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高速电机磁轴承控制与监测技术研究

作　者: 王大朋
导　师: 王凤翔
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 高速电机磁轴承悬浮力模型线性自抗扰故障监测小波能量分布向量
分类号: TM355
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

磁轴承的控制系统具有模拟控制和数字控制两种方式,模拟控制控制器一般由运算放大器构成,其运行速度快,成本低,但是控制器一旦选定,参数不容易更改,并且不能实现复杂的控制算法。在磁轴承的实际应用中,主要用于转速不是特别高的轴承。数字控制器相对与模拟控制器而言更加灵活,复杂的控制算法容易通过软件实现,能够获得比模拟控制更好的控制性能。因此,目前磁轴承控制主要采用数字控制。为了研究验证磁轴承的控制算法和系统特性,利用实验室原有的磁轴承系统研发了一套基于DSP的五自由度磁轴承控制系统,并且对功率放大器进行了研究,对所研制的磁轴承控制系统进行了静态悬浮和高速无负载实验。4.1基于DSP的磁轴承控制系统的硬件4.1.1控制系统的构成随着微电子技术的快速发展,数字信号处理器(DSP)的性能变得越来越好,其成本不断下降,计算速度越来越快,已经广泛的应用在各行各业中。因为磁轴承的主要应用领域是高速电机,所以在设计磁轴承控制器时必须选用运算速度快的DSP控制芯片,同时也需要配合高速度的A/D转换器和D/A转换器。利用DSP作为主控芯片的磁轴承控制系统的结构如图4.1所示。首先利用涡流传感器测量磁轴承五个自由度位移信号,然后经过滤波电路滤波后送入A/D转换器转换成数字信号,经过DSP计算模块来实现所用的控制方法,计算处理完毕的数据再通过D/A转换器变换成模拟电压信号作为功率放大器的输入控制信号,形成磁轴承控制电流。4.1.2主控芯片TMS320F2812 DSP磁轴承控制器的主控芯片使用TI公司生产的TMS320F2812数字信号处理器。此验证了故障判断方法的有效性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-23
  1.1 课题研究的来源及意义  12-14
    1.1.1 课题的来源  12-13
    1.1.2 课题的意义  13-14
  1.2 磁轴承概述  14-16
    1.2.1 磁轴承及其特点  14-15
    1.2.2 磁轴承国内外发展现状  15-16
  1.3 高速电机磁轴承控制与监测的国内外研究现状  16-21
    1.3.1 高速电机磁轴承的悬浮力研究  16-17
    1.3.2 高速电机磁轴承控制的研究  17-20
    1.3.3 高速电机磁轴承监测研究  20-21
  1.4 本文主要研究内容  21-23
第二章高速电机磁轴承悬浮力分析与数学模型的建立  23-46
  2.1 磁轴承的工作原理与结构  23-25
    2.1.1 磁轴承的工作原理  23-24
    2.1.2 磁轴承的结构  24-25
  2.2 基于磁路法的磁轴承悬浮力分析  25-31
    2.2.1 解耦的磁通模型分析  26-27
    2.2.2 悬浮力模型分析  27-29
    2.2.3 力学模型的线性化  29-31
  2.3 基于磁场分析的悬浮力特性  31-41
    2.3.1 Ansoft 软件  31
    2.3.2 基于磁场分析的径向悬浮力特性  31-35
    2.3.3 磁轴承线性化模型系数的修正  35-36
    2.3.4 磁轴承线性化区外的悬浮力模型分析  36-39
    2.3.5 轴向轴承悬浮力模型分析  39-41
  2.4 磁轴承控制系统模型的建立  41-45
    2.4.1 轴承－转子的数学模型  41-45
    2.4.2 涡流传感器及功放模型  45
  2.5 本章小节  45-46
第三章高速电机磁轴承系统控制策略研究  46-68
  3.1 自抗扰控制器原理  46-53
    3.1.1 传统的PID 控制器及其优缺点  46-49
    3.1.2 自抗扰控制器的结构  49-50
    3.1.3 自抗扰控制器的过渡过程  50-51
    3.1.4 扩张状态观测器  51-52
    3.1.5 非线性PD 控制器  52
    3.1.6 扰动补偿环节  52-53
  3.2 径向磁轴承的线性自抗扰控制  53-60
    3.2.1 线性自抗扰控制  53-55
    3.2.2 Simulink 与S 函数  55-56
    3.2.3 磁轴承悬浮力的S 函数  56-58
    3.2.4 径向磁轴承线性自抗扰控制的特性仿真  58-60
  3.3 轴向磁轴承的PID 控制  60-66
    3.3.1 不完全微分PID 控制方法  60-62
    3.3.2 PID 参数的遗传算法寻优  62-64
    3.3.3 轴向磁轴承的不完全微分PID 仿真  64-66
  3.4 本章小结  66-68
第四章高速电机磁轴承控制系统的实现与实验研究  68-91
  4.1 基于DSP 的磁轴承控制系统的硬件  68-73
    4.1.1 控制系统的构成  68
    4.1.2 主控芯片 TMS320F2812 DSP  68-71
    4.1.3 涡流传感器  71-72
    4.1.4 A/D 采样与D/A 输出  72-73
  4.2 三电平开关功率放大器  73-81
    4.2.1 开关功率放大器的调制方式  73-75
    4.2.2 三电平功率放大器工作状态  75-77
    4.2.3 三电平功率放大器的硬件构成  77-78
    4.2.4 载波三角波反相式三电平功率放大器的实现  78-79
    4.2.5 三电平功率放大器的实验验证  79-81
  4.3 控制算法的软件实现  81-84
    4.3.1 控制算法的离散化形式  81-82
    4.3.2 控制算法的软件实现  82-84
  4.4 实验研究  84-89
    4.4.1 静态悬浮实验  84-86
    4.4.2 高速运转实验  86-88
    4.4.3 PID 控制与线性自抗扰控制对比  88-89
  4.5 本章小节  89-91
第五章高速电机磁轴承监测系统的研究  91-111
  5.1 磁轴承系统的故障来源分析  91-93
    5.1.1 磁轴承系统传感器故障  92-93
    5.1.2 磁轴承电子控制系统故障  93
    5.1.3 外界干扰引起的故障及机械部分出现故障  93
  5.2 基于小波能量向量的磁轴承故障判别方法  93-100
    5.2.1 连续小波变换  94-95
    5.2.2 离散小波变换  95-96
    5.2.3 基于小波能量的磁轴承故障指标提取  96-98
    5.2.4 基于小波能量分布向量的多元识别  98-100
  5.3 基于LabVIEW 的磁轴承监测系统设计与实现  100-107
    5.3.1 虚拟仪器与LabVIEW  100-101
    5.3.2 磁轴承监测系统的硬件组成  101-102
    5.3.3 磁轴承监测系统的软件设计  102-107
  5.4 磁轴承监测系统的实验验证  107-110
    5.4.1 监视性能实验  107-108
    5.4.2 故障判断性能实验  108-110
  5.5 本章小节  110-111
第六章结论  111-113
参考文献  113-119
在学研究成果  119-121
致谢  121

高速电机磁轴承控制与监测技术研究

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