（通信与信息系统专业论文）磁悬浮嵌入式控制系统基础理论和关键技术研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 磁力轴承是用电磁力使电机转子悬浮于空间之中，从而实现转子于定子之 间无机械接触的新型轴承。本论文对国内外磁悬浮主轴系统的控制技术进行了 综述，建立了磁悬浮主轴系统的力学和电学数学模型，设计和实现了磁悬浮全 数字硬软件控制系统，并对磁悬浮主轴的控制过程进行了深入分析。根据磁悬 浮系统的特殊要求和实际情况，将磁悬浮控制系统与嵌入式控制技术相结合， 对系统硬件及软件结构进行重新整合和调整，以达到最好的控制效果和最佳的 系统稳定性，并对相关理论算法和系统优化进行测试实验和仿真。 结合磁悬浮主轴控制系统的非线性特点，对相关位置控制算法进行分析， 特别对磁悬浮变步长p i d 控制理论、非线性反演自适应控制理论、单神经元控 制理论进行数学建模和仿真研究。 从硬件和软件两个方面实现了磁悬浮全数字化控制系统，实现了全数字 p w m 恒流控制算法。通过d s p 所特有的p w m 数字信号发生器，完成1 0 路独 立数字功放的信号输出，并结合改进型p i d 控制算法实现恒流控制效果。最后 通过设计的硬件和软件平台对磁悬浮相关控制理论进行深入研究，将改进控制 技术与传统控制手段进行实验比较和分析，从而得出相应的技术改进方案。 在磁悬浮全数字控制硬件平台上，采用不同的控制软件设计方案；实现前 后台的软件设计，给出程序的主要流程；引入c ，c + + 软件框架式编程思想，以 u c o s u 嵌入式实时操作系统作为控制软件基础，完成磁悬浮轴承实时控制系统 的控制模块的建立、任务的优先级分配以及各种功能的实时调度，双处理通讯 和故障诊断等工作。 通过建立的磁轴承硬件系统及试验台，将以上的理论研究和分析进行了静 态、动态单自由度和多自由度实验，得到了较为满意的实验结果。 关键词：磁悬浮；主轴；非线性特性；全数字控制；嵌入式；实时操作系统 武汉理工大学博士学位论文 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 ( a m b ) m a k e sm o o rr o t o rs u s p e n di n s p a c ew i t h o u t a n yt o u c hb ym a g n e t i cf i e l d , s oi t i san e wt y p eo fm e c h a n i c a lb e a r i n gw i t h o u ta n y f r i c t i o n a lf o r c eb e t w e e nr o t o ra n ds t a t o r t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er e c e n ta m b c o n t r o lt e c h n o l o g yf r o mh o m ea n da b r o a d ，s e t su pm e c h a n i c sm o d e la n de l e c t r i c i t y m o d e lo fa m bs y s t e m , d e s i g n sa n da c h i e v e sf u l ld i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n g h a r d w a r ea n ds o r w a r e t 1 l i sp a p e rc a r r i e so u td e e p l ya n a l y s i so fw o r k i n gc o u r s eo f a m bc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt os p e c i a ln e e d sa n da c t u a lc o n d i t i o no fa m b s y s t e m , t h es y s t e m s t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew i l lb e a d j u s t e d a n d c o n f o r m e dt oo b t a i nb e t t e rc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n do p t i m a ls y s t e ms t a b i l i t yb y c o n t r o la l g o r i t h ma n de m b e d d e dt e c h n o l o g y i te m p h a s i z e st or o b u s ta b i l i t ya n d o p t i m i z e st e s t i n ge x p e r i n a e n t s 、i 也n o r m a la l g o r i t h ma n di m p r o v e dw a y s i t i ss t u d i e dt h a tc o r r e s p o n s i v ep o s i t i o nc o n t r o la l g o r i t h mc o m b i n i n gw i t h n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co fa m bc o n t r o ls y s t e m ，s u c ha sc h a n g e s t e pp i d a l g o r i t h m ， n o nl i n e a rb a c ks t e p p i n gt ot h ec o n t r o lo fm a g n e t i c ，s i n g i e - n e r v ec e l lp i ds e l f a d a p t i v ec o n t r o l l e r i ti sr e a l i z e df u l ld i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo fa m b b yh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n d s e tu pf u l l d i g i t a lp w ma m p l i f i e rb yc o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o la l g o r i t h m , s o a c c o m p l i s h1 0w a y sp o w e ro u t p u tb yp w ms i g m ds o u r c eo fd s eb yh a r d w a r ea n d s o f t w a r ep l a t f o r m ，c o r r e s p o n s i v ec o n t r o lt h e o r yo fa m b s y s t e mi sd e e p l yr e s e a r c h e d c o m p a r i n g w i t hi m p r o v e d w a y s ，a n dg e t b e t t e rt e c h n i q u ep r o j e c t b ya m bh a r d w a r ep l a t f o r mo ff u l ld i g i t a lc o n t r o l l e r , d i f f e r e n tc o n t r o ls o f t w a r e w a y sa r ca d o p t e d ：f o r m e r - b a c ks o f t w a r ed e s i g n , m a i nf l o wi sg i v e n ；p r o g r a m m e di d e a i si n d u c t e d b yo c + + s o f t w a r e b a s e do nu c o s i ir t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o n s y s t e m ) ，e v e r ys t e pi sa c h i e v e ds u c ha sc o n t r o lm o d u l e t a s kp r ia s s i g n , r e a lt i m e a t t e m p t e r , d o u b l ec o m m u n i c a t i o nd i s p o s a la n df a u l td i a g n o s i s o nt h et e s tp l a t f o r mo fa m bh a r d w a r es y s t e m ，i ti so b t a i n e ds a t i s f i e dr e s u l ti n o l l e f r e e d o ma n df i v e f r e e d o me x p e r i m e n t sb ya b o v em s e a r c ha n d a n a l y s i s k e yw o r d s ：m a g n e t i cs u s p e n s i o n ；a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ( a m b ) ； n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c ；f u l l d i g i t a lc o n t r o l ；e m b e d d e ds y s t e m ； r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) n 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的成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构学位证书而使用过的材 料。与我一起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：，雒日期：! z ：堕 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、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：型 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 磁悬浮主轴控制系统及其发展历程 磁悬浮技术的发展始于上世纪，恩休发现了抗磁物体可以在磁场中自由悬 浮，此现象于1 9 3 9 年由布郎贝克进行了严格的理论证明。在以后的科学研究又 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。至此，磁悬浮理论己经发展得较为完善了，但是它的实际 应用研究直到最近二十年才广泛开展【旧。 1 1 1 磁悬浮轴承的概述 磁力轴承是用电磁力使电机转子悬浮于空间之中，从而实现转子于定子之 间无机械接触的新型轴承。与传统机械轴承相比，磁力轴承有着无可比拟的优 点：无机械摩擦和磨损，支撑的转子转速可以很高，旋转损耗低，无需润滑而 无污染，可在真空或极端温度条件下工作以及使用寿命长等。不仅如此，其从 应用功能上也拓宽了许多，它不仅起着一般的支承作用，而且在机器中可以作 为一种柔性诊断和检测设备，轴承力及转子振幅的变化都能从磁力轴承控制设 备中监测到p 4 j 。 由于磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、高速度、高精度、 寿命长等一系列优良品质，从根本上改变了传统的支撑模式，在能源交通、航 空航天、机械工业及机器人等高科技领域具有广泛的应用前景。磁力轴承的这 些特点使得其特别适用于高速、真空和超净等特殊环境，其已在真空分子泵、 减震器、储能飞轮、高速机床、速率陀螺和航天等领域显示出了十分良好的应 用前景。目前，国际上对磁悬浮轴承的研究工作和学术气氛相当活跃。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。此后该会议每两年召开一次， 到目前共举行了九届。每次会议都有大量关于磁悬浮轴承研究的论文发表，极 大推动了磁悬浮轴承应用的研究。此外，美国、法国、瑞士、日本和我国都在 大力支持开展磁轴承的研究与应用工作，国际上的这些努力大大推动了磁轴承 在工业中的广泛应用【1 1 2 0 】。 武汉理工大学博士学位论文 经过3 0 多年的发展，磁悬浮主轴在国外的应用场合越来越大。从应用角度 看，在高速旋转和相关高精度的应用场合磁悬浮轴承具有极大的优势，并逐渐 成为应用研究的主流。磁悬浮将在今后的一段时间得到更为广泛的发展，它呈 现了以下几个面的发展趋势f 2 l ： 1 自检测磁悬浮轴承的研究。这种轴承用参数估计位移取代了价格昂贵、 安装体积大的位移传感器，可以大大节约制造成本，因此在工业应用上具有很 大的应用前景。 2 超导磁悬浮轴承的研究。这种轴承的体积很小，却有很大的承载能力。 这方面的研究进展在很大程度上依赖高温超导材料的进展。 3 各种先进的控制器和功率放大器的研究。磁悬浮轴承的动态特性，在很 大程度上取决于控制器和功率放大器的性能。 4 磁悬浮轴承的推广应用。将磁悬浮轴承广泛应用于工业设备，一直是研 究人员最终追求的目标。 磁悬浮轴承按照磁力的提供方式可分为如下三大类睁l o 】： ( 1 ) 有源磁轴承，也称为主动磁轴承，磁场是可控的，通过检测被悬浮转 子的位置，由控制系统进行主动控制实现转子悬浮。 ( 2 ) 无源磁轴承，也称为被动磁轴承，磁场是不可控的，以永磁体或超导 体实现对转子部分自由度的支承。 ( 3 ) 混合磁轴承( 永磁偏置) ，其机械结构中包含了电磁铁和永磁体或超导 体，由永久磁铁和电磁铁共同提供磁力。 主动磁悬浮轴承是通过控制电磁力作用将转子悬浮于空间使转子与定子 之间实现无接触支承的一种新型高性能轴承。通常有源磁轴承系统由转子、传 感器，功率放大器和定子电磁铁等组成。由于主动磁悬浮轴承具有转子位置、 轴承刚度和阻尼可由控制系统确定等优点，所以在磁悬浮应用领域中，主动磁 悬浮轴承得到了最为广泛的应用，对它的研究一直是磁悬浮技术研究的重点， 经过多年的努力，其设计理论和方法已经日趋成熟。 1 1 2 磁悬浮轴承控制系统的工作原理 磁悬浮轴承控制器的设计是主动磁轴承系统的核心关键技术，磁悬浮系统 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效果。采用 性能优良的控制器可以使磁轴承动态刚度、阻尼与其工作环境甚至是运行状态 武汉理工大学博士学位论文 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。主动磁悬浮轴承其机械力是主动可控的，轴承的主要性能如刚度、 阻尼、转子定位及不平衡响应均取决于控制器，而控制器所要实现的控制作用 是定子与转子间相互作用实现的。 图1 1 表明了一个主动磁轴承系统的组成部分及其工作原理。传感器检测出 转子偏离参考点的位移后，作为控制器的微处理器将检测到的位移变换成控制 信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成可控制电流，控制电流在执行电 磁铁中产生磁力从而使转子维持其稳定悬浮位置不变。悬浮系统的刚度、阻尼 以及稳定性由控制系统决定。电磁铁安装在定子上，转子悬浮在按径向对称放 置的电磁铁所产生的磁场中，每个电磁铁上都装有一个或多个传感器，以连续 监测转轴的位置变化情况。从传感器中输出的信号，借助于电子控制系统，校 正通过电磁铁的电流，从而控制电磁铁的吸引力，使转轴在稳定平衡状态下运 转，并达到一定的精度要求【2 ”0 j 。 电子控制部分 机械部分 ，一厂。_ 、 图1 - 1 磁悬浮轴承工作原理 近年来，磁悬浮控制方法的研究可归纳为以下几种： ( 1 ) 平衡控制方法 转子因不平衡而在旋转过程中产生与转速同频率的涡动，并会引起基座的 振动。该方法的目的就是消除不平衡的影响，方法有三种，一是基于观测器的 方法，通过观测器来估计转子的不平衡特性，将其当作外扰力或传感器的误差 信号来处理，通过适当的方法消除不平衡的影响；二是自动平衡法，在控制环 节中加入一个与转速同频率的陷波器，使电磁轴承在该频率处的刚度大大降低； 三是周期学习控制方法，它是一种基于内模的控制方法，原理是应用反传递函 武汉理工大学博士学位论文 数补偿法计算出补偿信号并加入反馈控制回路中，控制目标是使线圈电流的波 动趋于零。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 智能控制方法 智能控制方法是指基于在线学习和辩识的控制方法，如模糊控制、神经网 络控制等，特点是被控系统可当作“黑箱”来处理，不需要先验知识，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。 ( 4 ) 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 及外界扰动具有一定的抵抗力。主要方法有自适应演化控制和滑模变结构控制等。 1 1 3 国内外磁轴承主轴控制技术概况 主动磁悬浮轴承在研究领域以及空间技术、仪器仪表、物理学研究、振动 控制、加工机械、透平机械及特殊要求的领域都得到了应用。目前国际上对悬 浮磁轴承的研究主要集中在各种新结构的电磁轴承、高性能电磁轴承的控制器、 高效功率放大器、电磁轴承的建模等方面口1 - ”j 。国际上，磁悬浮主轴控制系统采 用的传统控制技术是位置信号采集+ 数字控制+ 输出驱动功率放大器的方式。图1 2 是韩国汉阳大学所设计的磁悬浮系统实物图。 图l 一2 韩国汉阳大学磁悬浮系统实物照片 该系统通过激光测距仪将位置采样值反馈到数字p i d 控制器，数字p i d 控 制器是一个基于t m s 3 2 0 c 2 0 6d s p 的控制系统，算法输出后驱动功率放大器。 功率放大器是一个电流反馈环，跟踪线圈电流，始终保持磁线圈电流等于控制 4 武汉理工大学博士学位论文 器器输出的给定值。该数字控制系统是基于1 1 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 6 ( 处理速度 为2 0 m h z ) 设计的。因为该芯片内部不带a d c 模块，所以采用专门的，d 采集 卡来进行采样( 1 2 位精度) 。此外，主轴位置检测系统是采用激光测距系统，位移 定位精度达到o 1 n m 级。功率放大系统仍采用改进的桥式电路，最大输出电流 可达5 a ，纹波翊2 m a ，性能优良。该系统控制算法也主要是采用基于p i d 控制 策略的相关改进算法，实践已经证明p i d 算法仍然能保证优良的控制效果，而 且其实现也相对容易。但是该系统也明显也有许多不足之处：系统控制单元过 于复杂，d s p 处理速度很慢，多控制环节功能整合度较低；系统可靠性，稳定 性对环境因素和测试手段要求很高，而且系统制造成本昂贵，不适于产业化推 广和使用。 近几年，国外许多公司，如哈伯曼和s 2 m 公司，已有了商品化的磁悬浮主 轴产品。例如，瑞士主轴制造商i b a g 公司生产有内装高频电机的新型主轴 ( h f 2 0 0 m a ) 产品处于世界磁悬浮主轴产品的领先地位。该电气控制柜由交流变频 器，电气保护开关、空调冷却系统和系统集成控制单元( 含d s p 控制模块、电 流传感器模块、电压传感器模块、系统稳压模块等) 等组成，该系统布局合理， 稳定可靠、调试方便，代表了世界磁悬浮主轴控制系统的发展方向。 国内对磁力轴承的研究开发起步较晚。1 9 8 2 年，上海微电机研究所曾研究 用于电动机床上的磁悬浮轴承，但由于径向采用无源悬浮，刚度及承载力很小， 不宜在机床中应用。哈尔滨工业大学对磁力轴承的主轴部件的结构进行了优化 设计，并利用模拟电子器件实现了五自由度全悬浮控制。西安交通大学润滑理 论及轴承研究所于八十年代初期开始磁轴承研究。对磁轴承物理模型的降阶及 非线性改善作了理论探讨。用根轨迹法设计了模拟控制器，实现了五自由度悬 浮。进入九十年代，轴承所研制出了差动电感式位传感器，并用数字控制设计 控制器。清华大学工程物理系从事磁悬浮轴承研究，9 4 年实现了模拟控制器的 五自由悬浮，9 7 年采用数字控制器实现了五自由度稳定悬浮，在高速内圆磨电 主轴承的应用作了初步的探索。从1 9 9 3 年起，磁悬浮主轴的研究目前已实现分 离式的五自由度主轴控制。 1 2 课题的研究意义及来源 磁悬浮轴承控制系统是一个典型的多输入多输出( m i m o ) 机电一体化系统。 在控制系统的设计中要考虑到它的机械，转子动力学、电磁特性，而且还要重 武汉理工大学博士学位论文 视该系统具有较强的耦合、振动等非线性因素。位置控制器是磁悬浮轴承系统 的关键，传统的反馈控制系统通常采用经典p i d 控制器。该控制器结构简单、 易于调节、可靠性好。但是，随着电磁轴承转速的不断提高和运行工况的不断 复杂，简单的p i d 控制器己越来越不能满足工程应用的需要。随着高速的数字 控制器出现，许多复杂的控制算法能够得以实现。但是目前无论是在国内，还 是国外，真正用在电磁轴承控制系统中的控制策略大部分还是采用p i d 控制方 式。控制器模型主要是基于经典p i d 控制器模型的一些改正，很难完全满足电 磁主轴承系统对控制器的要求。 目前广泛使用的模拟控制器虽然在一定的程度上满足了磁悬浮轴承系统的 性能，但存在参数调整不方便、硬件结构不易改变等缺点。采用模拟器件实现 一些智能控制策略，如最优控制、非线性控制更加困难甚至不可能( 3 5 - 3 s 】。 由于模拟控制系统存在着诸多问题，目前一些先进的控制算法不断出现， 以及功能强大、性能优越的数控芯片的不断问世，数字控制器逐渐发挥出了其 应有的优势，逐渐取代模拟控制器，广泛应用在磁力轴承控制系统中。目前， 国际上已有采用模拟元件控制的成熟磁悬浮主轴系统，但作为高精度、高稳定 性等较高性能磁轴承应用场合，数字控制电主轴仍是其主导发展方向。随着处 理器技术的发展，使得大多数实际应用中数字控制都显现出以下特点： ( 1 ) 由于处理器的运算速度越来越快，数字控制能够建立复杂的控制算法， 并实现复杂的控制功能。 ( 2 ) 在控制系统的开发阶段，数字控制易于进行各种可能控制策略的实验， 尽管有些策略采取模拟控制也同样能够实现，但数字控制可使专用硬件的数目 大为减少。 ( 3 ) 数字控制系统能够进行在线监测，对载荷、位移、振动、轴承电流及 其它运行工况可以显示、记录及远距离传输。 ( 4 ) 数字控制系统对意外和紧急情况，以及相应的安全问题可作出智能反 应。 ( 5 ) 数字系统的更新换代由于常常只涉及到软件而更为容易。 在磁悬浮轴承系统中，系统的可靠性、稳定性是靠控制器实现。因此系统 控制器的设计就显得非常的重要，一个好的控制器不仅能够实现系统的稳定， 而且可以得到较好的系统性能。众所周知，模拟控制器虽然成本比较低，但有 很多不足之处：参数调节很不方便，很难实现复杂的控制算法等。数字控制系统 6 武汉理工大学博士学位论文 的磁力轴承系统比模拟系统具有以下优点： ( 1 ) 数字控制系统可实现复杂的控制算法，修改控制器参数方便，无需改 变控制器的硬件，只要改变软件，就在轴承工作时可在线地改变控制器参数。 ( 2 ) 数字控制器的特性稳定，没有模拟控制器由于元器件老化和零漂、温 漂等带来的不良影响，因而极大地提高了有源磁悬浮轴承系统的性能。 与模拟控制系统相比，数字控制虽然前期投入稍多，但数字控制器开发成 功后，后续改进和研究工作仅仅是软件的编程，所以非常适于向模块化发展。 在研究过程中，得到以下科研项目的支撑： ( 1 ) 国家重大基础研究项目前期专项( 9 7 3 ) “磁悬浮硬盘光盘转子机电耦合 动力学研究”； ( 2 ) 教育部重点科研攻关项目“微型磁悬浮转子机电耦合动力研究”； ( 3 ) 湖北省数字制造重点实验室开放基金项目“磁悬浮全数字控制系统研究 ( s z 0 4 1 2 ) * 。 1 3 论文的主要工作及研究内容 目前磁悬浮轴承控制系统还存在着许多不足：多数磁悬浮轴承控制器的设 计都是基于平衡点线性化方法，控制规律采用p i d 调节，对于磁轴承非线性问 题缺乏合适的解决办法，因此磁轴承的稳定性、可重复性以及在高速下的位置 控制精度均不够理想。采用模拟p i d 控制的磁轴承系统、精度差、抗干扰能力 弱，而目前采用数字控制的磁轴承系统普遍结构复杂，体积较大，灵活性差， 价格极其昂贵，难以满足一般工业应用，更谈不上产品的更新、升级。由于磁 悬浮轴承独特的结构，目前还没有一种较为通用的设计方法来解决这些问题。 因此，如何获得符合实际工况的磁轴承非线性模型，设计高效、灵活的非线性 控制系统有待深入研究1 3 9 1 。 针对以上磁轴承存在的问题，在相关科研项目的支撑下，从磁悬浮相关控 制模型的分析、相关数字控制理论及算法实现和磁悬浮嵌入式控制系统的设计 等三个方面展开研究： 1 关于磁悬浮主轴控制系统相关理论的分析和建模 ( 1 ) 由于主轴电控系统是一个多自由度、含非线性环节的复杂系统，受到诸 如控制电流与力的非线性关系、电子线路的饱和、各自由度的耦合等影响，所 7 武汉理工大学博士学位论文 以需要对磁悬浮主轴控制系统非线性体系结构进行深入研究，拟从机械、电学 等方面对磁悬浮控制系统进行数学模型分析； ( 2 ) 以现代控制理论为基础，结合磁悬浮主轴控制系统的非线性特点，对相 关位置控制算法进行分析，特别对变步长p i d 控制理论、非线性反演自适应控制 理论、单神经控制及自适应控制理论进行数学建模和仿真分析； ( 3 ) 结合磁悬浮主轴的多输入多输出特点，对磁悬浮主轴控制系统的滤波技 术、测量技术的难点进行分析和改进，结合各模拟及数字环节相关特点对滤波、 测量理论和算法进行比较和理论分析，得出分析仿真结果。 2 对于磁悬浮主轴数字控制技术的进一步分析和研究 ( 1 ) 提出磁悬浮功率放大系统与位置控制系统的全数字化设计方案，并从硬 件和软件两个方面进行实现，通过设计的硬件和软件平台对磁悬浮相关控制理 论进行深入研究，将改进控制技术与传统控制手段进行实验比较和分析，从而 得出相应的技术改进方案； ( 2 ) 嵌入式控制技术具有结构简单，稳定性好、程序代码精练等特点，受到 广泛的关注并得到较快的发展。根据磁悬浮系统的特殊要求和实际情况，将磁 悬浮控制系统与嵌入式控制技术相结合，对系统硬件及软件结构进行重新整合 和调整，以达到最好的控制效果和最佳的系统稳定性，着重进行常见算法的鲁 棒性和系统优化测试实验； ( 3 ) 目前传统的双闭环控制模式已经得到了广泛的认可和采用，对双闭环控 制结构的协调性和鲁棒性分析一直是研究的热点和难点，结合磁悬浮主轴实际 控制规律、机械特性，对磁悬浮双闭环控制技术的改进，对双环控制中数据信 号传输的协调性和实时性问题进行完善，以取得较好的控制效果。 3 基于嵌入式实时操作系统的磁悬浮主轴控制系统软件设计 在磁悬浮全数字控制硬件平台上，采用不同的控制软件设计方案：实现前 后台的软件设计，给出程序的主要流程；引入c c + + 软件框架式编程思想，以 u c o s i i 嵌入式实时操作系统作为控制软件基础，完成磁悬浮轴承实时控制系统 的控制模块的建立、任务的优先级分配以及各种功能的实时调度等工作，主要 包括以下几个方面： ( 1 ) 对磁悬浮数字功率放大系统的进行嵌入式软件设计，它包括：对反馈信 号的滤波算法改进：在功率放大器开关过程中，对于电流反馈的电压而言，带 有高频噪声和系统噪声等，严重影响控制算法的精度，需要进行滤波处理。主 8 武汉理工大学博士学位论文 要采用硬件低通滤波器和d s p 滤波算法两种方式，以达到最好的恒流控制效果。 p w i v l 恒流控制算法的实现：通过d s p 所特有的p w m 数字信号发生器，完成1 0 路 独立数字功放的信号输出，并结合改进型p i d 控制算法实现恒流控制效果： ( 2 ) 结合系统鲁棒控制器和数字控制器设计的具体方案，针对机械系统的延 时特性和响应特性，对磁悬浮控制系统稳定性和鲁棒性进行分析，特别分别对 电涡流位置传感器，功率放大系统和主轴位置控制系统等关键部分稳定性进行 分析，采用多级调节，分次补偿等方法提高系统各部分的控制控制精度和响应 速度； ( 3 ) 由于磁悬浮主轴系统在工作时受到各种磁场干扰、信号噪声和工频冲击 等，所以必须减少控制系统整体故障率，对系统故障诊断的准确性和快速性的 要求尤为重要。通过系统故障诊断技术及专家识别控制技术，结合u c o s l l 嵌入 式控制系统和s o p c 系统设计方案，对采样信号和故障信号的逻辑判断和校正以 提高磁悬浮系统的稳定性和可靠性。 全文共有7 章：第l 章是绪论部分：第2 章从力学、电学、控制学等方面 对磁悬浮主轴系统进行分析和建模；第3 章对于全数字化磁悬浮主轴控制系统 各个关键部分的控制理论及控制算法进行优化设计和仿真分析：第4 章提出了 全数字化磁悬浮主轴控制系统的体系结构；第5 章对于全数字化磁悬浮主轴控 制系统的硬件结构上进行了设计和分析；第6 章对于全数字化磁悬浮主轴的嵌 入式控制系统软件进行设计和实现；第7 章总结主要总结研究工作和创新点以 及对今后工作的设想与安排。 9 武汉理工大学博士学位论文 第2 章磁悬浮主轴控制系统的理论模型及原理分析 一个完整的磁悬浮主轴单元具有五个自由度：一个轴向移动自由度，转子 两端各有两个正交的径向移动自由度在这五个自由度中，径向与轴向移动自由 度相互独立，四个径向自由度之间会有互相交叉的耦合项，通过解耦之后，可 以对五个自由度分别进行独立的控制，即对每一个自由度有一路独立的反馈控 制。磁悬浮主轴在每个自由度上的工作原理基本一致，现以单自由度磁悬浮系 统说明其工作原理，如图2 1 所示【加j 。 图2 1 单自由度控制系统原理图 主动磁力轴承主要由电磁铁、转子、转子位置传感器、位置控制器和功率 放大器等五个部分组成( 对于数字控制系统还包括a d 和d a 转换器) 。图2 1 中，x 。为位置控制器的给定值；f 为输入电磁铁线圈的实际电流：f 为作用 于转子上的电磁力；x 为转子的实际位置。功率放大器接受来自位置控制器的电 流指令，并使得流过电磁铁的电流随着位置控制器指令变化。通过位置传感器 的反馈作用，使转子稳定地悬浮在与x 。相对应的位置上。本章首先对磁悬浮机 械部分( 定转子) 建立力学模型，对电磁铁( 线圈) 建立电学模型分析，然后 从单自由度和五自由度两方面建立磁悬浮转子控制的数学模型，最后对磁悬浮 轴承系统建立整体控制模型并进行分析。 2 1 磁悬浮主轴结构设计与分析 主动磁力轴承利用可控电磁力将转轴悬浮起来，它主要由转子、电磁铁、 传感器、控制器和功率放大器等组成。电磁铁安装在定子上，转子悬浮在按径 向对称放置的电磁铁所产生的磁场中，每个电磁铁上都装有一个或多个传感器， 以连续监测转轴的位置变化情况。从传感器中输出的信号，借助于实时控制系 统，校正通过电磁铁的电流，从而控制电磁铁的吸引力，使转轴在稳定平衡状 1 0 武汉理工大学博士学位论文 态下运转，并达到一定的精度要求，其一般结构如图2 2 所示。 1 、前辅助轴承2 、径自传岳嚣3 、前径自磁力轴承4 、轴自磁力轴承 5 、电机 6 壳体 7 、转子系统8 、后径向磁力轴承 9 、后辅助轴承1 0 、冷却水管l l 、轴自传盛嚣 图2 2 磁悬浮轴承结构示意图 径向轴承由定子( 电磁铁) 、转子构成、轴向轴承由定子( 电磁铁) 和推力 盘构成。为克服涡流损耗，定子及转子( 轴颈部分) 套环均采用冲片叠成，磁 极数可以是8 极、1 6 极或者更多。 依据结构优化理论设计的基于磨削电主轴的磁悬浮轴承包括前端径向磁轴 承、后端径向磁轴承及位于后端的由推力盘及轴向定子电磁铁构成的轴向磁轴 承，中间安装有可变频调速的异步电机。径向及轴向轴承控制线圈分别根据各 自的位置传感器动态的控制主轴转子与定子间的气隙大小。在前后端盖出设计 有辅助保护轴承而且辅助轴承与转子气隙小于磁轴承及电机定子间气隙，当掉电或 控制系统失控时保护轴承支承高速旋转转子防止与电机定子及磁轴承定子相撞。 磁力轴承按其结构从控制系统的要求分析，宜采用图2 - - 3 a 和图2 - 3 b 的分 开结构，它可以减少径、轴向之间的干扰。目前国外采用得较多的也是这种结 构，因此着重讨论这种轴承的结构设计。 子定 转子 ( a ) 径向轴承( b ) 轴向轴承 图2 3 主动磁力轴承组成部分示意图 武汉理工大学博士学位论文 轴向磁力轴承的结构尺寸如图2 - - 4 所示，从图中可知，只要尺寸d o 、口。、 口2 、码、b 、c 确定了，结构唯一确定并对参数进行如下推导： 考察图2 3 b 的磁路为了简化计算，不妨作如下假设： ( 1 ) 定子、转子和气隙磁场是均匀分布的； ( 2 ) 不考虑漏磁和磁滞的影响，按基本磁化曲线计算。 _ 一 舅i f l 形i f i , a 2 阐形 c ， ，t 一 j 。j 。? a 3 彩 ， ， f 缶 ，f e e e 彩乡, 梦i - 蟛e e - ，二，二，7 l ；： ：i 图2 4 轴向磁力轴承结构计算图 以上假设当定子与转子问的气隙( x 。) i i t 4 , 时能够很好地满足。根据麦克 斯吸引力公式，轴承承载力： f = e 一，2 = 生爵 ( 2 1 ) a l ，a 2 为定子吸力面积，因为轴承定子对称，故有a 1 = _ 2 ，显然，b i = b s ， b 2 = d 承载力最大，即： = 生霹 ( 2 2 ) 胁 其中b s 为磁性材料的饱和磁感应强度。 根据安培环路定律，对图2 - - 4 的磁链路方程有： m = 所= 峨+ 且t + 马如2 岛等+ 且去+ 岛去 。：一， 加。击柚去柚：去 因为忽略漏磁，所以有。= l = m 2 。又因为l ) o ，2 o ，a = a l ， 所以： 1 2 武汉理工大学博士学位论文 上 量上 且。 l a l0 4 2 a 2a o 厶7 故有n i 2 , 0 中o , u o a l = 2 x o b o 胁 ( 2 4 ) 为了充分利用材料，应使b 0 接近b s ，即选择m ，使得m z2 。置a o ，而： n i = 肌， ( 2 5 ) 其中，a s 为线圈腔的面积，kj 为常数，由公式( 2 5 ) 可知，最大承载 能力e 。与磁极面积爿，和线圈腔横截面积一_ 成正比。为了提高承载能力，可以 把爿j ，一_ 都提高。然而在磁性材料总体积一定的条件下，增大一，势必减小线圈 腔a n 的面积，反之亦然，这里就存在着一个最佳值。若设p k 为磁铁的总体、 ，k 为线圈的总体积、丫f 。为磁铁比重，丫n 为线圈比重，则轴承的总重量为： g = ，r y k + y m y r ( 2 6 ) 轴承的优化问题可归结为： ( 1 ) 在保证获得最大承载力的情况下，使所需的磁铁线圈最少，即： m i n f ( x ) = g = f y f ，+ 7 n ， “名彳；，2 ，b 4 l 4 ，：一f = 0 ， ( 2 7 ) 怂n j “o i 2 m bss 0 ( 2 ) 在轴承总体积一定的情况下，使其承载能力最大，即： m i n f ( x ) = 一k = 一名名咖。a i1 4 ，：， s t ，y f c y & + y n 7 n g = o ， 州舡o 2 ，o 一只0 ( 2 8 ) 显然，只要将式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 中的a i ，a ，用图2 4 中的尺寸表达出来， 就可以用优化方法来求解结构尺寸了，为了减少优化变量的数目，使优化简单 化，可取图2 - - 4 中的a = 口：= 吗= 口。而因为d o 通常是由主轴结构设计所确定 的，故轴向磁力轴承的优化参数可归为a 、b 、c ，由图2 5 可推出： a l ：2 z a 2 ( 2 口+ d 0 + c ) ，( 2 - - 9 ) a = b c 从数学模型来看，磁力轴承结构优化属于有约束优化，但含有等式和不等 式约束，故采用混合惩罚函数法求解。 武汉理工大学博士学位论文 图2 - - 5 径向磁力轴承结构计算图 径向磁力轴承的结构设计，也可以按公式( 2 - - 7 ) 、( 2 - - 8 ) 来进行优化， 径向磁力轴承的结构如图2 - - 5 所示，图中，对八极结构而言，a = x 8 ，轴承 内径d o 由主轴设计时确定，因而只有b 、0 是可变的，此时 铲肛= f 2 ( 三d o d o ) l s i n o = j 1d o l 【c o s ( 詈一争c o s ( 等+ 争( 2 - - 1 0 ) a , v = h i ( d o + 2 ，o + 啪詈一( d o + 2 y o ) 乜n 号 ( 2 1 1 ) 其中。l 为轴承宽度；d o 为径向轴承处主轴轴径；a 】为磁极面积在y 方面 的投影。 2 2 磁悬浮电学模型的建立 系统的电学方程是指电磁铁线圈的端电压或线圈中的电流信号与控制器的 输出信号之间的平衡关系方程。 ( a ) 双线圈结构( b ) 单线圈结构 图2 6 电磁线圈结构图 1 4 武汉理工大学博士学位论文 蚝= m + = 2 j c 矗+ 盟d t + 等 ( 2 _ 1 2 ) ：u 万s n - 2 ( 2 - 1 5 )o 一f 驴2 渺? 毋+ 糟+ 亿 硒蹦瓦+ i 南1 之 公式( 2 1 6 ) 中一= 等是控制线圈与偏磁线圈的匝数比。 武汉理工大学博士学位论文 若功放的输入电压为u 。，且增益系数为入，则有： 2 z 址 ( 2 1 8 ) 等t t 一华格+ 格m + 协 趔+ 上1 。 2 岛一xc o + x 4 吒刮l 叫2 = 2 吣警+ 誓 ( 2 - 2 0 ) 三：丛婴 ( 2 2 0 ) 吒：2 之月一p o s - n 2 ( 2 2 1 ) 一弘华r 格+ 格 + 华亡+ 去k ( 2 - 2 2 ) 1 6 武汉理工大学博士学位论文 = 旯玑( 2 - 2 4 ) 则公式( 2 - 2 4 ) 写为： 以咄r 一华c 格+ 格 + 沼：， z o s n 2 士+ 南。之2 岛一x 岛+ x 。 可以看出，对于图2 - - 4 a 所示的双线结构和2 4 b 所示的单线结构有相同的 电压平衡方程式。公式( 2 1 9 ) 和公式( 2 2 5 ) 表明了电磁轴承电磁铁线圈中电 流t 与功放的输入电压之间的非线性关系。若功放电路为电压电流型，其传递 函数与负载的特性无关，则可使功放的输出电流与输入电压以成线性关系： 之=名魄(2-26) 这时对于正弦信号，输出电路中各个电压值之间满足相量平衡关系，而不 是电压绝对值的相加关系。 2 3 电磁铁控制的数学模型 2 3 1 单自由度磁悬浮轴承的数学模型及分析 图2 7 单自由度磁悬浮控制系统模型 单自由度磁悬浮系统数学模型是轴向磁力轴承、在一定的条件下也是径向 磁力轴承控制的基础。为了简单起见，首先讨论单自由度磁悬浮控制系统的数 学模型。将磁力轴承力学模型加上闭环控制系统，就构成了单自由度磁悬浮控 制系统模型。 不失一般性，图中的下部可运动磁铁代表磁力轴承转子铁芯，电磁铁定子 1 7 武汉理工大学博士学位论文 铁芯代表磁力轴承定子铁芯。设转子铁芯与定子铁芯的偏置距离为，取位移 x 轴方向如图2 - - 7 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i 帅】。 根据牛顿第二定律，转子铁芯的受力关系如下： ，( f ) + f m g = m 兰善 ( 2 2 7 ) 式中p o ) 为在x 方向的外界干扰力，它是时间的函数：f 是磁力轴承定子产 生的电磁力，它是位移与电流的函数；m g 是转子重力。将磁力轴承电磁力公式 代入上式，整理得： 所筹一七善+ m g = p ( f ) (228)dt z 工z 显然，磁力轴承数学模型为一个2 次非线性微分方程。而非线性控制无论 在理论上还是在实践中，都还没有得到很好的解决。因此，工程控制系统一般 采用线性控制理论。磁力轴承尽管有很多非线性控制方法，但是实际控制系统 主要还是以线性控制系统为主。因此，为了便于磁力轴承控制系统的设计与分 析，有必要将磁力轴承电磁力公式进行线性化p 划。 磁力轴承电磁力是气隙与线圈电流的函数，写成如下形式： i 2 f ( i ，z ) = k - 5 ( 2 2 9 ) 磁力轴承电磁力是一个关于电流与位移的二元函数。为了将上式线性化， 将公式( 2 2 1 ) 在点i = i o ，工= x o 的邻域内，按照二元函数的泰勒级数展开为： 州加f ( i o ) + 掣”咖掣( z x o ) + 壶【旦：2 等型( f 一乇) z + 里：掣( f f 0 ) ( z 一) + 旦：2 羞i 掣( 工一) 2 + 2 3 。 当i 、x 在变化时，取其线性项所带来的误差可以忽略不计，即 m 咖f ( i o 川+ 掣”i ：0 ) + 竽”而) 对公式( 2 2 9 ) 求偏导得： 掣一一z 七； 掣瑙专 a x工 d lx 。 因此，有： 武汉理工大学博士学位论文 丁骂产卅七乓x 0 一警2 “， 3 1 一， 一 a 工 石； 4 ( 2 1 l 掣一专= 等争吐 d l x i上x i ( 2 - - 3 1 ) 式中t 称为磁力轴承的位移系数，前面的负号表明位移与力的变 化相反，即位移减小，力必然增大；置称为磁力轴承的电流系数。当结构参数一 定，定子线圈的静态工作点确定之后，式中七。