交流混合磁悬浮轴承通用型功率驱动电路设计
本课题以径向二自由度交流混合磁悬浮轴承为控制对象，在分析其工作原理、建立其数学模型的基础上，以TMS320F2812 DSP为核心控制器构建交流二自由度混合磁悬浮轴承的驱动控制系统，重点设计并研制系统通用型功率驱动电路。论文首先对磁悬浮轴承进行了简介，综述了磁悬浮轴承的国内外研究现状和发展趋势，阐述了磁悬浮轴承控制系统中功率驱动电路的重要作用，即本课题的研究目的和意义。以交流二自由度混合磁悬浮轴承为例，分析给出了交流二自由度混合磁悬浮轴承的结构、工作原理、数学模型和控制策略。对基于TMS320F2812 DSP的交流二自由度混合磁悬浮轴承数控系统进行了方案设计，对系统各硬件构成电路和系统控制软件进行了介绍和原理分析。设计了交流二自由度混合磁悬浮轴承通用型功率驱动电路，对系统功率驱动电路的PWM信号滤波电路、滞环比较电路、脉冲分配电路、IPM智能模块及其外围电路、IPM保护电路、辅助开关电源等模块电路进行了设计，采用硬件设计软件Protel 99SE绘制了系统通用型功率驱动电路原理图和PCB图；对系统功率驱动电路进行了制板，购买了相关元器件，研制了交流混合磁悬浮轴承通用型功率驱动电路板；结合实验室调压器、示波器等相关仪器设备对系统功率驱动电路板进行了硬件调试，测试了相关模块的输入输出波形，测试结果能够验证功率驱动电路各模块的可行性和正确性。关键词磁悬浮轴承，控制系统，功率驱动电路，硬件设计，调试
目 录
1 绪论 1
1.1 磁悬浮轴承简介 1
1.2 磁悬浮轴承的研究现状及发展趋势 1
1.3 课题的研究目的及意义 2
1.4 论文的结构与内容安排 3
2 交流混合磁悬浮轴承工作原理、数学模型和控制策略 3
2.1 交流二自由度混合磁悬浮轴承的结构 3
2.2 交流二自由度混合磁悬浮轴承的工作原理 4
2.3 交流二自由度混合磁悬浮轴承的数学模型 4
2.4 交流二自由度混合磁悬浮轴承的系统控制策略 7
3 交流混合磁轴承数字控制系统设计方案 8
3.1 交流混合磁轴承的数字控制系统的硬件构成 8
3.1.1 DSP控制芯片 8
3.1.2 位移接口电路 9 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.1.3 电流检测接口电路 11
3.1.4 功率驱动电路 11
3.2 交流混合磁悬浮轴承的数字控制系统软件设计 12
4 交流混合磁悬浮轴承的通用型驱动电路设计 14
4.1 PWM信号滤波电路 15
4.2 滞环比较电路 16
4.2.1 滞环比较方式 16
4.2.2 迟滞比较器的实现 17
4.2.3 滞环宽度的选择 18
4.3 脉冲分配电路 19
4.4 IPM智能模块及其外围电路 21
4.4.1 IPM供电整流滤波电路 21
4.4.2 驱动板上主要器件的选定及相关电路设计 21
4.5 IPM保护电路的硬件实现 24
4.5.1 IPM自举电路 24
4.5.2 故障输出保护电路 25
4.6 功率驱动系统辅助开关电源设计 26
4.6.1 功率驱动所需开关电源要求 26
4.6.2 开关电源的设计计算与说明 26
4.7 通用型功率驱动的实现 28
4.8 总原理图 29
4.9 总PCB图 30
4.10 功率驱动电路板硬件调试 31
4.10.1 对IPM供电整流滤波电路进行调试 32
4.10.2 对电流检测接口电路进行调试 32
4.10.3 对滞环比较电流进行调试 32
4.10.4 对脉冲分配电路进行调试 33
总结与展望 34
致 谢 35
参考文献 36
绪论
1.1 磁悬浮轴承简介
磁悬浮轴承，即磁轴承，是近年来新兴发展起来的一种新式轴承，它利用磁场中的磁场力使得轴承中的转子部分处于悬浮状态，从而不与外界产生任何机械接触，正因为它与外界的不接触，无摩擦，这种新式轴承因此拥有诸多优点，正愈发被广大专家学者所研究，在工业设计制造中也愈发受到关注[1,2]。
相比较于传统轴承，诸如滚动轴承等，磁悬浮轴承的优点显著：其转子部分不与外界产生机械接触，即不存在摩擦，磨损的可能，所以其寿命更长；因为不存在摩擦，在运行时便无需润滑，所以其工作环境更高效洁净，适用于对环境洁净程度要求高的场合，如无菌车间等等。除了上述优点外，磁悬浮轴承还具有所需功耗低，可承受转子部分的高速运转，磁轴承特性可控制等优点，正因为这样，磁悬浮轴承也被称为“二十一世纪的支承”，其技术在不远的将来会被越来越多的领域所使用[2]。
1.2 磁悬浮轴承的研究现状及发展趋势
从175年前Earnshow提出无源磁轴承的概念，到80年前Kemper提交涉及未来磁悬浮列车设想的专利，再到上世纪60年代后各国对主动磁浮轴承开始广泛研究，磁悬浮技术历经百年发展，获得了一项项重大突破。在上世纪70年代末期大规模集成电路的快速发展以及新兴材料的研究突破的引领下，磁悬浮技术也随之迅猛发展，在交通，机械等诸多领域，磁悬浮技术得到了广泛的应用，如德国研制成功了时速高达360Km/h的磁悬浮列车，法国应用磁悬浮技术研制了各类性能优异的机床等。目前，应用磁浮主轴系统研制的超高速磨床，其最高转速更是高达3000r/s[3]。
从上世纪80年代后期开始，在国内外对于磁悬浮轴承的学术活动变得十分活跃，国际磁悬浮轴承会议和国际磁悬浮技术会议被相继举办，我国于21世纪初叶也举办了第一届全国电磁悬浮轴承的学术研讨会。正如国内外兴起对磁悬浮轴承研究的时间节点的差距，我国对磁悬浮轴承的研究与国外仍存在着至少20年的差距，还需要不断加紧追赶，在高校中，近年来清华大学、西安交大和江苏大学等大学正在不断追赶差距，做着磁悬浮轴承研究的相关工作[3,4]。
磁悬浮轴承的优越性是显著的，在近年来有着广阔的研究与应用前景，从整体层面看，磁悬浮轴承的发展有着如下趋势[5]：
（1）更多地考虑耦合问题
（2）考虑非线性影响
（3）全局化
（4）数字式控制
（5）对超导磁悬浮轴承的研究
（6）对磁悬浮轴承进行结构改进
1.3 课题的研究目的及意义
对于一个径向主动磁轴承而言，常常采用均匀分布在转子四周的四极电磁铁形式进行布局，在工作时需利用四路单极性（或两路双极性）功率放大器对其进行驱动；可以设想通过采用三个电磁铁的布置来实现结构的简化，可是这类的磁悬浮轴承，因为其线圈电流之和不为零，所以只利用一套三相逆变器不可能实现其驱动的功能，必须通过解决静态偏磁磁通来实现。为了成功实现这类结构的磁悬浮轴承的驱动控制，经分析可利用增加一套通以直流电的三相线圈来进一步实现，但这样的结构需要在磁悬浮轴承的内部预留较大空间放置该三相线圈[6]。
目 录
1 绪论 1
1.1 磁悬浮轴承简介 1
1.2 磁悬浮轴承的研究现状及发展趋势 1
1.3 课题的研究目的及意义 2
1.4 论文的结构与内容安排 3
2 交流混合磁悬浮轴承工作原理、数学模型和控制策略 3
2.1 交流二自由度混合磁悬浮轴承的结构 3
2.2 交流二自由度混合磁悬浮轴承的工作原理 4
2.3 交流二自由度混合磁悬浮轴承的数学模型 4
2.4 交流二自由度混合磁悬浮轴承的系统控制策略 7
3 交流混合磁轴承数字控制系统设计方案 8
3.1 交流混合磁轴承的数字控制系统的硬件构成 8
3.1.1 DSP控制芯片 8
3.1.2 位移接口电路 9 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.1.3 电流检测接口电路 11
3.1.4 功率驱动电路 11
3.2 交流混合磁悬浮轴承的数字控制系统软件设计 12
4 交流混合磁悬浮轴承的通用型驱动电路设计 14
4.1 PWM信号滤波电路 15
4.2 滞环比较电路 16
4.2.1 滞环比较方式 16
4.2.2 迟滞比较器的实现 17
4.2.3 滞环宽度的选择 18
4.3 脉冲分配电路 19
4.4 IPM智能模块及其外围电路 21
4.4.1 IPM供电整流滤波电路 21
4.4.2 驱动板上主要器件的选定及相关电路设计 21
4.5 IPM保护电路的硬件实现 24
4.5.1 IPM自举电路 24
4.5.2 故障输出保护电路 25
4.6 功率驱动系统辅助开关电源设计 26
4.6.1 功率驱动所需开关电源要求 26
4.6.2 开关电源的设计计算与说明 26
4.7 通用型功率驱动的实现 28
4.8 总原理图 29
4.9 总PCB图 30
4.10 功率驱动电路板硬件调试 31
4.10.1 对IPM供电整流滤波电路进行调试 32
4.10.2 对电流检测接口电路进行调试 32
4.10.3 对滞环比较电流进行调试 32
4.10.4 对脉冲分配电路进行调试 33
总结与展望 34
致 谢 35
参考文献 36
绪论
1.1 磁悬浮轴承简介
磁悬浮轴承，即磁轴承，是近年来新兴发展起来的一种新式轴承，它利用磁场中的磁场力使得轴承中的转子部分处于悬浮状态，从而不与外界产生任何机械接触，正因为它与外界的不接触，无摩擦，这种新式轴承因此拥有诸多优点，正愈发被广大专家学者所研究，在工业设计制造中也愈发受到关注[1,2]。
相比较于传统轴承，诸如滚动轴承等，磁悬浮轴承的优点显著：其转子部分不与外界产生机械接触，即不存在摩擦，磨损的可能，所以其寿命更长；因为不存在摩擦，在运行时便无需润滑，所以其工作环境更高效洁净，适用于对环境洁净程度要求高的场合，如无菌车间等等。除了上述优点外，磁悬浮轴承还具有所需功耗低，可承受转子部分的高速运转，磁轴承特性可控制等优点，正因为这样，磁悬浮轴承也被称为“二十一世纪的支承”，其技术在不远的将来会被越来越多的领域所使用[2]。
1.2 磁悬浮轴承的研究现状及发展趋势
从175年前Earnshow提出无源磁轴承的概念，到80年前Kemper提交涉及未来磁悬浮列车设想的专利，再到上世纪60年代后各国对主动磁浮轴承开始广泛研究，磁悬浮技术历经百年发展，获得了一项项重大突破。在上世纪70年代末期大规模集成电路的快速发展以及新兴材料的研究突破的引领下，磁悬浮技术也随之迅猛发展，在交通，机械等诸多领域，磁悬浮技术得到了广泛的应用，如德国研制成功了时速高达360Km/h的磁悬浮列车，法国应用磁悬浮技术研制了各类性能优异的机床等。目前，应用磁浮主轴系统研制的超高速磨床，其最高转速更是高达3000r/s[3]。
从上世纪80年代后期开始，在国内外对于磁悬浮轴承的学术活动变得十分活跃，国际磁悬浮轴承会议和国际磁悬浮技术会议被相继举办，我国于21世纪初叶也举办了第一届全国电磁悬浮轴承的学术研讨会。正如国内外兴起对磁悬浮轴承研究的时间节点的差距，我国对磁悬浮轴承的研究与国外仍存在着至少20年的差距，还需要不断加紧追赶，在高校中，近年来清华大学、西安交大和江苏大学等大学正在不断追赶差距，做着磁悬浮轴承研究的相关工作[3,4]。
磁悬浮轴承的优越性是显著的，在近年来有着广阔的研究与应用前景，从整体层面看，磁悬浮轴承的发展有着如下趋势[5]：
（1）更多地考虑耦合问题
（2）考虑非线性影响
（3）全局化
（4）数字式控制
（5）对超导磁悬浮轴承的研究
（6）对磁悬浮轴承进行结构改进
1.3 课题的研究目的及意义
对于一个径向主动磁轴承而言，常常采用均匀分布在转子四周的四极电磁铁形式进行布局，在工作时需利用四路单极性（或两路双极性）功率放大器对其进行驱动；可以设想通过采用三个电磁铁的布置来实现结构的简化，可是这类的磁悬浮轴承，因为其线圈电流之和不为零，所以只利用一套三相逆变器不可能实现其驱动的功能，必须通过解决静态偏磁磁通来实现。为了成功实现这类结构的磁悬浮轴承的驱动控制，经分析可利用增加一套通以直流电的三相线圈来进一步实现，但这样的结构需要在磁悬浮轴承的内部预留较大空间放置该三相线圈[6]。
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