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一种小型电磁轴承—转子系统设计与实验研究

作　者: 沙宏磊
导　师: 石磊
学　校: 清华大学
专　业: 核科学与技术
关键词: 电磁轴承小型轴承电感式传感器振动抑制 PID
分类号: TH133.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

电磁轴承以其无摩擦、无须润滑等优点,能够满足许多应用场合的特殊工况需求。为了尽可能缩小轴承尺寸,适应人工心脏、磁悬浮硬盘、陀螺仪等小型应用场合,探索小型电磁轴承的设计方法和过程,设计了一种新型结构的小型电磁轴承并进行了实验研究。传统电磁轴承一般要做五个自由度的主动控制,需要五组轴承和传感器,轴承尺寸很难缩小。为了利于缩小轴承尺寸,对轴承和传感器数量进行了精简。仅采用一个平面内的两组轴承作为支承,对该平面上的两个自由度进行主动控制,称该平面为主控平面。其余三个自由度实现被动的悬浮,其约束力由主控平面内两组轴承产生的电磁力的分力提供。采用基于ANSYS的有限元电磁场分析方法对轴向承载力进行了计算,证明了这种结构的可行性。为使磁滞损耗尽可能小,定子与传感器磁极均沿转子轴线布置。转子采用一体的导磁材料,有利于降低加工难度和提高结构强度。设计了差动电感式传感器,对传感器原理进行了理论分析,并对电感进行了实验测量,在此基础上设计了传感器电路;传感器铁芯与磁极铁芯间隔布置,通过对传感器信号的处理,可得到转子在主控平面内的坐标以及垂直主控平面的位移。设计制作了线性功率放大器,调试中对自激振荡进行了有效抑制。通过对轴承模型的分析,设计了基于DSP的数字控制器,采用不完全微分的PID算法。基于这种特殊的结构,为了提高被动悬浮的三个自由度的稳定性,控制电流需要满足一定的约束条件,在控制算法上进行了优化设计。通过初步的机械结构设计和有限元分析计算,初步确定了轴承参数,制作出了一台实验系统,通过对控制器参数的工程整定实现了静态的稳定悬浮,效果良好。实验中针对轴向振动问题,分析了其原因并对控制算法进行了改进,有效地抑制了轴向振动。实验表明,该种精简的结构有效地缩小了轴承尺寸,达到了较好的悬浮效果;磁极和传感器的布置方式对进一步缩小尺寸和控制都是有利的;对控制电流进行必要的约束,有利于主控平面外的三个自由度的稳定悬浮。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章引言  9-15
  1.1 电磁轴承简单发展历史回顾  9-10
  1.2 小型电磁轴承应用现状  10-13
    1.2.1 陀螺仪  11
    1.2.2 人工心脏  11-12
    1.2.3 磁悬浮硬盘  12-13
  1.3 本文研究的主要内容和主要贡献  13-15
    1.3.1 论文工作的提出  13-14
    1.3.2 论文内容的安排  14-15
第2章小型电磁轴承结构设计和分析  15-26
  2.1 经典五自由度电磁轴承-转子系统  15-16
  2.2 精简设计的电磁轴承-转子系统  16-23
    2.2.1 结构简介  16-19
    2.2.2 原理分析  19-20
    2.2.3 线圈绕制与轴向承载力估算  20-23
  2.3 数学模型分析  23-25
    2.3.1 单自由度模型建立  23-25
    2.3.2 主控平面模型分析  25
  2.4 本章小结  25-26
第3章电感式传感器与线性功率放大器设计  26-37
  3.1 本章引论  26
  3.2 电感式传感器的原理  26-28
  3.3 传感器电感-位移特性测试与分析  28-32
    3.3.1 单个传感器电感-位移特性测量  28-30
    3.3.2 传感器差动电感-位移曲线  30-32
  3.4 电感式传感器的电路设计与实现  32-34
    3.4.1 差动电感式传感器电路的原理  32-34
    3.4.2 差动电感式传感器电路设计  34
  3.5 线性功率放大器设计  34-36
  3.6 本章小结  36-37
第4章基于DSP 的数字控制器设计  37-56
  4.1 数字控制器硬件简介  37-44
    4.1.1 数字信号处理器  38-41
    4.1.2 A/D 模块  41-42
    4.1.3 D/A 模块  42-44
  4.2 控制策略与控制算法  44-49
    4.2.1 控制策略  44-45
    4.2.2 PID 控制器简介  45-46
    4.2.3 PID 算法的离散化  46-47
    4.2.4 PID 增量算法中比例及微分饱和的抑制  47
    4.2.5 PID 增量算法中微分项的改进  47-49
  4.3 数字PID 控制器设计与仿真  49-54
    4.3.1 传感器和功率放大器的模型  49-50
    4.3.2 控制器设计  50-51
    4.3.3 控制系统仿真  51-54
  4.4 控制算法的软件实现  54-55
  4.5 本章小结  55-56
第5章小型电磁轴承系统实验研究  56-67
  5.1 静态悬浮实验  56-59
    5.1.1 PID 控制器参数的工程整定方法  56-57
    5.1.2 主控平面静态悬浮效果  57
    5.1.3 轴向静态悬浮效果  57-59
  5.2 轴向振动研究实验  59-65
    5.2.1 轴向振动原因分析  59-61
    5.2.2 控制算法改进  61
    5.2.3 改进算法分析与仿真  61-63
    5.2.4 算法改进效果验证实验  63-65
  5.3 承载力实验  65
  5.4 本章小结  65-67
第6章总结与展望  67-69
  6.1 主要工作和结论  67
  6.2 对进一步工作的展望  67-69
参考文献  69-73
致谢  73-74
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  74

一种小型电磁轴承—转子系统设计与实验研究

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