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磁轴承电控系统研究

曾学明  
【摘要】: 磁轴承是利用受控电磁力将转子无接触地悬浮支承在空中的一种新型高性能轴承。磁轴承不存在机械接触,具有无摩擦、无磨损、无需润滑等特点,转子可以高速旋转,其转速只受转子材料强度的限制。磁轴承的功耗和噪声极低,能适用于多种复杂的应用环境,特别适合在高速、真空、超洁净等环境中使用。 磁轴承是典型的机电一体化系统,包括电控系统(传感器、控制器和功率放大器)和机械系统(转子、磁轴承定子和电机),其性能好坏主要取决于电控系统性能。本文以电控系统为研究对象,对电控系统的三个部分进行深入的研究。 本文首先介绍磁轴承机械部分的结构和参数,采用有限元法分析径向磁轴承定子内的磁场耦合问题,并提出了解决办法,推导出高速转子的数学模型;设计制作了12路差动式电涡流传感器,特别适合于磁轴承等需要无接触、差动测量的场合,在设计的传感器中采用稳定激励信号幅值和频率的措施,可以提高传感器稳定性,对电涡流传感器进行了静态和动态特性测试;采用TMSB20F240 DSP芯片设计了数字控制器,该控制器能对磁轴承的五个自由度进行控制,并能将表征磁轴承运行状态的数据通过通讯接口传到计算机进行处理,数字控制器的软件采用汇编语言编写,控制算法是分散式PID控制算法;对磁轴承电流响应速度和力响应速度进行了分析,讨论了磁轴承功放的纹波和效率,设计制作了高效率的PWM功放、同步PWM功放,并在此基础上研制出三电平PWM功放,在功放中设计了简化驱动的隔离驱动电路,对功放进行的性能测试表明设计的功放具有动态特性好的特点,三电平PWM功放的纹波小且与电源电压无关;讨论了磁轴承电控系统的干扰问题,采用干扰避开法解决了开关功放对传感器和数字控制器的干扰问题,取得了预期的效果;对磁轴承进行了静态悬浮实验和高速运转实验,在磁悬浮磨头实验系统上实现无负载40000r/min的高速稳定运转,在工厂现场进行的高速离心喷雾干燥机磁轴承喷雾头的加载运行实验,运行转速为23000r/min,静态实验、动态实验及工厂现场实验结果表明设计的电控系统大范围稳定性好、重复性好,其控制精度已经能满足高速离心喷雾干燥机喷雾头在工厂高速、稳定运行的要求。


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