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磁悬浮功率放大器的研究和设计

作　者: 周伟
导　师: 王春麟
学　校: 武汉理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 盘状磁悬浮轴承功率放大器电磁兼容设计电流纹波频率响应特性
分类号: TN722.75
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

目前,磁悬浮轴承和磁悬浮列车是国内外的一个研究热点,而应用最广泛的是磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中,然后将转子以旋转电机驱动,使其绕特定轴线旋转,转子与定子之间没有机械接触的一种新型、高性能轴承。在五自由度磁悬浮轴承控制系统中,功率放大器是磁悬浮轴承控制系统中非常重要的一部分。电磁轴承系统在早期多采用线性功率放大器,由于线性功放的效率较低,现在电磁轴承系统中几乎都采用效率高、动态特性好的开关功率放大器。由于磁悬浮功率放大器的设计涉及到控制理论、电磁学、电子学,电力电子等方面的知识,且工况现场电磁干扰比较复杂,所以目前的功率放大器存在输出电流纹波比较大,跟随特性不够理想和重复性不够好等问题。针对这些问题,本文设计了PWM型开关功率放大器。该功放采用集成PWM波产生芯片SG3524作为PWM波产生芯片,采用EXB841作为过流保护芯片。该设计电路简单,稳定可靠。并通过性能测试和实验分析,对其纹波、阶跃响应、输入输出特性和耦合状态下的线性度进行研究和改进。为了便于研究,首先根据磁悬浮轴承转子支承特性,抽象出盘状磁悬浮轴承支承结构模型,分析盘状磁悬浮轴承控制系统的数学模型;以往主电路的保护电路结构较为复杂,在磁悬浮技术的实际应用中,易受外界干扰的影响而导致其稳定性不够,设计了基于EXB841的简单易实现的保护电路,且带过流自锁功能;本文对磁悬浮功率放大器的电磁兼容性进行了分析,并提出了具体方案;由于磁悬浮功率放大器涉及到电磁学、控制理论和计算机科学等众多领域,许多磁悬浮功率放大器存在输出电流纹波和跟随特性不够理想,本文对其进行研究和分析;最后,对功率放大器的主要特性进行了测试,并分析了电磁线圈在悬浮中被其他电磁线圈磁场耦合的状态下,功放能否保持较好的线形度。功率放大器的主要特性测试试验表明,本文设计的功率放大器能够满足盘状磁悬浮轴承系统的静态悬浮的要求。

全文目录

中文摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-18
  1.1 磁悬浮轴承概述  10
  1.2 本文研究目的和意义  10-11
  1.3 磁悬浮轴承的发展及国内外现状  11-15
    1.3.1 国外磁悬浮轴承的发展及现状  11-14
    1.3.2 国内磁悬浮轴承的发展及现状  14-15
  1.4 磁悬浮轴承功率放大器的研究现状和发展趋势  15-16
  1.5 课题的来源  16
  1.6 本文所做的工作及内容  16-18
第2章盘状磁悬浮轴承的结构设计与数学模型  18-27
  2.1 单自由度磁悬浮轴承的工作原理  18-20
  2.2 盘状磁悬浮轴承系统的模型分析  20-23
    2.2.1 盘状磁悬浮轴承系统结构  20-21
    2.2.2 盘状磁悬浮轴承支承设计原理  21-23
  2.3 盘状磁悬浮轴承系统模型分析  23-24
    2.3.1 盘片的状态方程  23-24
    2.3.2 盘片的控制信号方程  24
  2.4 盘状磁悬浮轴承系统的传递函数  24-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章磁悬浮控制系统相关电路的设计  27-40
  3.1 位移传感器  29-31
  3.2 DSP信号调理电路的设计  31-33
  3.3 磁悬浮功率放大器的类型选择及开关功放的控制策略  33-36
  3.4 磁悬浮功率放大器的基本参数及特点  36-39
    3.4.1 功放的效率  36-37
    3.4.2 功率器件的选择  37
    3.4.3 开关频率的大小  37-38
    3.4.4 功放的电流响应速度  38-39
  3.5 小结  39-40
第4章 PWM型磁悬浮功率放大器的设计  40-55
  4.1 磁悬浮功率放大器的总体结构  40-41
  4.2 功放的直流供电部分  41-43
  4.3 PI控制器  43-44
  4.4 PWM波的产生  44-46
  4.5 功率主电路  46-50
    4.5.1 功率主电路的拓扑结构  46-47
    4.5.2 功率主电路的设计  47-50
  4.6 保护电路的设计  50-54
    4.6.1 过电流保护  51-53
    4.6.2 过电压保护  53-54
  4.7 小结  54-55
第5章电磁兼容设计  55-65
  5.1 盘状磁悬浮轴承系统磁场分析  55-57
  5.2 电源的电磁兼容设计  57
  5.3 PCB的电磁兼容设计  57-59
  5.4 功放的屏蔽措施  59-60
  5.5 开关噪声信号的滤波  60-61
  5.6 磁场强度的测量  61-64
  5.7 小结  64-65
第6章磁悬浮功率放大器的特性分析及实验  65-85
  6.1 主电路工作原理分析及仿真  65-68
  6.2 功率放大器的纹波  68-75
    6.2.1 输出电流纹波的减小  69-74
    6.2.2 输出电流纹波的测量  74-75
  6.3 功率放大器的阶跃响应特性  75-78
  6.4 功率放大器的输入输出特性  78-80
  6.5 功率放大器的频率响应特性  80-81
  6.6 功率放大器耦合状态下的线性度实验  81-83
  6.7 小结  83-85
第7章总结与展望  85-86
  7.1 本文总结  85
  7.2 研究展望  85-86
参考文献  86-89
致谢  89-90
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  90

磁悬浮功率放大器的研究和设计

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