電磁軸承用電流型開關(guān)功率放大器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在電磁軸承控制系統(tǒng)中，開關(guān)功放的輸出特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定起關(guān)鍵性作用，電流紋波特性以及不同電平的PWM技術(shù)是近年來(lái)研究的核心技術(shù)。對(duì)于電磁軸承系統(tǒng)而言，電流型開關(guān)功率放大器相較于電壓型開關(guān)功率放大器，其系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，因此本文主要研究電流型開關(guān)功率放大器。
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要有:一是在不涉及具體脈寬調(diào)制策略的前提下，建立基于主電路開關(guān)狀態(tài)函數(shù)的統(tǒng)一化電流紋波模型，分析了利用電流紋波特性來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位移估算的基本原理;二是結(jié)合

2、統(tǒng)一化電流紋波-轉(zhuǎn)子位移模型和具體脈寬調(diào)制策略，從時(shí)域和頻域兩方面分析開關(guān)功放輸出電流紋波的特性;三是針對(duì)傳統(tǒng)三角波比較法三電平開關(guān)功放的調(diào)制失效情況下，提出一種新型的混合型脈寬調(diào)制方案，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證;四是通過上述理論研究，設(shè)計(jì)電磁軸承電流型開關(guān)功放的各硬件模塊，接著對(duì)其輸出性能進(jìn)行分析，并結(jié)合單自由度及多自由度電磁軸承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行功能驗(yàn)證。以上述創(chuàng)新點(diǎn)為脈絡(luò)，本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　首先，本文對(duì)電磁軸承以及功

3、率放大器目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，提出本文的研究目的、方法等內(nèi)容。分析電磁軸承的電感特性，建立差動(dòng)控制策略下單自由度電磁軸承系統(tǒng)的線性化模型，并接著結(jié)合電流型功放、電壓型功放以及磁通型功放的特性，分析電磁軸承的主要控制方案。
　　其次，介紹電磁軸承開關(guān)功放的類別以及主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立開關(guān)狀態(tài)方程，接著根據(jù)不同電平分析其電流紋波特性(線圈電流、電流變化率、諧波幅值等)。然后根據(jù)電流紋波特性重點(diǎn)分析了其與轉(zhuǎn)子位移之間的傳遞關(guān)系，推導(dǎo)

4、出統(tǒng)一的傳遞模型，同時(shí)通過Matlab/Simulink仿真軟件結(jié)合三種具體的脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)比分析了電流紋波特性之間的區(qū)別。
　　接著，分析了三角波比較法三電平PWM開關(guān)功放的調(diào)制失效機(jī)理。在三電平PWM開關(guān)功率放大器的基礎(chǔ)上，提出一種結(jié)合三角波比較法和采樣保持法的混合調(diào)制方法，該新型功放對(duì)公共橋臂和負(fù)載橋臂分別進(jìn)行調(diào)制，其中公共橋臂采用三角波比較法，負(fù)載橋臂采用改進(jìn)型采樣保持法，通過載波的幅值和靜態(tài)電流誤差均值來(lái)設(shè)置偏置電壓，并

5、通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的正確性。
　　最后，完成所設(shè)計(jì)的開關(guān)功率放大器各硬件模塊的設(shè)計(jì)說明，并基于Cadence設(shè)計(jì)軟件對(duì)開關(guān)功放進(jìn)行了硬件制作，重點(diǎn)分析了其線性度、諧波畸變(THD)、跟蹤特性、電流紋波以及電流響應(yīng)速度等性能。同時(shí)基于MP8675芯片設(shè)計(jì)降壓型DC-DC開關(guān)電源，以提供位置傳感器的電源電壓。接著采用數(shù)字PID控制器在單自由度以及單側(cè)飛輪轉(zhuǎn)子電磁軸承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成懸浮實(shí)驗(yàn)，并通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子懸浮位置以及功率譜密度曲