径向四自由度主动电磁轴承系统的自传感运行研究——基础理论与关键技术

摘要

自传感主动电磁轴承系统具有硬件精简、成本低廉、设计简便、执行器和传感器为同一部件等等一系列独特的性能优势，因而成为近年来电磁轴承领域最具革新意义的热门课题之一。
　　本文在采用恒频电流型PWM开关功率放大器的主动电磁轴承系统平台中，研究了基于PWM信号的电磁轴承自传感技术。从理论分析、仿真研究、实验验证三个方面全方位地对PWM信号这一高频源在自传感技术中的应用进行了深入而细致的研究。在基础理论和关键技术方面获取了一些自主创新的研究成果:
　　1.建立了主动电磁轴承系统的电感模型，在忽略磁场饱和、漏磁、磁滞、涡流等非线性因素的条件下，推导出了电磁线圈等效电感和气隙长度的函数关系式，证明气隙长度可以由电磁线圈等效电感的变化来进行估计，该结论是电磁轴承系统实现自传感运行的重要理论基础。
　　2.研究了恒频电流型PWM开关功率放大器的拓扑结构与工作原理，使用傅里叶级数的方法对电磁线圈两端的电压信号、电磁线圈中的电流信号进行了谐波分析，推导出了电流高频纹波幅值关于气隙长度和PWM信号占空比的函数关系式。
　　3.使用雅可比-安格尔恒等式、第一类贝塞尔函数等数学工具研究了力扰动对电流高频纹波信号的频谱特性影响，理论分析和实验结果表明力扰动通过控制器的反馈作用，使得功率放大器在跟踪动态给定电流信号时产生了时变的占空比。时变的占空比不仅影响着电流纹波高频分量的幅值，而且使其频谱不再单一。电流纹波在开关频率处的谱线周围会出现无数的等间隔边频分量，这些边频分量的频率间隔与电流参考信号的频率相等。各阶边频分量的幅值由第一类贝塞尔函数的值确定。
　　4.考虑到电流高频纹波的特殊频谱特性，在帕塞瓦尔定理的基础上详细探讨了解调器中带通滤波器的通带增益、通带带宽等参数对解调器性能的影响，并给出了各参数的选择范围。在此基础上，基于UAF42芯片设计了一款改进型解调器，并通过仿真和实验验证了该解调器的性能。
　　5.提出一种采用占空比补偿的电磁轴承自传感技术，通过对DSP28335芯片资源的充分利用，将自传感技术的硬件复杂度降低了一半。将占空比补偿策略所估计得到的转子位移作为反馈信号，成功地实现了四自由度径向电磁轴承系统在0-3000rpm内稳定的自传感运行。
　　6.提出一种采用非线性参数估计法的电磁轴承自传感技术，通过嵌入一个与实际系统参数相等的电磁轴承等效模型和简单PI控制器，实现了对转子位移的闭环估计。仿真结果表明，相比其他开环位移估计策略该方法能够有效的提高位移提取的精度和带宽。将非线性参数估计法估计得到的转子位移作为反馈信号，能够实现四自由度径向电磁轴承系统在0-3000rpm内稳定的自传感运行，且性能明显优于占空比补偿法。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1课题背景

1．1．1 电磁轴承简介

1．1．2 电磁轴承系统的分类及其工作原理

1．1．3 电磁轴承的历史、现状与发展趋势

1．1．4 电磁轴承在工业中的应用

1．2 径向电磁轴承系统的自传感技术

1．2．1 基本概念与原理简介

1．2．2 自传感电磁轴承的特点与优势

1．2．3 面临的主要难题与挑战

1．3 各种自传感技术的发展与研究现状

1．3．1 高频小信号注入法

1．3．2 差动变压器法

1．3．3 状态观测法

1．3．4 非线性参数估计法

1．4 论文的主要研究内容

1．4．1 本文的工作内容

1．4．2 本文的主要创新点

1．4．3 论文的内容安排

第二章 电磁轴承系统建模

2．1 引言

2．2 电磁轴承的磁路计算与电感模型

2．2．1 磁密的计算

2．2．2 等效电感的计算

2．3 单自由度电磁轴承系统的线性化模型

2．3．1 电磁力的推导及其线性化

2．3．2 线性化电磁力与非线性电磁力的比较

2．3．3 差动控制下单自由度电磁轴承的线性化模型

2．4 电磁轴承系统—刚性转子系统的动力学建模

2．5 本章小结

第三章 自传感电磁轴承系统中的开关功率放大器及其主要特性分析

3．1 引言

3．2 自传感电磁轴承系统中开关功率放大器的类型选择

3．2．2 各类开关功放的主要特点及其在自传感技术中应用的可行性分析

3．2．3 各类PWM调制技术的特点及其在自传感技术中应用的可行性分析

3．3 恒频电流型PWM开关功率放大器

3．3．1 拓扑结构和基本原理

3．3．2 传递函数与带宽

3．4 开关功放引起的电流纹波及其影响

3．4．1 电流纹波的定义

3．4．2 电流纹波的对电磁轴承带来的影响

3．4．3 两电平功放中减小电流纹波的方法及其可行性分析

3．5 电磁轴承自传感技术视角下的电流纹波

3．5．1 电流纹波对电磁轴承自传感技术的重要意义

3．5．2 两电平开关功放电压、电流信号的谐波分析

3．5．3 电流纹波幅值和气隙长度的关系

3．5．4 自传感技术中的电流纹波幅值与开关功放中电流纹波幅值的内在联系

3．5．5 电磁轴承系统的结构参数对电流纹波幅值的影响

3．6 恒频电流型功放的占空比

3．6．1 占空比在随给定电流频率的变化规律

3．6．2 功放带宽的另外一种推导

3．7 气隙长度与自传感电磁轴承中各变量的关系总结

3．8 本章小结

第四章 解调器的设计与恒定占空比下的气隙长度估计

4．1 引言

4．2 电流纹波和气隙长度的调制、解调原理

4．2．1 气隙长度对电流纹波的恒频调幅

4．2．2 解调器对电流纹波的解调

4．3 解调器各环节的具体电路设计

4．3．1 八阶带通滤波电路

4．3．2 全波整流电路

4．3．3 低通滤波电路

4．4 解调器性能的仿真和实验测试

4．5 恒定占空比下的转子位移提取实验

4．6 本章小结

第五章 力扰动对电流纹波频谱及其解调的影响研究

5．1 引言

5．2 不同频率的给定电流对电流纹波幅值影响的仿真分析

5．3 电流高频纹波的频谱分析

5．3．1 第一类贝塞尔函数与雅可比-安格尔恒等式

5．3．2 动态频谱的静态化

5．3．3 电流高频纹波频谱的实验测试

5．4 维持恒定高频激励的方法----对占空比限幅

5．5 占空比限幅对电磁轴承系统造成影响

5．5．1 占空比限幅对恒频电流型开关功放带宽的影响

5．5．2 占空比限幅对电流响应速度与电磁力响应速度的影响

5．6 本章小结

第六章 采用占空比补偿策略的电磁轴承自传感技术

6．1 引言

6．2 占空比补偿策略的拓扑结构

6．3 用于占空比补偿策略的改进型解调器设计

6．4 占空比补偿策略的仿真分析

6．5 四自由度径向电磁轴承自传感运行的实验结果

6．5．1 静态线性度测试

6．5．2 自传感悬浮旋转实验

6．5 本章小结

第七章 自传感技术中的非线性参数估计法

7．1 引言

7．2 非线性参数估计法的基本原理、结构框图

7．2．1 非线性参数估计法的主要思路

7．2．2 采用非线性参数估计法的自传感技术结构框图

7．3 非线性参数估计法的传递函数及其稳定性分析

7．4 使用非线性参数估计法进行转子位移提取的仿真分析

7．5 基于非线性参数估计法的电磁轴承自传感运行实验

7．5．1 静态线性度测试

7．5．2 自传感悬浮旋转实验

7．6 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 本文研究的主要结论

8．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间参加的科研项目及发表的论文