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电磁轴承是一种利用可控电磁力将转子无接触悬浮支承的新型高性能轴承。作为一种革命性的支承技术,电磁轴承受到了国内外专家学者的广泛重视。
功率放大器作为电磁轴承的重要组成部分,它的作用是把控制信号转化为相应的电流／电压／磁通以产生保持转子稳定悬浮的电磁力。电磁轴承用功率放大器按能量转换方式分为线性功率放大器和开关功率放大器,按电磁轴承控制方案所需功率放大器的输出物理量分为电流型、电压型和磁通型功率放大器。由于开关功率放大器具有效率高、损耗小等优点,所以在电磁轴承中得到了广泛的应用.本文对电磁轴承用功率放大器的几个关键技术进行了研究,论文分为3个部分。
第一部分对电磁轴承用功率放大器的研究现状进行了综述,提出了本文研究的目的、方法和内容。
第二部分对电磁轴承用开关功率放大器的PWM技术进行了研究。
首先,分别从工作原理、电路结构,动态性能,谐波分布等方面对电磁轴承用两电平PWM开关功率放大器的三种PWM技术作了分析和比较,并对其性能进行了理论仿真及实验测试。
其次,为了改善两电平PWM开关功率放大器的电流纹波较大的问题,研究了三电子PWM技术。由于三电平PWM技术比两电子PWM技术要复杂,实现的方法也较多,所以寻找一种简单易实现、可靠性高的三电乎PWM技术对三电平PWM开关功率放大器的发展及应用具有重要的意义。为此,本文提出了一种改进型不对称三角波比较法三电平PWM开关功率放大器和一种双滞环三电子PWM开关功率放大器,并对其性能进行了理论仿真及实验测试。
然后,针对一种常见的改进型对称三角波比较法三电乎PWM开关功率放大器输出电流波形有时会与理论上的三电子波形不一致,在相同的开关频率下,其电流纹波比理论值大很多,波形出现失真的机理进行了分析。结合不同的三角波载波方式得到了失真现象背后两种改进型三角波比较法三电平PWM开关功率放大器失效的机制,发现本文所提出的改进型不对称三角波比较法三电子PWM开关功率放大器相比改进型对称三角波比较法三电平PWM开关功率放大器更容易避免失真,具有更高的可靠性,并通过理论仿真和实验测试验证了理论分析的正确性,给出了一些避免改进型三角波比较法三电平PWM开关功率放大器失效的一些措施。
第三部分对磁通型功率放大器进行了研究。
为了设计出能够准确观测气隙磁通的磁通观测器,首先分析了电流型磁通观测器和电压型磁通观测器在电磁轴承中进行全频段磁通观测时存在的问题,提出了在低频段利用电流型磁通观测器在高频段利用电压型磁通观测器进行磁通观测的组合型磁通观测器。推导出了采用组合型磁通观测器的磁通型功率放大器的数学模型,建立了磁通型功率放大器的力增益模型,并利用有限元方法和一个单自由度电磁力测量装置对力增益模型进行了验证分析。并分别在一个静态负载,一个单自由度和一个四自由度的电磁轴承实验装置上对磁通型功率放大器的性能及特点做了实验验证。
其次,针对组合型磁通观测器的磁通观测值易受电磁铁线圈电阻变化的影响,基于模型参考自适应理论(MRAC)提出了一种电阻参数自整定的方法,利用局部参数最优化方法和李亚普诺夫稳定理论分别对自适应机构进行了设计,比较了通过两种设计方法得到的自适应观测器及磁通型功率放大器的性能差别。
为了解决组合型磁通观测器中的切换点设置对观测器及磁通型功率放大器性能的影响,提高组合型磁通观测器的观测性能,分析了组合型磁通观测器的切换点与系统参数及观测器性能之间的关系,给出了切换点最优化设计的方法。针对组合型磁通观测器的最优切换点随着系统参数的改变而改变从而造成观测器性能的下降的问题,基于模糊控制理论提出了一种切换点自适应调整方法,结合切换点最优化设计方法,对组合型磁通观测器的切换点进行实时在线的调整,提高了组合型磁通观测器的性能和磁通观测的准确度。
最后对论文进行了总结,对存在的问题作了说明,并提出了需要进一步研究的问题。