仿真驗證了數(shù)字控制策略的合理性。設(shè)計了全橋開關(guān)功放的原理樣機(jī),分別對兩種工作模式下的控制策略進(jìn)行了實驗驗證。采用五相六橋臂結(jié)構(gòu)作為磁懸浮軸承開關(guān)功放的主電路,可以進(jìn)一步降低開關(guān)功放的成本以利于磁懸浮軸承的推廣應(yīng)用。針對五相六橋臂控制算法復(fù)雜、五路電流輸出存在耦合的問題,本文提出了一種新型的五相六橋臂開關(guān)功放的數(shù)字控制策略,運(yùn)用單周期控制的思想,固定公共橋臂占空比,進(jìn)而推導(dǎo)五路負(fù)載橋臂開關(guān)管的占空比,實現(xiàn)了五路電流的獨(dú)立輸出與解耦控制。設(shè)計了五相六橋臂開關(guān)功放的原理樣機(jī),并進(jìn)行了實驗驗證,表明本文所提出的控制策略具有控制簡單、響應(yīng)速度快、控制精度高等特征。
[Abstract]:Hybrid maglev bearings use permanent magnets to establish bias magnetic fields, with low power loss and small volume and weight. The use of hybrid magnetic bearings in high-speed motor can make the motor obtain higher rotational speed and power density in aerospace, The high speed driving field such as machining has a wide application prospect. The parameter design and optimization of hybrid magnetic suspension bearing, which is suitable for high speed motor, is discussed in this paper. The digital control strategy of the control system and the digital control strategy of the switching power amplifier are deeply studied. In this paper, a parameter design method based on the iterative calculation of magnetic flux leakage and magnetoresistive coefficient is proposed, which combines the finite element method and the analytical method. The magnetoresistive coefficient and magnetic flux leakage coefficient of the magnetic field are obtained by iterative method, which improves the design accuracy of the parameters. A hybrid three-degree-of-freedom maglev bearing is designed and verified by three-dimensional finite element simulation. Finally, a set of experimental prototype of 5-DOF high speed motor magnetic suspension bearing based on the magnetic suspension bearing is made, and the stable suspension of 30000 rpm is realized. The effectiveness of the design method is verified. In this paper, the H 鈭,

本文編號:1515834

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