（测试计量技术及仪器专业论文）磁悬浮转子dsp控制系统的设计与研究.pdf

中文摘要 磁悬浮转子是利用电磁力将转子稳定悬浮于空问的一种新型高性能产品。 由于转子与定子间没有机械接触，转子可以达到很高的运转速度，几乎不存在 机械磨损，还具有寿命长、无需润滑、能耗低、噪音小等特点。然而磁悬浮转 子系统足一个非线性、强耦合系统，是一个典型的丌环不稳定系统，因此必须 进行控制j 。能稳定工作。 本论文主要针对存在的问题，并在分析磁悬浮转子控制系统的基础上，建 立了五自由度系统的多路控制系统。设计了以t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 为核心处理器的磁 悬浮转子的控制系统硬件电路，包括为提高输入信号准确性的抗混叠滤波电路、 对传感器信号进行无相位差采集的a d 转换电路，并利用d s p 片上资源生成 p w m 功放控制信号。针对传统p i d 控制器参数整定难的问题，提出了一种基于 遗传算法的p i d 参数整定法，寻优p i d 控制参数，从而提高了系统的稳定性、 快速响应性，实现了系统的较好控制。 最后利用m a t l a b 进行了仿真，进行了系统的调试和悬浮实验。仿真结果 表明，所设计的控制系统和遗传算法得到的控制参数能够使磁力轴承稳定悬浮 和运转，且具有响应速度快，超调小，控制精度高的优点。 关键词：d s p ，磁悬浮转子，遗传算法，参数整定 a b s t r a c t a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g s ( a m b ) i san e wk i n do fn o v e lh i g h - p e r f o r m a n c e b e a r i n g ，w h i c hc a ns u s p e n dt h er o t o rb ym a g n e t i cf o r c e 。a si t sc o n t a c t f r e em a n n e r b e t w e e ns t a t o ra n dr o t o r ，t h er o t o rc a nr o t a t ea ta nv e r yh i g hs p e e da n da l m o s tn o w e a l i na d d i t i o n ，t h ea m bh a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sl o n g e rl i f e t i m e ，n on e e do f l u b r i c a t i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wn o i s e ，e t c h o w e v e r ，m a g n e t i cr o t o rs y s t e m i san o n 。l i n e a r ，s t r o n g - c o u p l i n g s y s t e m ，a n di s at y p i c a l o p e n - l o o pu n s t a b l e s y s t e m s oi ti sn e c e s s a r yt os t a b i l i z et h ew o r ko fc o n t r 0 1 t h em a i nc o n t e n t so ft h i s p a p e rr e s p o n s et op r o b l e m s ，a n dt h ea n a l y s i so f m a g n e t i cl e v i t a t i o no ft h er o t o rc o n t r o ls y s t e m ，f i v ed e g r e e so ff r e e d o mc o n t r o l s y s t e m ，m u l t i c h a n n e ls y s t e m sh a v e b e e ne s t a b l i s h e d b a s e d i nt h i sp a p e lt h e c o n t r o l l e rh a r dw a r ec i r c u i ti s d e s i g n e da n do p t i m i z e dw i t hac o r ep r o c e s s o r ， t m s 3 2 0 c 6 713 ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fa n t i a l i a s i n gf i l t e rf o r t h ei n p u td e s i g ns i g n a l t oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h es i g n a la n dt h ep r e c i s i o no ft h ew h o l es y s t e m ，t h e d e s i g n o fa dc o n v e r s i o nc i r c u i tt o a c q u i s i t i o n s e n s o r s i g n a l w i t h o u tp h a s e d i f f e r e n c e ，a n dt h eu s eo fd s pa m p l i f i e rt og e n e r a t ep w mc o n t r o ls i g n a l st or e d u c e t h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g n a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m st h a tt h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l l e rp a r a m e t e r sa r es e td i f f i c u l t l y , t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ea m bd s p c o n t r o l s y s t e mp r o p o s e saf i x e dp i dp a r a m e t e r sm e t h o da tt h eb a s i co ft h eg e n e t i ca l g o r i t h m a n dl o o k sf o rt h eb e s tp i dc o n t r o lp a r a m e t e r s ，t oi m p r o v et h es t a b i l i t y , r a p i d l y r e s p o n s ea b i l i t yo ft h es y s t e ma n da c h i e v et h eb e t t e rc o n t r o l m e n t f i n a l l y , t h ep a p e rs i m u l a t e sw i t ht h em a t l a b ，d e b u g st h ee s t a b l i s h e ds y s t e m ， a n dh a sas u s p e n d e de x p e r i m e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t o ls y s t e m a n dt h ec o n t r o lp a r a m e t e r sw i t ht h eg e n e t i ca l g o r i t h mc a nm a k et h em a g n e t i cb e a r i n g s u s p e n s ea n do p e r a t es t a b l e l y , a n dh a v et h ea d v a n t a g e so ft h ef a s tr e s p o n s e ，s m a l l o v e r s h o o t ，h i g hp r e c i s i o nc o n t r o lr e s p o n s e k e yw o r d s d s p ，m a g n e t i cb e a r i n g ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，p a r a m e t e rt u n i n g 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垒蒸丝日期：垫乏主坦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 。装篝袅妊黜名：铷期：中 ( 注：此页内容装订在论文扉页)p j 。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 磁悬浮轴承的概述 磁悬浮轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a t i n g s ) 也称电磁轴承或磁悬浮轴承或磁力 轴承，是利用磁力作用将转子悬浮于空间、使转子与定子之间实现无机械摩擦 支承的一种新型高性能轴承，是典型的机电一体化高科技产品1 2 】。它具有无直接 接触摩擦磨损、无需润滑和密封以及可以主动控制等传统轴承无法比拟的特点， 由于没有机械摩擦和磨损，所以降低了工作能耗和噪声，延长了使用寿命；动 力损耗小，更适用于高速运转场合；由于不需要润滑和密封系统，所以无污染， 可应用于真空超净，腐蚀性介质以及极端温度和压力等特殊工作环境。 按照磁场的产生方式，磁悬浮轴承可以分为以下三类1 2 j ： 1 主动磁悬浮轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ，简称a m b ) ，又称有源磁悬 浮轴承，是通过控制电磁力实现转子的可控悬浮( 本论文研究对象就是这种磁 场可控的磁悬浮轴承) ，广泛应用于航空、航天、核反应堆、真空泵、超洁净环 境、飞轮储能等场合； 2 无源磁悬浮轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g ，简称p m b ) ，是通过永磁铁 或超导体的电磁力实现对转子部分或全部自由度的被动支承； 3 混合磁悬浮轴承( h y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g ，简称h m b ) ，其结构中既含 有电磁铁，又有永磁铁或超导体，同时具有主动与被动磁悬浮轴承的特点。 1 1 1 磁悬浮轴承的发展史 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来己久，早在1 8 4 2 年，英国 物理学家e 锄s h o w 就从理论上证明了单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有 六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态【3 】。1 9 3 7 年，德国人k e m p e r e r 首先采 用一个可控电磁铁对一个重量为2 1 0 k g 的物体成功地实现了稳定悬浮，这一研究 成为磁悬浮列车和磁悬浮轴承的主导思想。1 9 3 9 年，b r a u n b e c k 进一步研究表明 只有采用抗磁性材料，才能依靠合适的永久磁铁结构与相应的磁场分布而实现 稳定悬浮。以后的研究又证明，如果最小有一阶自由度受外部机械约束的话， 强磁性物体可以用磁力悬浮于稳定平衡状态。 目前，磁悬浮轴承在工程上的应用研究主要有磁悬浮列车和磁悬浮轴承两 武汉理 大学硕十学位论文 个方向。这里只涉及磁悬浮轴承研究领域，4 0 年代，美! 园v i r g i n i a 大学的b e a m s 等人最早研制出离心机用的混和磁悬浮轴承。上世纪6 0 年代，随着控制元器件 的不断发展和完善，瑞士、法国、日本、美国等国家相继对主动磁悬浮轴承进 行了研究吲。1 9 7 6 年，法国s e p 公司和瑞典s k f 轴承公司联合成立了s 2 m 公司， 专门开发工业用的磁悬浮轴承。1 9 7 7 n 该公司丌发了世界上第一台高速机床 的磁悬浮轴承主轴系统。1 9 9 4 年1 1 月，美国航空周刊报道：美国普惠公司在 计划研究的x t c - - 6 5 航空发动机的核心机中使用了磁悬浮轴承其验证机通过 了1 0 0 d , 时的试验1 4 1 。1 9 9 7 年前后又报道了一系列有关航空发动机用的高温磁悬 浮轴承研究成果，成功地研制了能够在5 1 0 。c 高温下工作的磁悬浮轴承系统，转 速为2 2 ，0 0 0 r r n i n ，研制的高温磁悬浮轴承在单轴发动机的模型转子上成功地进行 7 试验i ”。 同时，国际上对磁悬浮轴承的研究工作和学术气氛也相当活跃。1 9 8 8 年在 瑞士苏黎世召开了第一届“国际磁悬浮轴承会议”，此后此会议每两年召开饮。 会议上，发表了大量关于磁悬浮轴承研究的论文极大推动了磁悬浮轴承应用 的研究。 国内在磁悬浮轴承技术方面的研究起步较晚，研究水平相对而言比较落 后，目前都还处于试验室及工业试验运行阶段。1 9 8 6 年，哈尔滨工业大学开始 研制五维主动式磁悬浮轴承，并获国家自然科学基金资助1 9 9 0 年成功地实现 了静、动态稳定悬浮。目前，许多高校及科研院所在电磁轴承研究方面投入了 大量的人力和物力，如西安交通大学、上海交通大学、清华大学、西安理工大 学、南京航空航天大学、武汉理工大学等几十家科研院所都在电磁轴承方面进 行研究，己取得一些成果。图1 1 为武汉理工大学研制的磁悬浮主轴实验装置。 图l 一1 碰悬浮主轴实验装置 武汉理r 大学硕士学位论文 1 1 2 控制器的发展 磁悬浮轴承控制器是磁悬浮转子系统的核心部分，是决定磁悬浮转子性能 的一个关键部件。它将传感器获取的转子位置信号进行分析处理，输出控制信 号到功率放大器。控制器的性能不仅决定了能否实现稳定悬浮，而且还直接影 响到转子的回转精度和承载力等磁悬浮轴承的关键指标。为了能达到稳定悬浮 高速旋转的运行效果，磁悬浮转子系统对控制器提出了严格的要求。 主动磁悬浮轴承控制系统中，控制方式大体上可以分为模拟控制和数字控 制两大类。对于模拟控制器，虽然其成本较低、结构简单，但有很多的不足之 处：参数调节不方便，在改变控制器参数时，需要改变控制器的硬件；由于元 器件老化和参数飘移带来的不良影响，会极大地降低系统的性能；很难实现复 杂的控制算法等。因此，近年来，随着电子技术和计算机技术的发展，利用计 算机或微处理器来实现控制的数字控制成为磁悬浮轴承控制的主流，控制器的 实现越来越多的采用数字控制器【6 】。同时，高速数字处理控制芯片( d s p ) 的出现， 使各种高级控制算法的实现成为可能【_ 7 1 。数字控制与传统的模拟控制相比，具有 很大的优势。 就本课题中对于磁悬浮轴承的控制系统而言，数字控制器的优点如下瞵j ： ( 1 ) 在开发阶段，数字控制可方便的实现对各种拟定采用的控制策略的试 验，可实现较复杂的控制算法，方便的改变控制规律和控制参数，无需改变控 制器硬件； ( 2 ) 在转子工作时，不仅可以在线的修改控制器参数，实现柔性控制，而且 可对载荷、位移、振动、轴承电流及其它运行工况实现在线监控，较之模拟控 制系统更容易实现良好的人机界面： ( 3 ) 数字控制系统体积小，控制性能稳定，没有器件老化和参数飘移带来的 不良影响，抗干扰能力强； ( 4 ) 能对意外和紧急状况，以及其它安全问题做出及时处理等； ( 5 ) 对于系统的更新换代往往只涉及软件的修改，可以缩短开发周期，降低 开发成本。 数字控制器是通过a d 转换器将转子位移信号数字化，控制器的c p u 对转 化的数字信号进行处理，处理后的数字信号进行d a 转化后去控制功放。随着 智能化、集成化的发展，数字控制器是磁悬浮轴承控制器发展的必然趋势。 武汉理下大学硕十学位论文 国外，美国弗吉尼亚大学已将基于p c 机与r t l i n u x 构建的控制平台应用于 高阶磁悬浮轴承控制器【9 j 。采用p c 机来设计磁悬浮轴承控制器，可以较容易实 现多任务控制( 周期性固定悬浮控制，关键相位检测，速度测量，不平衡补偿， 记录控制系统数据等等) ，但p c 机平台在体积、抗环境干扰的稳定性上相对不 够理想。8 0 年代末期，随着d s p ( 信号处理器) 的出现，在磁悬浮轴承的控制 领域也逐渐使用这种新型高速的微处理器。加拿大的s k f 公司目前己具备产业 化的能力，数字控制器的硬件设备采用基于t m s 3 2 0 c 4 0 和l a b v i e w 实现监视系 统运行和控制的目的，其控制算法采用a d a p t i v ev i b r a t i o nc o n t r o l ( a v c ) ，对转 子和系统本身的振动具有很好的控制效果，其控制精度能够达到1 0l am 。瑞士 联邦工学院( e t h ) 和m e c o s 公司目前正在研究磁悬浮轴承的识别和自调整控 制方法( i d e n t i f i c a t i o na n ds e l f t u n i n gc o n t r 0 1 ) ，其硬件平台是基于d s p p c 系统 _ d s p 采用t m s 3 2 0 c 2 5 负责控制算法，p c 机负责监视状态实时图像显示 【l o 】【l l 】。 国内，清华大学已有将基于p c 机与r t l i n u x 构建的控制平台应用于柔性转 子磁悬浮轴承控制器【1 2 】的成功实例。随着d s p 技术的发展，数字控制逐步的转 向应用d s p 芯片取代p c 机，节省了空间，提高了系统的抗干扰能力。南京航 空航天大学磁悬浮应用技术研究所成功研制了基于t m s 3 2 0 c 2 5 的磁悬浮轴承系 统的数字控制器。对t m s 3 2 0 f 2 4 0 和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字控制的磁悬浮轴承系统 进行了研究和调试。2 0 0 3 年南航完成了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的软硬件设计， 实现了实验台的成功悬浮及高速运转试验【13 1 。近年来，山东科技大学、西北工 业大学、武汉理工大学、河海大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学、东北大 学等单位，对基于d s p 的磁悬浮数字控制系统都进行了深入的研究，大多采用 的d s p 芯片为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 、t m s 3 2 0 f 2 4 0 、t m s 3 2 0 v c 3 3 ，对于高浮点高性 能的t m s 3 2 0 c 6 x x 系列还很少应用。北京机械工业学院机电系统测控北京市重 点实验室对高效浮点数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 2 0 2 b 进行了研究1 1 4 1 。 1 1 3 控制算法的发展 控制器是磁悬浮轴承的关键，传统的反馈控制系统通常用p i d 控制器，该 控制器结构简单、易于调节、可靠性好。但是，随着磁悬浮轴承转速的不断提 高和运行工况的复杂程度的提高，简单的p i d 控制器已不能满足工程应用的需 要，近年来，涌现出了更多更好的控制方法。 4 武汉理丁大学硕士学位论文 l 、智能控制智能控制方法是指基于在线学习和辨识的控制方法，如模糊 控制、神经网络控制等，此类方法的特点是被控系统可当作“黑箱 来处理， 不需要任何有关的先验知识，控制器可根据输出响应来学习系统特性并根据需 要对控制参数实施在线调节。此类方法的优点是能够克服磁浮非线性和外界干 扰给系统造成的影响。遗传算法与神经网络在磁悬浮系统中的应用日益增多， 出现了多目标遗传算法在线优化p i d 控制器，遗传算法在线调节a m b 控制器， 以及神经网络辅助下的不平衡补偿等。但是，智能控制系统本身具有复杂性， 尚处于实验研究阶段，并未得到成熟的工程运用。 2 、鲁棒控制方法鲁棒控制方法的基本原理是选择反馈控制规律使闭环系 统稳定，且对模型摄动以及外界扰动具有一定的抵抗力。主要方法有h o o 控制和 边界控制等。 3 、最优控制方法最优控制法通常采用被控系统的输出与输入的加权二次 型作为性能指标，以便控制系统的动态响应。 4 、系统辨识系统辨识就是利用系统观测到的信息，构造系统的数学模型 的理论和方法。它涉及到的理论基础相当广泛，对于单变量线性系统，已经有 一系列成功的理论和辨识方法，多变量系统中的研究还尚未成熟。然而，在单 变量系统中与传统的控制方法相比并没有明显的优势。 从现有文献看，现在单一的一种控制手段己不能适应日益复杂的磁悬浮系 统，将各种控制方法优化组合加以综合运用已成为发展趋势，随着新的控制手 段的引入将会把磁悬浮研究带入更为广阔的应用领域。本文针对基于遗传算法 的p i d 控制参数进行了离线整定，得到较优控制参数，减少了调试人员的工作 量。 1 2 论文工作提出背景 对于不同的磁悬浮转子系统个体，它们的性能也不一样，因此在投入工业 应用之前，需要对磁悬浮转子系统的各方面性能要有充分的了解，这样在实际 应用中可减少事故发生的可能性，并且使磁悬浮转子系统能够得到高效率的应 用。 在现场调试中，通过对控制参数的设定使转子悬浮，在电机的带动下转子 高速旋转，通过一定的实验仪器和设备来获得所需试验数据，然后对数据进行 武汉理工大学硕士学位论文 分析来了解系统性能。但是，在现场调试工作中，由于磁悬浮转子系统本身是 一个不稳定的系统，本文是通过控制器来实现磁悬浮转子系统的稳定，如果控 制参数选择得不合适，在高速旋转的情况下，有可能会造成系统失稳，一旦在 调试过程中出现系统失稳现象，那将对系统造成很大的损害，并且有可能对实 验人员造成人身上的伤害。 在磁悬浮控制系统中，目前采用最多的控制方式依然是p i d 方式。p i d 控制 器大受欢迎的原因是；一方面，p i d 控制器具有简单而周定的形式，在很宽的操 作条件范围内都能保持良好的鲁棒性，能够满足大多数实际应用的要求：另一 方面，p i d 控制原理直观，安装容易，允许其工程技术人员以一种简单而直接的 方式来调节系统。但p i d 参数复杂繁琐的整定过程直困扰着工程技术人员， 所以研究p i d 参数自整定技术具有十分重大的工程实践意义【4 ”，因此本文提出 了基于遗传算法的p i d 控制器控制参数的整定。采用遗传算法对p i d 参数进行 寻优，得到较稳定的控制参数，减少了调试的工作量缩小了参数调整范围 只需对参数进行微调就可以达到较优的控制效果，这将更有利于磁悬浮轴承系 统在工业上的应用。 另外，d s p 以其结构小、处理速度快、易于控制算法的编程等优点在磁悬 浮轴承控制器上得到了广泛的应用。在磁悬浮轴承的工业应用中，模拟控制器 由于元器件老化和参数飘移带来的不良影响，会极大地降低电磁悬浮系统的性 能，而且不容易实现算法的优化升级，参数的调节需要改变控制器硬件；从图 1 - 2 可以看出，对于采用工控机作为控制器的系统体积庞大且价格昂贵，难以实 现工业上的普及。 埋蜓il ，霸二 圈1 2 工控机与d s p 因此，今后对磁悬浮轴承控制器的研究主要倾向于d s p 控制d s pn r 实现 滤波、数据采集、a d 和d a 转换、控制算法( 即数据处理) 、p w m 控制信号 产生等功能。本文以t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 这献d s p 为核心设计控制器硬件电路。 武汉理1 二入学硕士学位论文 1 3 论文的研究内容安排 本章介绍了磁悬浮轴承及其控制器的发展过程与研究现状，介绍了本论文的 研究背景及内容安排。 第二章：简单介绍了磁悬浮轴承的工作原理，以及磁悬浮转子系统的组成； 对磁悬浮转子控制系统进行了五自由度的建模。 第三章：磁悬浮转子控制系统的硬件电路设计，以美国t l 公司的 d s p t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 为控制部分硬件电路的核心芯片，并设计了相应的外围电路， 包括传感器信号的滤波采集、输入信号的a d 转换、及p w m 输出模块等。 第四章：研究基于遗传算法的磁悬浮轴承p i d 控制参数的整定，利用遗传 算法对p i d 参数进行寻优，得到相对稳定可靠的控制参数。这一章首先介绍了 传统p i d 控制算法的优缺点，然后基于存在的问题提出采用遗传算法这一手段 解决问题，最后对结果进行比较仿真分析。 第五章：按照前几章理论设计好控制器以及各硬件部分后，就可以将位置 传感器、电流传感器、功率放大器和机械装置( 被控对象) 连接起来构成一个 完整的单自由度磁悬浮转子系统，对该控制系统进行调试与实验，验证控制理 论，优化控制系统。 第六章：对本论文的工作做了一个总结并提出了进一步工作的展望。 本文的研究工作具有重要的实际意义，论文的突出贡献在于完成了基于 t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司的一款d p s 芯片t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的磁悬浮数字控制系统 的硬件的设计，利用软件实现了p w m 控制信号的产生，并采用遗传算法对p i d 控制参数优化处理。 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章磁悬浮转子控制系统的组成及其建模 在磁悬浮领域中，应用最为广泛的就是主动磁悬浮轴承。一个完整的主动 磁悬浮轴承系统单自由度工作原理如图2 1 所示，该系统通常由以下几部分组 成：控制器、功率放大器、电磁铁定子及转子、磁悬浮转子、位移传感器等2 1 。 图2 1 中i o 为偏置电流、0 为控制电流、x o 为平衡位置、x 为偏移距离、局为磁 铁i 对转子施加的向上的磁力、尼为磁铁i i 对转子施加的向下的磁力。 感器 i o l o 图2 1 单自由度轴承工作结构图 工作原理：当磁悬浮轴承系统工作时，首先电磁铁通电，使磁悬浮转子悬 浮起来，当处于悬浮中的磁悬浮转子受到外界干扰偏离工作平衡位置时，位移 传感器检测磁悬浮转子运动偏移信号，并通过变送器将信息反馈给控制器，控 制器根据检测的位移信号采用一定的控制算法，进行计算得到控制信号，然后 由功率放大器将这一控制信号转换为控制电压或控制电流，对电磁铁进行主动 控制，调节磁悬浮转子，使其重新回到平衡位置，从而稳定悬浮在给定位置， 进行高速旋转。如图2 1 所示，在偏置电流而的作用下，转子处于平衡位置勖， 设某时刻出现一扰动b ，使其偏离原来的平衡位置，向下偏移距离为x ，为了使 转子能回到原来的平衡位置，必须施加一个控制电流f c 使磁铁i 的磁力f l 增加， 电磁铁i i 的磁力r 减小。 武汉理下大学硕十学位论文 2 1 磁悬浮轴承控制系统的组成 2 1 1 磁悬浮轴承系统的被控对象 磁悬浮轴承控制系统中的被控对象实际上就是磁悬浮转子。对磁悬浮转子的 研究包括：磁悬浮转子的动力学研究、磁悬浮转子的耦合分析等。磁悬浮转子 系统的静、动态的力学品质是由转子控制系统和执行单元的电气参数和力学特 性共同决定的。在磁悬浮转子实际工作时，在结构和控制系统中存在着很多的 耦合现象，例如磁极之间的磁耦合，径向磁悬浮轴承横截面内两个相互垂直方 向的力耦合，转子前后径向磁悬浮轴承之间的力矩耦合，径向磁悬浮轴承与轴 向磁悬浮轴承的力矩耦合，位移传感器间的信号耦合、转矩耦合、控制与结构 的耦合等。其中力耦合、力矩的耦合、转矩耦合又是相互关联的；传感器信号 的耦合对力耦合、力矩的耦合、转矩耦合是有影响的。因此，对于各种耦合现 象进行定性和定量的分析，有助于寻求解决耦合的方法，对磁悬浮转子的控制 方法的研究也有指导作用。另一方面，通过磁悬浮转子的动力学特性研究，对 固有频率、临界转速、振型等内容进行研究，指导如何来控制磁悬浮转子系统。 本课题研究的是五自由度磁悬浮轴承，径向四个自由度，而轴向1 个自由度。 0 凶凶隧凶冈l l 黔 历彭 e ：捌 聪 醉 一- | 一一一- + 一一 烂锄 c q闽 i 冈隧冈园凶 轴承2 图2 1 五自由度磁悬浮轴承结构原理简图 如2 1 图所示为本实验室设计的五自由度磁悬浮轴承结构原理简图，由图 可知控制器可通过两个径向磁悬浮轴承和一个轴向磁悬浮轴承来控制转子的五 个自由度，转子可以绕自身轴线高速旋转。另外，在转子的两端处各有一个辅 9 武汉理一i ：大学硕士学位论文 助轴承，当突然断电或磁悬浮轴承系统失控时，辅助轴承对高速旋转的转子起 到临时支承的作用，防止转子与定子相碰撞而损坏整个轴承系统。 径向磁悬浮轴承的布局一般都采用8 极结构形式，如图2 2 所示。图2 3 为 轴向推力轴承。 定 图2 - 2 径向磁力轴承 子 子 人 麽 匿 冀 、 霆露 图2 - 3 轴承推力轴承 2 1 2 磁悬浮轴承系统的控制器 力舞 蛾子 控制器是磁悬浮轴承系统中很重要的一环，其好坏直接影响到整个系统的 性能【1 5 】。所以控制器的设计也是整个磁轴承系统设计中的重点和难点之一。控 制器的设计总体上可以分为软件和硬件两部分。软件部分的主要任务是控制算 法的实现。硬件部分的主要任务包括各种输入信号的调理，信号的采集，为处 理器扩展外围接口电路和监控电路，以及信号处理结果的输出，放大等。 l o 武汉理t 大学硕十学位论文 对于五自由度磁悬浮轴承控制系统，按控制方法分可分为分散控制和集中 控制；按电路实现可分为模拟控制和数字控制【2 】。磁悬浮轴承系统动态性能( 刚 度、阻尼及稳定性等) 的好坏取决于所采用控制器的控制规律。采用性能优良 的控制器可以便磁悬浮轴承动态刚度、阻尼与其工作环境甚至是运行状态相适 应，且转子的回转精度可通过优化控制算法、加入前馈及反馈进行补偿等方法 来提高。 d s p 控制器不仅具有数字控制器的所有优点，而且体积小，抗干扰能力强； 可以对载荷、位移、振动、轴承电流及其它运行善实现在线监控，较之模拟控 制系统更容易实现良好的人机界面；能对意外和紧急状况，以及其它安全问题 做出及时处理等。本文的其中一个重点就是介绍基于t i 公司d s p 芯片的数字控 制器的设计产生p w m 控制信号，及其在磁悬浮轴承控制系统中的应用。 要根据物体的悬浮状态主动地调节磁场来保持物体自由、稳定的悬浮状态， 必须要有反馈控制系统来实现。控制器是磁悬浮轴承系统中最关键的部分，控 制器的性能不仅决定了磁悬浮能否实现，而且还直接影响到转轴的回转精度和 承载能力等磁悬浮轴承的关键指标。所以在整个磁悬浮轴承系统设计中，控制 器的设计及优化工作显得尤为重要。 不管是采取模拟控制还是采取数字控制，从总体上讲，磁悬浮轴承对控制 器性能指标有以下几点基本要求： 保证系统有足够的稳定裕度和鲁棒稳定性，这是首要的也是基本的条件； 要求磁悬浮轴承控制系统的抗干扰能力强，即要求系统的增益大，保证 较高的定位精度； 系统动态响应时间短，阻尼特性好，动态响应过程中不应有较大的超调 量。 2 1 3 功率放大器、位移传感器及其传递函数 1 功率放大器及其传递函数 功率放大器( 简称功放) 通过控制信号提供电磁铁所需的电流，从而为转 子提供悬浮所需的功率。控制器的输出经数模转换后并不能直接驱动电磁铁， 必须经过功率放大器进行放大才有足够的电流驱动电磁铁工作。功率放大器是 在输入信号的作用下，安全、高效率且不失真( 或失真在允许范围内) 地将直 流电源的直流功率转换为输出信号功率。 武汉理u 人学硕士学位论文 功率放大器根据采用的器件、原理不同，可分为模拟( 线性) 功率放大器 和开关功率放大器。 模拟功率放大器的优点是：稳定性好、负载稳定度高、输出纹波小，瞬态 响应快、电流噪声小、频响好、结构简单、技术成熟。元件数量很少，实现起 来容易。缺点是：功耗大、效率低、体积大。开关功率放大器的优点是：功耗 小，效率高，体积小；缺点是开关干扰较为严重。 功放的选用i l6 j ： 功率放大电路有线性功放和开关功放两种【1 7 】，前者的优点是功放稳定度， 负载稳定度高，输出纹波电压小，瞬态响应快，结构简单技术成熟，但线性功 放的最大缺点是功耗大，效率低，一般只有4 5 ，且体积较大。开关功放的优 点是功耗小，效率高，体积小；缺点是开关干扰较为严重。 按照磁悬浮轴承系统的控制对象的受控方式，可把功率放大器分成电流 控制和电压控制两种。电压控制的优点是装置的模型更为精确，因而鲁棒性更 好；开环不稳定性较弱；刚度较低，易于实现；电压放大器比电流放大器更易 实现。电流控制的优点在于控制装置描述简单，可满足大多数应用场合；易实 现简单的p d 或p i d 控制。对于大多数小型系统而言，电流控制是可以满足的， 特别是当功率放大器的峰值输出电压成倍地高出工作点电压时，允许忽略放大 器中电流控制回路的动力学影响。 除电磁铁外，磁悬浮轴承系统的主要损耗由功率放大器产生。为了经济和 技术上的原因，这些损耗必须尽可能保持在最低水平。因此当功率大约在0 6 k v a 以上的应用中，采用开关放大器可降低损耗，但是开关功放可能会引起电磁干 扰。 开关功率放大器的工作原理【1 8 】如图2 4 所示。其中g 1 、g 2 为场效应管， d 1 、d 2 为续流二极管。 武汉理工大学硕七学位论文 v c 图2 4 采样保持型开关功率放大器的工作原理 从图2 4 可知，当线圈中的电流小于要求值时，g 1 、g 2 导通，给线圈充电， 电流增加；当线圈的电流大于要求值时，g 1 、g 2 关闭，线圈通过二极管d 1 、 d 2 放电，电流减小；当线圈中的电流等于要求值时，g l 关闭，g 2 导通，通过 二极管d 1 续流，维持电流不变。 对本课题研究开发的功率放大器，通过输入不同幅值的正弦信号，来测试功 放的频率特性【19 1 。在功率放大器的线性范围以内，其主要表现为一阶惯性环节， 其传递函数可以表示为： q ( s ) 2 而a a ( 2 - 1 ) 式中，彳口为功率放大器增益( y ) ；兄为功率放大器衰减常数( s ) 。 2 传感器及其传递函数 磁悬浮轴承性能的一个重要方面取决于所采用的位移传感器性能，磁悬浮轴 承对位移传感器的要求有：能够实现非接触测量，能真实地反应转子中心的位 移变化，具有高的灵敏度、线性度、信噪比、分辨率、温度稳定性、抗干扰能 力、精确的重复性及有一定的频率响应范围。 磁悬浮轴承系统中，用位移传感器来对转子的偏移量进行监测。选用磁悬浮 轴承传感器时要考虑的几个方面的性能： 1 ) 测量范围o 1 1 n u n ； 2 ) 灵敏度要在合适的范围内，灵敏度太高，测量范围小； 3 ) 分辨率，即传感器能够识别的最小位移，一般要求能够达到lp m ，甚至更 小： 武汉理工大学硕士学位论文 4 ) 频率范围，线性频率响应，即灵敏度不受频率的影响，灵敏度下降3 d b 的 频率为截止频率，频带宽度越宽，其动态性能越好； 5 ) 稳定性要好，温漂、零漂和时漂要小，能够在较宽的温度范围内稳定地工 作。 轴承和转子之间的气隙一般在几十分之一毫米到零点几毫米之间，因此对 转子偏心位移的测量精度要求很高。在实际应用当中，为了测量高速旋转的转 子的位置，必须采用非接触式传感器进行高精度地测量，否则会严重降低磁悬 浮轴承的性能，甚至造成不稳定和破坏性后果【2 0 】。本系统中的五个自由度的位 移均由差动形式的电涡流传感器组检测。 采用电涡流位移传感器测量转子位移，磁悬浮转子相对于平衡位置的位置变 化量由位移传感器检测转换为电压量，再由信号放大器输出，并且为了消除传 感器电路中的高频噪声，这一环还带有低通滤波器，所以传感器的传递函数一 般为： g ( s r ) = 志 ( 2 - 2 ) 式中，彳。为传感器增益( v m ) ；瓦为滞后时间常数( s ) ；s 为拉普拉斯变换的算 子。 2 2 磁悬浮转子五自由度控制系统 2 2 1 单自由度磁悬浮轴承控制模型 本文中单自由度磁悬浮控制系统数学模型是轴向磁悬浮轴承，在一定的条 件下也是径向磁悬浮轴承控制的基础【2 1 1 。为了简单起见，首先讨论磁力轴承在 重力方向的单自由度运动。 参见图2 1 ，设转子铁芯与定子铁芯平衡位置时的气隙为) 【o ，取位移x 方向 如图2 1 所示，考察图中转子铁芯在外力综合作用之下沿x 方向的运动情况。同 时考虑到磁力轴承采用差动激磁方式( 上下电磁铁各一个，故有两个磁力作用 于转子) 以及受力的方向，转子在重力方向受到的磁力为上下磁铁的吸力之差： 武汉理j ：人学硕士学位论文 纠- 业( x 。- x y 一丽( i o - i f f 沼3 ， 其中k = p 必彬锄，pd 为真空中的磁导率( h m ) ，s o 为电磁铁的磁极面积， n 为线圈匝数；x 表示转子相对于平衡位置的位移，方向竖直向上；f 为总的电 磁力，且厂的正方向与x 一致。 将上式在x = o 和i c = o 附近作泰勒展开并略去高阶无穷小量得到关系式 f = t x + 砖 ( 2 4 ) 其中屯：掣，墨：_ t l o s o n i o xo 式( 2 4 ) 即为在小偏差范围得到的合力线性化模型。称k x 为磁轴承的刚度， 因为厂的正方向与x 一致，才使得k x 为正，所以磁轴承实际上具备负刚度。 根据牛顿第二定律，转子铁芯的受力关系如下 p ( f ) + 厂一孵= 垅窘 ( 2 - 5 ) 式中p ( ，) 为在x 方向的外界干扰力；厂是磁悬浮轴承定子产生的电磁力，它是位 移与电流的函数；m g 是转子重力。令干扰力p ( t ) = 0 ， 聊妥= f m g ( 2 6 ) 仂x = k , x + k l m g ( 2 - 7 ) 对式( 2 4 ) 进行拉氏变换即可得到磁力轴承在一个自由度上以位移x 为输 出，电流i 为输入的传递函数模型为【l 】： g = 器= 上m s 2 - k , ( 2 - 8 ) 其中转子部分的传递函数为 g = 器= 再1 ( 2 - 9 ) 由式( 2 - 8 ) 可看出该对象有两个实数极点，其中一个在正实轴上，另一个 武汉理工大学硕士学位论文 在负实轴上，因而是一个不稳定的二阶对象，只有通过闭环控制才有可能使之 稳定地工作。 从而得到系统的传递函数方框图如图2 。5 所示。位移传感器传递函数g x s ) 、 控制器传递函数g 。p ) 、功率放大器传递函数q ( s ) 。 x 呵 图2 5 采用电流放大器的单自由度磁悬浮轴承系统传递函数框图 2 2 2 磁悬浮转子五自由度数字控制系统设计 刚性转子共有六个自由度：三个平动自由度和三个转动自由度。磁悬浮轴 承控制器控制其中的五个自由度，转子可以绕z 轴自由转动。 做五自由度联合控制时，设定如下条件： 1 、忽略径向自由度与轴向自由度的耦合作用( 研究表明在空载情况下，轴 向自由度与径向自由度的耦合很小) 。 2 、实际径向轴承x 和y 方向的磁极中心线是与水平线成4 5 度角的，转子 的重力影响由两个方向的磁铁承担；另外转子的重力相对于电磁力又很小，因 此忽略转子重力的影响。 3 、电磁力线性化。 对于磁悬浮轴承的数字式控制系统，主要为集中控制和集散控制。 集中式控制系统的设计思想是把整个控制系统当作一个模块设计，以专用 控制芯片为核心，辅以u o 外设，通信模块设计成一个控制系统。它具有功能集 成高，处理集中，实时性较强，便于提高系统的响应速度等优点。集中式控制 系统在磁悬浮轴承中核一t l , 由d s p 处理器组成，d s p 处理器负责信号的采集与处 理，控制算法的实施，输入输出和报警监视处理等。按照集中式方案设计的数 武汉理工人学硕士学位论文 控系统，结构精简，设计较为合理，但从具体的实验效果来看，这种采用单一 控制芯片的设计方案，存在着中心控制芯片的任务过于繁重，从而影响了整个 控制系统的控制效果。尤其对于磁力轴承控制系统这样的多输入多输出的系统， 软件的编写过于复杂，实时效果较差，不能满足系统的快速控制的要求。因此 我们针对磁力轴承的多输入多输出的特点以及快速控制的要求，提出了另一种 控制方案一集散式控制。 本系统采用集散控制器，其集散控制框图如2 - 6 所示。集散式控制系统就是 把原来集中在一块芯片上的控制任务按照一定的任务组合有效的分配到多个控 制点上去，然后把每个控制点的运行情况在一个总的控制系统上监控管理起来， 它的设计体现了“分散控制，集中管理”的原则【2 4 j 。 磁悬浮轴承数字式集散控制器优点如下： 控制任务更细更专。由于原来集中在一块控制芯片上的设计任务被划 分成几块分配给底层控制器( 直接控制输出到执行机构的控制器) ，每 一个底层控制器只负责其中一小部分控制任务，使控制任务变得更细 更专。 算法实施更容易。由于磁悬浮轴控制系统是一个复杂的多输入多输出 的、强耦合的控制系统，它需要一个复杂的控制算法来进行解耦控制， 而如果把这样的复杂控制分成多块控制来实施，原本只能按先后顺序 来进行的控制就可在同一时刻由多块底层控制器来实施，这也给算法 提供了一种解耦的途径，同时在每一个底层控制器上只承担了原来的 一部分控制任务，使得算法实施更容易。 管理更合理，出错几率更小。底层只负责基本简单的控制，上层( 位 于底层之上的控制器) 负责各个底层控制的调度分配与监视，对比集 中控制来说结构分散了，控制出错率减小了。 系统更优化，扩展更方便。各控制层之间以及同一控制层之间的接1 2 1 简单方便，很容易实现软硬件的扩展，这样的设计给调试带来了很多 方便。 集散式控制系统的设计也有其不足之处，主要表现在以下两个方面： 系统庞大不够精简。 接口太多，对信号的传输会造成影响。 武汉理工大学硕十学位论文 接 口 总 线 输 出 接 口 图2 - 6 集散控制系统框图 本系统设计具体如下： 1 、采用三个d s p 芯片分别控制转子的五个自由度，如图2 7 所示，d s p l