（机械设计及理论专业论文）基于f2812+dsp的磁悬浮轴承系统数字控制器的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本论文采用美国t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司的c 2 0 0 0 系列产品中目前最 新、运算速度最快的定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为磁悬浮轴承系统数字控制 器的c p u ，应用模拟多路开关实现了磁悬浮轴承5 路位移传感器信号的采集。用 c 语言和汇编语言混合编写了磁悬浮轴承数字控制器的软件。围绕f 2 8 1 2d s p 设 计了磁悬浮轴承控制器的硬件电路，用c p l d 逻辑控制实现了d s p 对8 路d a 的 操作。 本文在实验室磁悬浮轴承系统上进行实验研究，采用p i d 控制算法，其中 的四个径向自由度由本文设计的数字控制器控制，轴向自由度由模拟控制器控 制。五个自由度的位移信号采用1 0 个涡流传感器的差动方式来测量，功率放大 器采用的是开关功率放大器。应用本文研究的控制器成功地将试验转子系统实 现了静态悬浮和动态悬浮，最高转速达到1 5 0 0 0 r m i n 。静态和动态悬浮试验结 果表明设计的磁悬浮轴承系统控制器稳定性好、重复性好，其控制精度达到了 预期的效果。 关键诃：主动磁悬浮轴承、d s p 数字控制器、p i d 控制、f 2 8 1 2 、稳定悬浮 苎三璧! ! ! 堕! 堕壁垄竖塾至墨竺墼兰鳖型墨堕旦茎 一 a b s 仃a c t b e i n gt h en e w e s t ，f a s t e s t d s po ft i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) c o m p a n y sc 2 0 0 0 p r o d u c tp i p e l i n et h i sy e a r s ，t h ep i e c eo f d s p c h i p ：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2i s u s e di nt h i s t h e s i sa st h em a i nc p uo fo u rd i g i t a lc o n t r o l l e ro f a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ( a m b ) ， i nw h i c ha n a l o gm u xi ss e r v e df o rt h es i g n a ls a m p l i n go f5 - c h a n n e ld i s p l a c e m e n t s e n s o r s ad i g i t a lc o n t r o ls o f t w a r ew a sd e v e l o p e dw i t ht h ee m b e d e dca s s e m b l e d w i t hd s p a s s e m b l yl a n g u a g e t h eh a r d w a r e o ft h ed i g i t a lc o n 仃o h e ri sd e s i g n e dw i t h f 2 8 1 2i nw h i c hc p l di su s e df o rt h ec o n 订o lo f t h ed s p o nt h ed ac o n v e r t e r p r o v i d e dw i t hp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，t h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ti nt h ea m b s y s t e m ，i nw h i c h t h ed i g i t a lc o n t r o l l e ri su s e df o rt h ef o u rd e g r e er a d i a lf r e e d o ma n da a n a l o gc o n t r o l l e rf o r 也ea x i a lf r e e d o m t e ne d d yc u r r e n ts e n s o r sa r eu s e df o rt h e d e t e c t i o no fr o t o rd i s p l a c e m e n ts i g n a la n ds w i t c hp o w e ra m p l i f i e ri su s e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h ef i v e d e g r e ef r e e d o mm a g n e t i cr o t o rc a nb es t a b l y s u s p e n d e da n dr o t a t e da th i 曲s p e e d ( t h i sa m b e x p e r i m e n tf l a tc a nr o t a t e ds t a b l y 1 5 ，0 0 0r o u n d sp e rm i n u t e ) t h es t a b i f i t ya n di t e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h i sd j 【酣a l c o n t r o ls y s t e mw e r e g o o d , a n dt h e c o n t r o l p r e c i s i o nh a sr e a c h e da n t i e i p a t e d p e r f o r m a n c er e q u e s t k e yw o r d s ：a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ( a m b ) ，d s pd i g i t a lc o n t r o l l e r , p i d c o n t r o l l e r , f 2 8 1 2 ，s t a b l es u s p e n s i o n 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：二互堕蜃 日 期：迎曼。王：f 生 基于f 2 8 1 2d s p 的磁悬浮轴承系统数字控制器的研究 主要符号表 1 0电磁铁线圈中的偏置电流 j 。电磁铁线圈中的控制电流 f 转子受到的电磁力 0空气或真空中的磁导率 岛磁极截面积 疗 单个磁铁( 两个磁极) 的线圈匝数 艿。 磁悬浮轴承转子处于平衡位置时与定子之间间隙 k 。：电流一力系数 忽位移一力系数 x c ，y qz转子质心坐标 b bb 2 轴承距转子质心的距离 s bs 2传感器距转子质心的距离 x 【b x 曲，y m y 勘z h转子在磁悬浮轴承处相对于平衡位置的位移 x t t x 2 辜y l y 两z ，转子在传感器处相对于平衡位置的位移 历 转子的质量 册 转子第i 自由度当量质量 山转子横向转动惯量 z转子极转动惯量 i i 。 1 2 i k i k 1 k转予各自由度的控制电流 k l ：k k 。k k 。k t ；。k k 质心对应于各自由度的电流一力系数 k l 。bk z 。bk l bk 目籼k | b转予对应于各自由度的位移一力系数 厄 p i d 控制器比例增益 乃 p i d 控制器积分环节增益 五 p i d 控制器微分环节增益 乃 ” p i d 控制器不完全微分的一阶滤波器系数 五 p i d 控制器附加超前校正系数 玩 功率放大器增益 南京航空航天大学硕士学位论文 正传感器增益 6 。( s )功率放大器传递函数 g ，( s )传感器传递函数 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 磁悬浮轴承概述 第一章绪论 1 1 1 磁悬浮轴承简介 磁悬浮轴承是一种利用电磁场力将转子悬浮于空间，不需要任何介质而实 现承载的非接触式支承装置，与传统的滚动轴承和滑动轴承相比，磁悬浮轴承 明显的特点在于没有机械接触，不需要传力介质，而且其支承力可控。由此而 具有传统轴承无法比拟的优越性能：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；动力损失小，便于应用在高速运转场合；由 于不需要润滑和密封系统，排除了污染，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；具有良好的转子动力学特性“1 。 按照磁力的提供方式，磁悬浮轴承可分为如下三大类： ( 1 ) 有源磁悬浮轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g 简称a m b ) ，也称为主动 磁悬浮轴承，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 ) ，也称为被 动磁悬浮轴承，以永磁体或超导体实现对转子部分自由度的支承； ( 3 ) 混合磁悬浮轴承( 永磁偏置) ( h y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g 简称h m b ) ， 其机械结构中包含了电磁铁和永磁体或超导体。1 。 目前常采用的是主动磁悬浮轴承( a m b ) ，是一种应用转予动力学、机械学、 电工电子学、控制工程、磁性材料、测试技术、数字信号处理等综合技术，利 用定子上的电磁线圈与转子上的铁磁材料之间的吸力实现支撑的新型高性能轴 承吃 1 1 2 磁悬浮轴承技术发展与研究现状 磁悬浮轴承的概念早在1 0 0 多年前就提出来了，但是它在工业上的广泛应 用却是最近二十年的事情。大约从1 9 7 0 年起，磁悬浮支承就已用在卫星姿态控 制的动量飞轮上，随着功率电子和数字信号处理器件的出现以及控制理论和转 基于f 2 8 1 2d s p 的磁悬浮轴承系统数字控制器的研究 子动力学的进展，磁悬浮轴承技术得到了长足发展“3 。现在，国际上已经成立了 多家专门从事磁悬浮轴承产品研究开发的公司。1 9 7 6 年成立的s 2 m 公司对超高 速精密加工机床用的磁悬浮轴承主轴进行了系统的研究和开发，多年来，该公 司已经开发了多个磁悬浮轴承产品，广泛应用于机械加工电主轴、透平液体气 体压缩机、真空泵、高速机械和发电站等。瑞士m e c o s 8t r a x l e ra g 生产的磁悬 浮轴承主要应用于透平鼓风机、分子泵、气体膨胀压缩机以及纺织锭子。1 9 9 2 年成立的r e v o l v em a g n e t i cb e a r i n g si n c 在2 0 0 0 年由a bs k fo fg s t e h o r g ， s w e d e n 收购，是一家从事磁悬浮轴承产品开发的专门公司，其产品应用在密封 马达、磨头、高速铣削、压缩机、分子泵、空调压缩机、分子泵和真空泵等。 另外，还有瑞士i b a g 公司，其生产7 0 0 0 0 r m i n 和4 0 0 0 0 r m i n 两个系列的机床 电主轴，刚度能达到5 0 0 n p 。 在航空航天领域，6 0 年代初美国德雷伯实验室首先在空间制导和惯性飞轮 上成功地使用了磁悬浮轴承；法国军事科学研究实验室于1 9 7 2 年将磁悬浮轴承 用于卫星导航的惯性轮上；1 9 8 3 年1 1 月搭载于美国航天飞机的欧洲空间仓内安 装了采用磁浮轴承的真空泵；1 9 8 6 年2 月，法国在s p o t 地球观测卫星中安装了 姿态控制用的磁浮飞轮；1 9 8 6 年6 月日本在h 一1 型火箭上进行了磁悬浮飞轮的 空间试验。最近几年，美国对磁悬浮轴承在发动机上应用的可行性作了系统的 研究，研究结果表明：使用磁浮轴承可以将发动机的重量减轻1 5 并将其效率 提高5 左右。美国航空周刊1 9 9 4 年1 1 月报道：美国普惠公司在计划研究 的x t c 一6 5 发动机的核心机中使用了磁悬浮轴承，其验证机已通过了i 0 0 小时 的试验。1 。现在正在太空运行的业余无线电通信卫星a m s a t o s c a r4 0 采用了磁 悬浮轴承飞轮“1 。 同时国际上对磁悬浮轴承的研究工作和学术气氛非常活跃，1 9 8 8 年在瑞士 苏黎士召开了第一届国际磁悬浮轴承会议( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo n m a g n e t i cb e a r i n g s ) ，此后每两年召开一次。美国航空航天管理局1 9 9 1 年召开 了一次“磁悬浮技术在航天中的应用( a e r o s p a c ea p p l i c a t i o no fm a g n e t i c s u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ) ”的学术会议，从1 9 9 1 年起，美国每两年召开一次 i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i cs u s p e n s i o n t e c h n o l o g y ，国际上的这 些努力，大大推动了磁悬浮轴承在工业中的广泛应用。 国内对磁悬浮轴承的研究工作起步较晚，尚处于实验室及工业试验运行阶 段，未见批量生产的例子报道。1 9 8 6 年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学对 南京航空航天大学硕士学位论文 “磁力轴承的开发及其在f m s 中的应用”课题进行了研究8 1 。清华大学对磨床电 主轴及磁悬浮轴承相关的电涡流传感器”1 、数字控制器、最小脉宽功率放大器” 进行了研究，并在无锡机床厂进行了试验，静态刚度为3 9 3 n ui s d 。西安交通 大学对支承飞轮的磁悬浮轴承“”和涡轮膨胀机用磁悬浮轴承进行了研究。上海 大学试验研究的磁悬浮轴承制氧透平膨胀机，在1 2 0 0 0 r m i n 时振动为2 0 um ， 稳定转速为9 2 0 0 0 r m i n 3 。武汉理工大学对磁悬浮轴承高速磨削主轴结构以及 磁悬浮轴承虚拟设计进行了研究“2 “”1 。深圳大学研制成功一台磁悬浮轴承试验 样机。另外，哈尔滨工业大学1 、北京工业大学“”、国防科技大学“等都曾经 或正在开展这方面的研究工作。总体来看，国内的磁悬浮轴承研究主要集中在 离心设备、磨床电主轴和高速钻头主轴等，但都没有批量产品出现的报道，和 国外先进水平还有一定的差距。 南京航空航天大学磁悬浮技术研究所从1 9 9 2 年起o ”，先后得到了多项航空 科学基金”1 、江苏省应用基础研究基金及企业的大力支持，开展了对民用和航 空用磁悬浮轴承各项关键技术的研究和开发，对磁悬浮轴承用电涡流传感器、 模拟控制器、数字控制器、功率放大器、混合磁悬浮轴承及机械结构进行了研 究，研制的磁悬浮轴承转速达到6 0 0 0 0 r m i n ，研究成果于t 9 9 9 年1 2 月通过了 国防工业科学技术委员会和江苏省科学技术委员会组织的科技成果鉴定，并获 得国防科学技术委员会科技进步三等奖。2 0 0 3 年6 月，磁悬浮应用技术研究所 研制的磁悬浮干燥机已通过江苏省技术鉴定，向工业应用迈出了可喜的一步。 1 1 3 磁悬浮轴承数控硬件系统发展概况 磁悬浮轴承控制器是磁悬浮轴承系统的核心部分，用于将传感器获取的转 子位置信号进行分析处理，输出控制信号到功率放大器。 从磁悬浮轴承的发展过程来看，控制器的发展经历了模拟控制器和数字控 制器两个阶段。早期的磁悬浮轴承控制器完全采用硬件电路来实现，其特点是 响应快，但是参数调整困难，不能根据控制算法灵活地改变硬件结构，对于复 杂传递函数实现起来难度也非常大。随着微电子技术的发展，磁悬浮轴承控制 器的硬件平台也不断发展。美国弗吉尼亚大学和国内清华大学己将基于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“”和柔性转子磁悬浮轴 承控制器啪1 的成功实例。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( 周期性的固定悬浮控制，关键相位检测，速度测量，不平键补偿， 基于f 2 8 1 2d s p 的磁悬浮轴承系统数字控制器的研究 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。“。2 “捌。“。随着d s p 性能的不断提 高，目前，在数字控制领域一般都是采用单板机控制其采用的微处理器绝大 部分都是使用d s p 。”“删。采用专为工业实时控制设计的高速数据信号处理器 ( d s p ) ，因各种磁悬浮轴承对运算的需求和成本要求不同，采用的d s p 芯片也 不同。对于运算精度要求很高的地方可以采用浮点运算芯片，如t m s 3 2 0 c 4 0 。”， 而在一般的工业应用中常采用低成本，集成多个外设的定点运算芯片，如 t m s 3 2 0 f 2 4 0 。同时为了满足磁悬浮轴承应用上的高性能，高可靠性和低成本， 磁悬浮轴承控制系统将向数字化、智能化、集成化发展是必然趋势，在国外出 现了将磁悬浮轴承控制功能部分集成在单芯片或单板上的报道。这些都对控制 器芯片性能提出了更高的要求。 1 1 4 论文工作的背景 由于采用d s p 设计的数字控制器具有很多优点，可以在不改动硬件的前提 下通过改变控制软件来实现各种复杂的控制算法，南京航空航天大学磁悬浮应 用技术研究所自1 9 9 9 年底基于t m s 3 2 0 c 2 5 的数字控制的磁悬浮轴承系统研制成 功后。一直以来不断开发更加先进的磁悬浮轴承控制器。2 0 0 1 年底完成基于 t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 数字控制的磁悬浮轴承系统的研究，转子的转速达到6 0 0 0 0 r m i n 以上。在立式磨头的数字控制系统中，实验室采用了同步采样的技术， 避开了功放的干扰频率点进行采样，从而实现了6 0 0 0 0 r p m 的稳定运转，2 0 0 3 年底，基于删s 3 2 0 f 2 4 0 7 ad s p 的数字控制器也设计调试成功啪1 。 在实验室现有研究基础上，我们继续开发新一代的磁悬浮轴承控制器： 1 为了保证实时控制的进行，必须在一个采样周期内完成采样、a d 转换、 控制算法的运算，这种实时性的要求是微控制器选型的第一性能指标，这就要 求我们的控制芯片运算处理速度更快。 2 由于现代控制理论算法其复杂性，我们需要更加强大运算能力的控制器 芯片。 3 磁悬浮控制要求实现多任务控制，且前一般多任务包括：周期性的固定 悬浮控制，关键相位检测，速度测量( 这两个主要是应用于柔性转子) ，不平衡 补偿，记录控制系统数据，目前的d s p 芯片从性能上讲还远不够。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 随着现有芯片技术的不断发展，本论文采用t i 公司推出的新一代具有强大 性能的2 0 0 0 系列d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 来作为磁悬浮轴承控制器的控制芯片。 1 2 论文工作与内容安排 1 2 ，1 论文工作的主要贡献 本论文设计的磁悬浮轴承数字控制器是采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 数字信号处 理器作为核心c p u ，本论文的主要贡献有： 1 设计完成了磁悬浮轴承控制系统的软件，采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 评估板 利用嵌入式c 语言混合汇编设计了基于串联超前校正p i d 控制算法的数字p i d 控制器软件。 2 设计完成了适用于磁悬浮轴承系统的基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片的数字 控制器的硬件原理图设计。 3 采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 评估板，在磁悬浮轴承系统的卧式实验台上对控 制软件进行软件静态悬浮调试和高速运转试验( 测量转速为i 5 0 0 0 r m i n ) ，实现 了对系统的稳定控制和高速运转。 1 2 2 论文内容安排 本章介绍了磁悬浮轴承及其控制器的研究背景、主要工业应用，以及今后 的发展方向，介绍了本文的选题背景、主要贡献以及内容安排。 第二章，介绍了磁悬浮轴承系统结构和系统参数，详细推导了磁悬浮轴承 系统转子5 自由度力学模型。建立了单自由度磁悬浮轴承p i d 控制器模型。对 本实验室磁悬浮试验台转子进行了力学数值分析，并对其控制系统进行仿真。 第三章，将模拟p i d 离散化，给出差分方程，采用分散控制方法设计了磁 悬浮轴承的数字p i d 控制器，使用嵌入式c 混合汇编模块化编制控制程序。本 章还给出了较详细的d s p 程序流程图以及编制程序时应当注意的问题。 第四章，围绕磁悬浮轴承数字控制器，比较了新代的控制器芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和芯片l f 2 4 0 7 a 、f 2 4 0 的性能，介绍了f 2 8 1 2d s p 的特点。设计了 磁悬浮轴承控制器中的各主要硬件模块。同时从实际情况出发，分析了控制器 设计中电源和时钟问题。 第五章，介绍了数字控制器的调试工具、调试j t a g 接口的定义、t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 基于f 2 8 1 2d s p 的磁悬浮轴承系统数字控制器的研究 d s p 开发环境( c c s 2 2 ) ，系统联调时传感器的标定以及控制器控制参数的整定 方法。给出了5 自由度磁悬浮轴承静态悬浮及2 5 0 h z ( 1 5 0 0 0 r m i n ) 高速运转试 验的各自由度位移振动曲线、控制电流信号曲线、高速运转时的位移信号频谱 图。 第六章，对本论文的工作做了一个总结并提出了进步工作的展望。 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 s i n s t r u m e n t ) 公司的c 2 0 0 0 新一代芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的磁悬浮轴承系 统数字控制器的设计，实现了五自由度转轴在主动磁悬浮轴承中的稳定悬浮和 高速运转。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章磁悬浮轴承系统数学模型及其控制器 磁悬浮轴承系统是典型的机电一体化产品，它包括电控系统( 传感器、控 制器、功率放大器) 和被控对象( 机械部分) 。磁悬浮轴承系统性能好坏不但取 决于电控系统还依赖于机械部分结构设计。相对于电控部分来说，电磁铁、转 子等构成的机械系统如果机械结构、参数的设计不够合理，将会使被控的机械 对象难以控制，从而影响控制效果。只有结构和参数合理，建立的模型准确， 才有可能设计出性能优良的电控系统。本章简要介绍磁悬浮轴承系统结构和系 统参数，分析机械结构和系统模型，选择适当的控制方法，为控制系统设计提 供依据。 2 1 磁悬浮轴承系统组成及其工作原理 图2 1 简要显示了一个简单主动磁悬浮轴承系统的组成部分及其功能。一 个典型的主动磁悬浮轴承是由转子、电磁铁( 即执行机构) 、传感器、控制器和 功率放大器等五大部分组成。设电磁铁绕组上的电流为i 。时，它对转子产生的 吸力f 和转子的重力m g 相平衡，转子处于悬浮的平衡位置，则这个位置也称为 参考位置。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，转子就会偏离其参 考位置向下运动，此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移，控制器将这 一位移信号变换为控制信号，功率放大器又将该控制信号变换为控制电流，相 对于参考位置，此时的控制电流由i 。增加到i o + i 。，因此，电磁铁的吸力变大了， 从而使转子返回到原来的平衡位置。如果转子受到一个向上的扰动并向上运动， 此时控制器使得功放的输出电流由i 。变为i 。一i 。，电磁铁的吸力变小了，转子也 能返回到原来的平衡位置。因此，不论转子受到向上或向下的扰动，图2 1 - 中 的转子在控制器的控制下始终能处于稳定的平衡状态。 基于f 2 8 1 2d s p 的磁悬浮轴承系统数字控制器的研究 审l 子 |口 2 2 1 主动磁悬浮轴承的整体结构 图2 2 为本文所研究的在磁悬浮轴承系统中作为被控对象的主动磁悬浮轴 承的总体结构简图。由图可知，在转轴的两端处各有一个保护轴承。在磁悬浮 轴承正常工作期间，保护轴承不与转轴接触。当突然断电或主动磁悬浮轴承系 统失控时，保护轴承起l 临时支承高速旋转的转轴的作用，防止转轴与电机定子 及主动磁悬浮轴承定子相碰撞而损坏整个轴承系统。当磁悬浮轴承不工作时， 转轴也应落在保护轴承上，而且保护轴承无论在径向还是在轴向都对转轴起到 保护作用。因此保护轴承与转轴之间的气隙应小于磁悬浮轴承与转轴之间的气 隙。 图2 2 中只示意画了径向磁悬浮轴承及电机的结构布置，在实际的磁悬浮 轴承系统中还必须加上轴向磁悬浮轴承，对轴向进行轴向的控制。 径舟强鞋承t 嘲陋动蕾帆径一磁年直承“ 器 保扩轴承 凸亡三i 重3 亡= 三三i i i ：匕主三圣i 1 3 辇 臣圈e 三虱口匕三重j 幢传 誊霸 图2 2 主动磁悬浮轴承的总体结构简图 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 2 磁悬浮轴承的结构形式 本文所研究的主动磁悬浮轴承的径向结构如图2 3 所示。在这种结构形式 中，磁悬浮轴承与电动机相似，易于制造。但是磁滞损耗比较大，因此在这种 结构形式中，为了使磁滞损耗尽可能地小，转子必须是叠片式的，即转子的磁 作用部分必须由压紧的圆形冲片叠片而成。由于机械系统的仿真、控制系统的 设计和转子运动的测量通常都是建立在直角坐标轴x 和y 的基础上，为了使轴 承的控制得以简化，径向磁悬浮轴承的布局一般都会采用8 极结构形式，如图 2 3 所示。在大轴承情况下，可以采用增加磁极数目的办法，如采用1 6 极结构 形式等。 一蘼 墨圈 尊；j 蒌4 一匿 图2 3 磁力线垂直于轴承的磁悬浮轴承径向结构 推力磁悬浮轴承啪1 只要控制转子在轴线方向上的运动，因此，轴向磁悬浮 轴承相对于径向磁悬浮轴承的布局来说，比较简单，可以作为单自由度磁悬浮 轴承布局的典型。 2 3 主动磁悬浮系统的数学模型 建立比较准确的系统模型，是设计控制器的关键，对于耦合和非线性因素 较强的磁悬浮轴承系统尤其如此。 9 基于f 2 8 1 2d s p 的磁悬浮轴承系统数字控制器的研究 2 3 1 单自由度转子的数学模型 为了研究问题的方便，首先讨论单自由度转子在主动磁悬浮轴承中的运动， 并建立单自由度的力学模型。单自由度磁悬浮系统结构如图2 4 所示，为简便 起见，现只讨论转予在y 方向的运动，转子在x 方向上的运动完全可以按照在y 方向上的运动来处理。 图2 4 单自由度磁悬浮轴承系统 假设在每个电磁铁和转子表面之间的气隙6 。之间磁感应强度都相同，且没 有漏磁，由麦克斯韦尔电磁理论可知，每极电磁铁对转子的吸力公式为： k 。= 譬 ( 2 1 ) 通常，在轴承磁铁中有两个作用相反的磁铁在工作，这种布局使得正向力 和负向力都能产生。y 轴上方电磁铁形成的磁路对转子形成的合力如图为： k = 2 c 。s a 。= 等c o s a ( 2 2 ) 盯2 设转子沿y 轴方向的位移为y ，则电磁铁和转子之间的气隙： 62 6 。一y c o s o ( 2 3 ) 令k = p o j o n 2 南京航空航天大学硕士学位论文 则i = c o s & 等而而1 2 丽 ( 2 4 ) 同理y 轴下方电磁铁形成的磁路对转子形成的合力为 ，v ：_ c o s 口墨上 ( 2 5 ) v 2 2 。0 8 口一4 + ( 8 0 + y c o s a ) 2 ( 2 b ) 在这种差动励磁方式下，一个磁铁以偏置电流i 。与控制电流i 。之和励磁， 而另一个则以偏置电流i o 与控制电流i ，之差励磁，因此转子在y 方向上的受力 为上下磁铁吸力之差： r ，= r ”一r ”2 c 。s 口等 黯一描 k 露 邓0 8 甜i 意 k 露 引0 8 4 葛 ( 1 + 量0 ) 2( 1 夸2 j 0 ( 1 y c o o o s a ) 2 ( 1 + 半) 2 i - y c o s 型+ 三+ y c o s ( z 鱼墨鱼 1 y c o s a 瓯 l + y c o s a 一旦一y c o s a 蠡墨鱼 1 + y c o s a 氐 ( 2 6 ) 在实际应用中，正常悬浮时转子是处于平衡位置附近的，y c o sa 4 ： d a c 7 7 2 4 采用直接二进制编码，理想的输入数字量与输出模拟量之间的关系 如下式： v = v e f l + ( v m v l ) n + 4 0 9 6 上式中各符号含义：n ：数字输入：v 卅，：模拟输出；v 。：低参考电压，可 以为一l o v 或o v ，缺省为一l o v ；v 。：高参考电压，可以为+ l o v 或+ 5 v ，缺省 为+ l o v 。在参考电压缺省情况下，输出模拟电压范围为一1 0 v + l o v 。复位时， 输出锁存器中的数值为8 0 0 h ，所以当配置为i o v 输出时，模拟输出的复位值 为o v 。 南京航