混合磁轴承无位移传感器控制系统设计(附件)
混合磁轴承（HMB）的磁力来源于永磁体和电磁体，其产生的电磁力可以让转子以稳定的方式悬浮。混合磁轴承在运转中受到的阻力较传统轴承小，而且使用寿命长。由于轴承的高速运作依赖于磁轴承有很好的性能，而传统轴承使用的机械轴承性能提升达到瓶颈难以达到现在轴承高速运转的要求。所以混合磁轴承被广泛使用并取代传统机械轴承。混合磁轴承控制系统的研究成为其可以高速稳定运作并不易受到周边环境影响的关键。混合磁轴承一开始使用电容式这类传统的位移传感器来测量转子的偏移量，但是其性能受环境影响较大，可靠性不高。比如说电涡流传感器测位移的精度易受到干扰磁场的影响，在其制作模块中要加入屏蔽干扰磁场模块，这无疑加大了整个轴承的尺寸与生产成本，这样的轴承很难受到企业的青睐，不能得到广泛使用。所以本文提出一种基于高频信号注入，在磁悬浮机理的基础上建立电感和位移数学关系的一种无位移传感器。它主要由三部分组成高频信号发生电路，检测电路和软件。关键词 混合磁轴承，转子位移自检测，高频信号注入，无位移传感器
目 录
1 引言 1
1.1 本文混合磁轴承无位移传感器的研究背景 1
1.2 混合磁轴承无位移传感器控制系统设计的意义 1
1.3 本文研究途径 2
2 磁轴承悬浮机理 2
2.1 磁轴承力的分析 2
2.2 悬浮力产生机理 2
2.3 转子的数学模型 2
2.4 悬浮绕组线圈的电感特性 3
3 以高频信号为基础的无位移传感器控制系统原理 5
3.1 高频信号选用要求 5
3.2 高频信号测量转子偏移量的原理 5
3.3 混合磁轴承控制系统的高频信号的优势 5
3.4 混合磁轴承无位移传感器检测电路原理图 8
4 混合磁轴承无位移传感器控制系统软件部分 9
4.1 STM32主程序部分 10
4.2 STM32子程序中断设计 10
5 混合磁轴承无位移控制系统的电路部分设计 16
5.1 混合磁轴承无位移控制系统的电路部分设计目标 20
5.2 混合磁轴承无位移控制系统核心电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
路设计 17
6 电路的干扰信号的处理 23
6.1 隔离干扰信号的方法 23
6.2 电路排版设计 24
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
1 引言
1.1 本文混合磁轴承无位移传感器的研究背景
无位移传感器的核心就是根据转子偏移的量会引起悬浮绕组互感的变化，只要建立转子位移与电感的数学模型就可以实现转子位移的间接测量。在由美国人卡尔曼提出的卡尔曼滤波器方法中，将研究的两个变量之间的误差推到下一次的测量误差中并以此来预算之后产生的偏差。这种方法需要繁琐的数学运算所以对处理器的要求较高，偏于理论难以应用到实践中。
通过向绕组注入高频信号进而根据互感的变化建立其与转子偏移量的数学模型被T.Takahiro和A.Chiba等人于2006年提出。2006年年珩等人研究出一种基于高频信号注入绕组进而在绕组端的差分电压中数学分析出转子偏移量或者利用转子偏移量的观测器在没有位移传感器的情况下检测转子的偏移量，并且给出了相应控制系统的仿真。
总而言之基于高频信号注入绕组，并通过上述方法建立位移和电感的数学关系来间接测量出转子位移的变化从理论上来说可行，但实际应用中其可靠性有待进一步验证。
1.2 混合磁轴承无位移传感器控制系统设计的意义
混合磁轴承运行的稳定性取决于对转子偏移量的精确掌握，对于控制系统的动态性以及实时性要求较高。比如说电涡流传感器测位移的精度易受到干扰磁场的影响，在其制作模块中要加入屏蔽干扰磁场模块，这无疑加大了整个轴承的尺寸与生产成本，这样的轴承很难受到企业的青睐，不能得到广泛使用。主要使用的传感器都容易受到各种因素干扰，不能稳定准确地提供转子偏移量来供混合磁轴承轴承控制系统参考。综上，对于过去使用的传感器自身的诸多缺陷，要想获得更加精确的转子偏移量就得提出不使用传感器的情况下通过转子偏移量与定子悬浮绕组的互感来间接获得转子偏移量。
由此设计出的混合磁轴承无位移传感器控制系统少了传感器的部分，避免了过去各种传感器对测量转子偏移量的精确度的影响，使混合磁轴承系统运作极为稳定；也解决了对于轴承制造时对于传感器安装位置的考量，使整个系统运行轻便同时较以往轴承来说价格便宜，在工业领域有极高的优势。
1.3 本文研究途径
1. 理解悬浮力产生及理和数学模型，建立位移和电感的数学关系
2. 设计出高频信号产生电路并阐述其电路原理图各部分的功能
3. 设计一个信号检测电路并设计一个滤波器来过滤悬浮绕组的电压信号
4. 设计出混合磁轴承无位移传感器控制系统的软件部分，包括主程序程序和主程序的中断子程序。
2 磁轴承悬浮机理
2.1 磁轴承力的分析
转子的悬浮力主要分为洛伦磁力和麦克斯韦力两种。洛伦磁力是指携带电流的导体在磁场中受到的力。由于磁场在不同的介质中磁导率的不同会产生与介质垂直的张力，这种力就叫麦克斯韦力。在混合磁轴承的定子和转子之间存在真空间隙，因此在定子的内表面和转子的外表面上产生麦克斯韦力，不考虑转子质量的影响，当作用于转子各个方向的悬浮力相等时，转子就稳定在平衡位置了。
2.2 悬浮力产生机理
混合磁轴承在运转过程中转子并不能一直稳定悬浮，转子会发生一定的偏移，导致定子与转子之间的真空间隙变大，麦克斯韦力的不平衡表现为在转子的偏移方向上磁力的增加，因此由定子悬浮绕组中的反向电流产生的磁场将产生使转子反向偏移的麦克斯韦力，以使转子返回其平衡位置。以平衡位置为坐标原点当转子偏移了x的距离时只要向x侧的定子悬浮绕组通入反向电流修正转子的偏移量，这样就可以让转子稳定悬浮在平衡位置。
2.3 转子的数学模型
目 录
1 引言 1
1.1 本文混合磁轴承无位移传感器的研究背景 1
1.2 混合磁轴承无位移传感器控制系统设计的意义 1
1.3 本文研究途径 2
2 磁轴承悬浮机理 2
2.1 磁轴承力的分析 2
2.2 悬浮力产生机理 2
2.3 转子的数学模型 2
2.4 悬浮绕组线圈的电感特性 3
3 以高频信号为基础的无位移传感器控制系统原理 5
3.1 高频信号选用要求 5
3.2 高频信号测量转子偏移量的原理 5
3.3 混合磁轴承控制系统的高频信号的优势 5
3.4 混合磁轴承无位移传感器检测电路原理图 8
4 混合磁轴承无位移传感器控制系统软件部分 9
4.1 STM32主程序部分 10
4.2 STM32子程序中断设计 10
5 混合磁轴承无位移控制系统的电路部分设计 16
5.1 混合磁轴承无位移控制系统的电路部分设计目标 20
5.2 混合磁轴承无位移控制系统核心电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
路设计 17
6 电路的干扰信号的处理 23
6.1 隔离干扰信号的方法 23
6.2 电路排版设计 24
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
1 引言
1.1 本文混合磁轴承无位移传感器的研究背景
无位移传感器的核心就是根据转子偏移的量会引起悬浮绕组互感的变化，只要建立转子位移与电感的数学模型就可以实现转子位移的间接测量。在由美国人卡尔曼提出的卡尔曼滤波器方法中，将研究的两个变量之间的误差推到下一次的测量误差中并以此来预算之后产生的偏差。这种方法需要繁琐的数学运算所以对处理器的要求较高，偏于理论难以应用到实践中。
通过向绕组注入高频信号进而根据互感的变化建立其与转子偏移量的数学模型被T.Takahiro和A.Chiba等人于2006年提出。2006年年珩等人研究出一种基于高频信号注入绕组进而在绕组端的差分电压中数学分析出转子偏移量或者利用转子偏移量的观测器在没有位移传感器的情况下检测转子的偏移量，并且给出了相应控制系统的仿真。
总而言之基于高频信号注入绕组，并通过上述方法建立位移和电感的数学关系来间接测量出转子位移的变化从理论上来说可行，但实际应用中其可靠性有待进一步验证。
1.2 混合磁轴承无位移传感器控制系统设计的意义
混合磁轴承运行的稳定性取决于对转子偏移量的精确掌握，对于控制系统的动态性以及实时性要求较高。比如说电涡流传感器测位移的精度易受到干扰磁场的影响，在其制作模块中要加入屏蔽干扰磁场模块，这无疑加大了整个轴承的尺寸与生产成本，这样的轴承很难受到企业的青睐，不能得到广泛使用。主要使用的传感器都容易受到各种因素干扰，不能稳定准确地提供转子偏移量来供混合磁轴承轴承控制系统参考。综上，对于过去使用的传感器自身的诸多缺陷，要想获得更加精确的转子偏移量就得提出不使用传感器的情况下通过转子偏移量与定子悬浮绕组的互感来间接获得转子偏移量。
由此设计出的混合磁轴承无位移传感器控制系统少了传感器的部分，避免了过去各种传感器对测量转子偏移量的精确度的影响，使混合磁轴承系统运作极为稳定；也解决了对于轴承制造时对于传感器安装位置的考量，使整个系统运行轻便同时较以往轴承来说价格便宜，在工业领域有极高的优势。
1.3 本文研究途径
1. 理解悬浮力产生及理和数学模型，建立位移和电感的数学关系
2. 设计出高频信号产生电路并阐述其电路原理图各部分的功能
3. 设计一个信号检测电路并设计一个滤波器来过滤悬浮绕组的电压信号
4. 设计出混合磁轴承无位移传感器控制系统的软件部分，包括主程序程序和主程序的中断子程序。
2 磁轴承悬浮机理
2.1 磁轴承力的分析
转子的悬浮力主要分为洛伦磁力和麦克斯韦力两种。洛伦磁力是指携带电流的导体在磁场中受到的力。由于磁场在不同的介质中磁导率的不同会产生与介质垂直的张力，这种力就叫麦克斯韦力。在混合磁轴承的定子和转子之间存在真空间隙，因此在定子的内表面和转子的外表面上产生麦克斯韦力，不考虑转子质量的影响，当作用于转子各个方向的悬浮力相等时，转子就稳定在平衡位置了。
2.2 悬浮力产生机理
混合磁轴承在运转过程中转子并不能一直稳定悬浮，转子会发生一定的偏移，导致定子与转子之间的真空间隙变大，麦克斯韦力的不平衡表现为在转子的偏移方向上磁力的增加，因此由定子悬浮绕组中的反向电流产生的磁场将产生使转子反向偏移的麦克斯韦力，以使转子返回其平衡位置。以平衡位置为坐标原点当转子偏移了x的距离时只要向x侧的定子悬浮绕组通入反向电流修正转子的偏移量，这样就可以让转子稳定悬浮在平衡位置。
2.3 转子的数学模型
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/1905.html
