超声波悬浮电机轴承轴向支撑驱动及控制方法研究

【摘要】高速电机被广泛应用于民用与工业各个领域，近年在空间卫星等系统中获得了广泛应用。由于功率密度高、转速大，普通的机械轴承已经不能满足高速电机的支撑要求，因而出现了多种无接触式支撑方式。本文是国家自然科学基金项目“基于超声波悬浮支撑的高速电机设计理论与方法研究”工作的一部分，提出利用超声波悬浮形成对高速电机轴承的支撑，是高速电机轴系悬浮支撑技术的新尝试，国内外未见类似研究工作报导，具有原始创新性。本文的主要工作是超声波悬浮电机轴承轴向支撑驱动及控制方法的研究。本文的主要工作有以下几点：首先，对压电陶瓷材料进行了详细的介绍，具体的说明了压电陶瓷及压电换能器的应用场合，介绍了压电陶瓷的振动模态和压电换能器的主要技术参数，对压电方程进行了分析，为后续的研究奠定了基础；其次，对超声波发生器进行了设计，详细的介绍了超声波发生器的驱动电路和主逆变电路，并着重的介绍了根据数字化DDS原理设计的基于FPGA的SPWM核心控制器。制造了发生器样机并进行调试，输出波形能够满足设计要求；介绍了轴向支撑轴承的优势，详细分析了郎之万振子结构，对郎之万振子进行了设计，并进行了多项性能测试。对超声波悬浮电机轴承进行了分析，得出了轴向悬浮轴承的模型；在本文的最后，对自抗扰控制器进行了具体的介绍，自抗扰控制器是由中科院韩京清研究员经过多年的研究与完善开发出的一种优秀的非线性控制器，其在超声悬浮轴承控制中具有许多优势，本文介绍了自抗扰控制器的结构，对自抗扰控制器的三个部分TD、ESO、NLSEF分别进行了详细的说明，给出了控制器方程的详细推导，并结合系统模型进行了控制器设计。在Matlab/Simulink中使用S函数模块构建自抗扰控制器，通过改变自抗扰控制器三个部分的各个参数，观察参数变化对系统控制效果的影响，分析出了自抗扰控制参数整定的一般规律，通过多次实验整定出一组合适的控制参数。对得出的系统传递函数进行了仿真，得出了自抗扰控制器对超声波悬浮电机轴承的控制效果。通过以上实验，说明自抗扰控制器控制超声悬浮轴承是可行的。本文通过一系列的工作，为超声波悬浮电机轴承轴向支撑驱动提供了硬件与控制方法的解决方案，目前已取得了一定的研究成果，为后续工作中超声波悬浮电机的制造和控制奠定了良好的基础。
【作者】聂磊；
【导师】康晓涛；
【作者基本信息】吉林大学，信号与信息处理，2014，硕士
【关键词】超声波悬浮轴承；超声波发生器；郎之万振子；自抗扰控制器；

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