适用于高速电机的混合型磁悬浮轴承设计及控制策略的研究

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1、中图分类号：ＴＰ１１３．１１０２－论文编号：８７０３１４Ｂ０２９学科分类号：０８０８０４博ｉ学位论文适用于高速电ｍ的混合型磁悬浮轴承设计及控制策略的研究研究生姓名刘程子学科、专业电机与电器研究方向磁悬浮轴承及控制技术指导教师邓智泉教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二０－四年十月ＮａｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓ化ｏｎａｕｔｉｃｓｊｇｙＴｈｅＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌＣｏｌｌｅｅｔｔｉｉｉｏｆＡｕｏｍａｃ

2、ＥｎｎｅｅｒｎｇｇｇＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｔｒａ化ｇｉｅｓｏｆＨｙｂｒｉｄＭａｇｎｅｔｉｃＢｅａｒｉｎｇｓＳｙｓｔｅｍｉｎＨｉｇｈＳｐｅｅｄＭｏｔｏｒＡＴｈｅｓｉｓｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎｇｇｂｙＬｉｕｚｉＣｈｅｎｇＡｄｖｉｓｅｄｂｙＰｒｏｆ．ＤｅｎｇＺｈｉｕａｎｑＳｕｂｍｉｔｔｅｄｉｎＰａｒｔｉａｌＦｕｌｆｉｌｌｍｅｎｔｏｆｔｈｅＲｅｕｉｒｅｍｅｎｔｓｑｆｏｒｔｈｅＤｅｒ

3、ｅｅｏｆｇＤｏｃｔｏｒｏｆＰｈｉｌｏｓｏｈｐｙＯｃｔｏｂｅｒ，２０１４承诺书本人声明所呈交的博／硕±学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可将学位论文的全部或部，可采用影印分内容编入有关数据库进行检索、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺

4、书）作者签名；表斗Ｕ）ｔｈ疋日期：南京航空航天大学博±学位论文摘要混合型磁悬浮轴承利用永磁体建立偏置磁场，功率损耗低，体积重量小，将其用于髙速电工机可使电机获得更髙的转速与功率密度，在航空航天、机械加等髙速驱动领域具有广泛的应用前景。本文对适用于髙速电机的混合型磁悬浮轴承的参数设计与优化、控制系统的数字控制策略及其开关功放的数字控制策略进行了深入研究。出了一本文提种基于漏磁与磁阻系数迭代计算的磁悬浮轴承参数设计方法，结合有限元法与解析法，通过迭代算法获得磁场的磁阻系数与漏磁系数

5、，提髙了参数的设计精度。基于该方法一Ｈ一，设计了台混合型自由度磁悬浮轴承并进行了Ｈ维有限元仿真验证。最终制作了套基于该磁悬浮轴承的五自由度髙速电机磁悬浮轴承实验样机，实现了３００００ｒｐｍ的稳定悬浮，验证了该设计方法的有效性。本文研究了五自由度混合型磁悬浮轴承控制系统的丹〇〇控制及其优化设计策略。根据奇异值〇曲线分析加权阵函数选择规律，设计了丹〇控制器。与传统ＰＩＤ控制进行了比较研究，仿真与实验结果表明丹〇〇控制器能够有效的抑制系统干扰，具有较强的鲁棒稳定性。针对打〇〇混合灵敏度一控制器阶次

6、髙、不利于实际应用的局限，本文利用ＢＰ神经网络函数逼近的特性，设计了种简丹〇〇打〇〇单的阶数低的磁悬浮轴承优化控制器。对设计的优化控制器进行了起浮、静态悬浮、动态悬浮及扰动实验验证〇，实验结果验证了本文设计的丹〇优化控制器的优越性。本文针对适用于磁悬浮轴承系统的电流型全桥开关功率放大器，研究了其单周期数字控制策略。本文分别在单极性与双极性不同的工作模式下，推导出单周期控制的数学模型。基于数学模型，设计了单周期控制策略，并通过仿真验证了数字控制策略的合理性。设计了全桥开关功放的工原理样机，分别对两种作

7、模式下的控制策略进行了实验验证。一采用五相六桥臂结构作为磁悬浮轴承开关功放的主电路，可进步降低开关功放的成本利于磁悬浮轴承的推广应用。针对五相六桥臂控制算法复杂、五路电流输出存在稱合的问题，本出了一文提种新型的五相六桥臂开关功放的数字控制策略，运用单周期控制的思想，固定公共桥臂占空比，进而推导五路负载桥臂开关管的占空比，实现了五路电流的独立输出与解稱控制。设计了五相六桥臂开关功放的原理样机，并进行了实验验证，表明本文所提出的控制策略具有控制简单、响应速度快、控制精度髙等特征。关键词：混合型磁悬浮

8、轴承，参数优化设计，控制策略，巧《控制方法，开关功放，五相六桥臂，单周期控制Ｉ适用于商速电机的混合型磁悬浮轴承设计及控制策略的研究ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅＨｂｒｉｄＭａｎｅｔｉｃＢｅａｒｉｎＨＭＢｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｂｅｓｓｕｃｈａｓｌｏｗｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｔｉｏ