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轴流式磁悬浮心脏泵控制系统的研究

作　者: 王华伟
导　师: 刘淑琴
学　校: 山东大学
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 磁悬浮心脏泵电磁轴承位置传感器控制器功率放大器
分类号: R318.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 30次
引　用: 1次
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内容摘要

轴流式磁悬浮心脏泵以其体积小,重量轻,能有效的解决血栓和溶血问题等优点,已经成为全球人工心脏辅助装置研究的重点和热点。本文旨在研制一种轴流式磁悬浮心脏泵轴向电磁轴承的控制系统。电磁悬浮轴承系统主要由以下几部分构成:位置传感器、控制器、功率放大器、电磁铁、转子五部分,前三部分构成了电磁轴承的控制系统。本文以控制系统为研究对象,对控制系统的三个部分进行深入的研究,主要做了以下工作:第一,文章给出了磁悬浮心脏泵磁轴承系统的结构设计思路和系统参数,推导出了磁轴承系统的数学模型,为控制器的设计打下了基础。第二,文章研制了适用于磁悬浮心脏泵的两种传感器:无位置传感器系统和基于霍尔元件的传感器系统,分别给了它们的检测原理、数学模型、硬件电路和测试结果。第三,文章对控制器进行了选择与比较,设计了控制器的硬件电路,给出了控制参数的计算算法,得出了较优控制效果的控制参数。第四,文章中研制了适用于磁轴承系统的常见的两种功放:PWM开关功放和线性功放,系统阐述了两种功放的设计过程,并给出了它们的性能测试结果。第五,在设计了性能优良的传感器、控制器和功率放大器后,将它们和电磁铁、转子组成闭环系统。对其分别进行了悬浮实验和电磁轴承的温升实验。实验结果表明,设计的控制系统能较好的满足磁悬浮心脏泵轴向磁轴承的要求,抗干扰能力强,转子在0.1s内快速恢复悬浮,控制效果良好,控制精度在10μm以下。

全文目录

目录  4-8
摘要  8-9
ABSTRACT  9-10
第一章绪论  10-17
  1.1 心脏泵的研究与进展情况  10-14
    1.1.1 心脏的工作原理  10-11
    1.1.2 人工心脏泵的工作原理  11
    1.1.3 心脏泵的国外研究情况  11-13
    1.1.4 国内心脏泵的研制情况  13
    1.1.5 国内外研究情况总结  13-14
  1.2 磁悬浮轴承简介  14-16
    1.2.1 磁悬浮轴承发展概述  14-15
    1.2.2 磁悬浮轴承系统简介  15-16
  1.3 论文工作的主要贡献与内容安排  16-17
    1.3.1 论文工作的提出  16
    1.3.2 论文内容安排  16-17
第二章磁悬浮心脏泵系统模型分析  17-23
  2.1 磁悬浮心脏泵结构简述  17-19
  2.2 心脏泵轴向电磁轴承的电磁力分析  19-20
  2.3 心脏泵磁轴承的数学模型  20-22
  2.4 传感器和功放的传递函数  22
    2.4.1 传感器的传递函数  22
    2.4.2 功放的传递函数  22
  2.5 本章小结  22-23
第三章磁悬浮心脏泵位置传感器的系统设计  23-44
  3.1 无传感器位置检测系统的分析设计  23-32
    3.1.1 无传感器位置检测系统的工作原理  23-25
    3.1.2 无传感器位置检测系统的设计  25-31
    3.1.3 无传感器位置检测过程仿真  31-32
    3.1.4 无传感位置检测系统输入输出线性度测试  32
  3.2 霍尔传感器系统分析设计  32-42
    3.2.1 霍尔元件简介  32-36
    3.2.2 基于霍尔元件的传感器系统设计  36-41
    3.2.3 霍尔传感器输入输出线性度测试  41-42
  3.3 本章小结  42-44
第四章心脏泵轴向磁轴承的控制器设计  44-57
  4.1 磁轴承对控制器的基本要求  44
  4.2 控制方案的选择  44-45
  4.3 PID的几种典型结构算式  45-46
  4.4 控制器的参数整定算法  46-48
  4.5 磁轴承控制器的参数计算  48-49
    4.5.1 完全微分PID控制器控制参数计算  48-49
    4.5.2 不完全微分PID控制器控制参数计算  49
  4.6 控制器仿真分析比较  49-53
    4.6.1 二阶系统的时域响应指标  50-51
    4.6.2 两种控制器的分析比较  51-53
  4.7 心脏泵磁轴承的控制器设计  53-55
  4.8 控制器特性测试  55-56
  4.9 本章小结  56-57
第五章心脏泵轴向磁轴承的功放电路设计  57-75
  5.1 磁轴承功率放大器的主要类型  57
  5.2 PWM开关功放设计  57-64
    5.2.1 开关功放的基本形式  57-58
    5.2.2 PWM开关功放的工作原理分析  58-59
    5.2.3 PWM功放电流调制技术  59-61
    5.2.4 PWM功率放大器的设计  61-64
  5.3 线性功率放大器的设计  64-68
    5.3.1 电压-电流型线性功率放大器  64-67
    5.3.2 线性功率放大器的震荡问题  67-68
  5.4 功放功率功耗  68-70
    5.4.1 线性功放功耗计算  68-69
    5.4.2 开关功放功耗计算  69-70
  5.5 功放效率计算  70
    5.5.1 线性功放的效率  70
    5.5.2 PWM开关功放的效率  70
  5.6 功率放大器电路实验  70-74
    5.6.1 PWM功放实验  70-72
    5.6.2 线性功放实验  72-74
  5.7 本章小结  74-75
第六章磁悬浮心脏泵的实验分析  75-78
  6.1 磁悬浮心脏泵悬浮实验  75-77
  6.2 轴向电磁轴承温升实验  77
  6.3 本章小结  77-78
第七章总结与展望  78-80
  7.1 论文主要贡献  78
  7.2 工作展望  78-80
参考文献  80-84
致谢  84-85
学位论文评阅及答辩情况表  85

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