（电力系统及其自动化专业论文）磁悬浮飞轮储能系统的研究.pdf

北京交通大学硕士研究生论文 议。 关键词：磁悬浮，无刷直流电机，模糊控制，d s p 北京交通大学硕士研究生论文 a b s t r a c t i nt l l i st h e s i s ，s o m eb e n e f i c i a lr e s e a r c hw o r ki s d o n e o na m a g n e t i cl e v i t a t i o nf l y w h e e ls t o r a g es y s t e m ，w h i c hi s u s e da s p o w e rs u p p l yo ne l e c t r i cv e h i c l e t h el e v i t a t i o n c o n t r o l s y s t e m a n dr o t a t i o nc o n t r o l s y s t e m h a v eb e e n d e s i g n e da n de x p e r i m e n t e d t h e p o w e rs u p p l ys y s t e m i st h eb o t t l en e c ko fe l e c t r i c v e h i c l e m a g n e t i cl e v i t a t i o nf l y w h e e ls t o r a g es y s t e m sh a v e m a n ya d v a n t a g e s o n l i f e ，e n v i r o n m e n t a n d e q u i v a l e n t p o w e r e n e r g y t h ed e v e l o p m e n t s o fm a g n e t i cl e v i t a t i o n t e c h n o l o g y ，p o w e re l e c t r o n i c s ，s y n t h e t i c m a t e r i a la n d s p e c i a lm o t o r e n s u r ei t sp o s s i b i l i t y c o m b i n ew i t h b e i j i n gj i a o t o n gu n i v e r s i t y f u n d p r o j e c t “m a g n e t i c l e v i t a t i o nb a l lr o t a t i o n c o n t r o l s y s t e m ”，t h i s t h e s i s d e s i g n t h el e v i t a t i o na n dr o t a t i o n c o n t r o ls y s t e mo fm a g n e t i cb a l l i ti st h eb a s eo f m a g n e t i c l e v i t a t i o n f l y w h e e ls t o r a g es y s t e m c o m b i n ew i t he d u c a t i o n a lm i n i s t r yf u n dp r o i e c t 一 m a g n e t i c l e v i t a t i o nc o n t r o l o ff l y w h e e l b a t t e r y a n d e l e c t r i c a lp o w e r c o n v e r s i o n ”，t h i s t h e s i s d e s i g n t h e m a g n e t i c l e v i t a t i o nf u z z yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s pa n d r o t a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nb m s h l e s sd cm o t o r a st h eb a s i c s t u d y o fm a g n e t i cl e v i t a t i o n f l y w h e e l s t o r a g es y s t e m s ，t h i st h e s i sg i v e st h es o l u t i o no fm a g n e t i c 北京交通大学硕十研究生论文 l e v i t a t i o na n df l y w h e e lr o t a t i o n ，e s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o n f o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ： m a g n e t i cl e v i t a t i o n ，b r u s h l e s s d c m o t o r , f u z z yc o n t r o l ，d s p 4 北京交通大学硕十研究生论文 第一章概述 1 1 磁悬浮飞轮储能系统背景与意义 飞轮储能系统由高速飞轮和同轴的电动一发电机构成，可以 将电能变换为动能存储，用于电动车时又称“飞轮电池”。由于动 能与飞轮质量呈正比，而与其转速的平方呈正比，为了最大限度 地增加动能，飞轮常采用轻质高强度纤维复合材料制造，并用磁 力轴承悬浮在真空罐内，构成磁悬浮飞轮。磁悬浮飞轮转速非常 高，可达2 0 万转分钟以上，因此比能量非常大，可望达到铅酸 电池的6 倍。其寿命一般在1 5 年以上，效率约9 0 ，且充电迅速、 无污染，是2 1 世纪最有前途的绿色储能电源。表卜l 为飞轮电池 与铅酸电池的性能比较。 表卜1 飞轮电池与铅酸电池的性能比较 t a b l e1 1f d w h e e lb a t t e r yc o m p a r et ol e a d - a c i db a t t e r y 铅酸电池飞轮电池 储能方式化学能机械能 寿命3 - 5 ( 年)2 0 ( 年) 工作温度要求较高较低 比能量较低较高 环境污染较严重轻微 l电能保持时间几年几小时 当今世界能源日益紧缺，环境保护日益重要，这为发展磁悬 浮飞轮储能系统提供了必要性。而磁悬浮技术、电力电子技术、 特种电机技术的发展，又为发展磁悬浮飞轮储能系统提供了可能 性。因此欧美、日本等发达国家均在加紧研究。美国“空军研究 所与航空航天局飞轮储能项目”的研发目标是：近期用于大型航 北京交通大学硕士研究生论文 天器、轨道机车和城市客车与卡车，中远期用于中小型航天器、 战车、航天飞机、民用飞机、电力调峰和电动轿车等。美国最近 研制的a s f 2 0 飞轮轿车，充电1 5 分钟可以行驶5 6 0 公里；英国研 制的飞轮有轨电车，充电9 0 秒可行驶1 0 公里，比内燃机节能2 3 。 我国已经开始对电力系统飞轮储能进行研究，但尚未研制出用于 电动车的飞轮电池。清华大学曾试验了电力调峰的飞轮储能系统， 另一项目研制了高强度纤维复合飞轮，但无电能变换功能。目前， 将飞轮电池用于城市公交车、电瓶车和铁路轨道车等环保要求严 格、运行路线规则的中低速车辆的储能电源，在技术上比较容易 实现，而且会带来重大的经济效益与社会效益。 1 2 本文研究内容 本文结合教育部科学技术重点项目“飞轮电池磁悬浮控制与 电能变换”和北京交通大学校基金项目一“磁悬浮球旋转控制系 统”，研究了适用于城市公交车、运货拖车和铁路轨道车等电动车 辆电源的中高速飞轮电池，对其磁悬浮控制和电动一发电机及其变 频器进行研究。该系统拟实现的目标是在电动车停车或进站时， 将其动能转换为电能，再通过电动一发电机驱动飞轮高速旋转，以 飞轮动能形式存储起来。当电动车启动或加速时，将飞轮动能通 过电动一发电机转换为电能，供电动车使用。主要研究了以下几个 方面的内容： ( 1 ) 磁悬浮飞轮储能系统基础研究一磁悬浮球旋转控制系统 本文首先结合北京交通大学校基金项目一“磁悬浮球旋转控 制系统”进行了磁悬浮飞轮储能系统的前期研究。设计实现了对 直径l o c m 球的稳定悬浮，并按照开关磁阻电机原理实现其沿轴线 的旋转控制。 北京交通大学硕士研究生论文 ( 2 ) 磁悬浮球的改进 针对上述磁悬浮球效率低、噪声大、抗干扰能力差的缺点进 行改进。实现高效、无噪声控制。 ( 3 ) 磁悬浮飞轮总体结构设计 充分考虑各方面因素，设计磁悬浮飞轮模型。 ( 4 ) 磁悬浮轴承控制理论与方法 磁悬浮轴承系统具有强烈的非线性特性，而飞轮的旋转对磁 悬浮也有影响，特别是在电动机一空载一发电机三种工况下，飞轮 的磁悬浮控制非常复杂。本文依据模糊控制原理设计了磁悬浮系 统非线性控制器。模糊控制适用于数学模型难确定或非线性较严 重的系统，特别适合于磁悬浮系统的控制。采用d s p 为核心进行 控制器的设计，使系统具有良好的稳定性和鲁棒性。 ( 5 ) 飞轮一体化电动发电机研究 为了使飞轮储能装置具有很高的比功率、较长的使用寿命和 可靠的运行性能，电动一发电机是关键元件之一。由于磁阻电机难 以做到很高的比功率，国外飞轮电池电动一发电机大多数采用无刷 直流电机。 本文拟采用飞轮与电机转子一体化的盘式无刷直流电机结 构，与磁铁镶嵌在转子外圆表面的结构相比，采用盘式结构的优 点是： a 不至因离心力将磁铁甩出； b 有效利用了机壳空间； c 便于进一步实现变气隙控制。 拟采用霍尔位置传感器。霍尔传感器体积小，结构简单；与 光电式位置传感器相比，霍尔传感器对环境要求低，比较适合飞 北京交通大学硕士研究生论文 轮电池的工作场合。而且，随着传感器技术的进步，其精度也可 满足要求。 北京交通大学硕士研究生论文 第二章磁悬浮飞轮储能系统基础研究一磁悬浮 球旋转控制系统 作为磁悬浮飞轮储能系统研究的基础，本文首先设计完成了 北京交通大学校基金项目一“磁悬浮球旋转控制系统”。众所周 知，国内、外磁悬浮的研究几乎无一例外的是从研究磁悬浮球开 始的。它可以用来研究吸引式( 电磁式) 磁悬浮固有的开环不稳 定和非线性。以往的实验只是研究球的悬浮控制，本文不仅实现 了对直径为1 0 c m 的小球稳定悬浮，而且使其能以可变速度绕垂 直轴线旋转，为研究磁悬浮飞轮奠定了基础。 2 1 磁悬浮球悬浮控制 2 1 1 磁悬浮球悬浮控制数学模型 图2 1 为该系统示意图。 图2 - 1 磁悬浮球结构示意图 f i g u r e 2 - 1m a g n e t i cl e v i t a t i o nb a l ls t r u c t u r e 北京交通大学顶十研究生论文 小球上端电磁铁和下端中心电磁铁形成一对上吸下拉的磁 极，其吸力差动变化，可由同一控制器控制。由牛顿定律可以列 出其运动方程： m 鲁州：- m g ( 2 _ 1 ) c 喇牛篱小掰， 由基尔霍夫电压定律列出电路方程： u ：r f + l d i( 2 2 ) 其中；m 为小球质量，l 为线圈电感，r 为线圈电阻，i 为 控制电流，l b ，为上吸线圈偏置电流，i b ：为下拉线圈偏置电流 ( i b t i b 2 i ) ，h 为小球平衡位置，y 为位置变化( h y ) ，c 为常系数，g 为重力加速度，u 为电压源电压。 综上得其状态方程： 而。x 2 ( 2 3 ) 。2jc；(iib丽1+x3)2,t2一糕m(hx 1 ) 一g ( 2 4 )m 一葺) 2 +2 6 4 r“ x 3 一zx ，+ z 其中：x 1 = y ，工2 2 夕，屯= i ( 2 - 5 ) 从( 2 - 4 ) 式可看出该系统为非线性控制系统。对该系统在 平衡点线性化并略去高阶无穷小得其向量形式的状态方程： 北京交通大学硕士研究生论文 其中：a = 其特征方程为 i s - a l x= a 置+ b u( 2 6 ) o10 2 c ( 瑶+ - 2 ) n 2 c ( i b l + i b 2 ) m h m h 2 oo一墨 工 b = s一10 一型矗：塑。一型! ! ：型 m h m h 2 00 o m h 3 尺 s + 一 ( 2 - 7 ) 因为竺牮 o 所以特征方程的一个根在右半平面， r i n 。 该系统开环不稳定。 2 1 2 磁悬浮球p d 控制器设计 由于该系统开环不稳定，现通过p d 控制器形成闭环控制系 统。控制器输出电压： u = 一k 。y k d 夕 ( 2 - 8 ) 将( 2 8 ) 代入状态方程得： 主】= 屯 1 4 北京交通大学硕士研究生论文 特征方程为： l s l a 。l = 列出劳斯表： 。一一rk p x l 一如x 2 屯2 一zx 3 一了一彳 s 2 c ( i ；1 + i b m ) m h 3 膏。 三 一10 s 一掣 笠 。+ 墨 l工 ：s 3 + 墨s 2 + ( 2 c k d ( i b l + i b 2 ) 一丝垡i ：垒2 ) s 工lmh2m h + ( 2 c k p ( k + i b ”一 o r 三 l m h 2 ，2 c k d ( i b l + i b 2 ) l m h 2 ，2 c k p ( i b l + i b 2 ) 、 砌2 。- 丝亟! 叠l 2 c k p ( i b l + i b 2 ) l m h 2r m h 2 。o 2 c k ，( + i b 2 ，一2 c ( i 三+ f 己皿 l m h 2m h l 由劳斯判据，系统稳定的条件： 1 5 2 c ( i b 2 。+ 名) 、 i r 一 丛 一一+ 盟椰丛扩警 矿 皿一 毪一l+ | 矿簖i 知一 皿一 幺堑槲 幻一 北京交通人学硕上研究生论文 p 黜。， 由上述的理论分析，结合实际测量，本文设计了以红外光电 传感器为测量元件，以运放为控制器，以大功率晶体管驱动电磁 铁为执行机构的模拟控制系统。控制电路如图2 2 所示。 图2 - 2 悬浮控制电路 f i g u r e2 - 2m a g n e t i cl e v i t a t i o nc o n t r o lc i r c u i t 磁悬浮球旋转控制 在设计磁悬浮球的旋转时，本文将悬浮球作为电机的转子来 考虑。作为悬浮转子，其结构应尽量简单。所以本文按照开关磁 阻电机的原理来设计。在磁悬浮球结构示意图中，小球下方有两 对线圈作为电机定子，小球球体下方嵌入一对铁块作为电机转子， 它们共同组成一轴向气隙的2 相4 2 极开关磁阻电机。其电路、 机械和机电联系方程如下： wi呷上 圮 北京交通大学硕士研究生论文 等氆喇， 塑；( 2 1 0 ) 一= l z 一 等= j 1 ( t 吲 其中：“j 为j 相直流电压，r 为绕组电阻，i j 为j 相电流， 为角速度，z 为惯性矩，t j 为负载转矩( 在悬浮状态下，即空气阻 力矩) 。 由于电路、磁路的非线性、开关性，很难用上述方程实现 旋转控制。作为初步研究，本文作了一些原理性的测试。以光电 传感器检测位置，采用简单的调节励磁电压的调速方法，使小球 稳定悬浮时在0 - 3 0 0 r m i n 范围内旋转。图2 - 3 为磁悬浮球旋转 控制系统的实物照片。 圈2 - 3 实物照片 y i r u r e2 - 3 p h o t o 北京交通大学硕士研究生论文 第三章磁悬浮球的改进 3 。1 磁悬浮球旋转控制系统的不足之处 作为磁悬浮基本实验的磁悬浮球与磁悬浮飞轮储能系统尚 存在很大差距： ( 1 ) 效率问题 首先，悬浮线圈耗能太大。悬浮一直径1 0 c m 的小球，悬 浮线圈在2 0 0 0 匝时电流为1 5 a 左右；质量加大到0 5 k g 时，电 流超过3 a 。其次，开关磁阻电机结构简单，但其能量体积、能 量质量都不及无刷直流电机。 ( 2 ) 噪声问题 磁悬浮球旋转控制系统采用运放实现其悬浮控制，该系统 处于动态平衡状态，运放无法实现定频控制，该系统的振动频率 为2 k h z 左右，在音频范围内，有较大噪声。 ( 3 ) 传感器问题 该系统采用的是红外光电传感器，易受到周围光线变化的 影响。而且，传感器表面的灰尘也会对信号产生影响。 ( 4 悬浮稳定性问题 磁悬浮系统为非线性系统( 悬浮力与电流平方成正比，与 气隙长度平方成反比) ，线性化后采用p d 控制鲁棒性不好。加上 建模过程中不可避免有失真，其稳定性无法满足高速旋转的飞轮 的要求。 ( 5 ) 模拟控制 模拟控制准确性差，不易实现复杂的控制策略，不适宜飞 轮的控制需求。 北京交通大学硕士研究生论文 3 2 磁悬浮球的改进 在设计磁悬浮飞轮储能系统之前，本文利用磁悬浮球尝试 解决了前三个问题。 效率问题的解决： 混合磁悬浮轴承：在球体上方加上永磁体，利用它与悬浮线 圈铁心的吸力支撑悬浮球大部分重量，而以电磁力作为调节力， 组成混合磁悬浮轴承，解决了悬浮线圈电流大的闯题。 噪声问题的解决： 实现定频调宽：采用p i t w 产生芯片t l 4 9 4 与运放组合产生 定频调宽的p w m 波，并将频率定在( 在音频范围以外) 。解决噪声 问题。 传感器问题的解决： 采用抗干扰性较好的霍尔传感器代替光电传感器：本文尝 试了c s 3 5 0 3 和h w l 0 1 都取得了成功。 图3 一l 为实物照片，图3 2 为控制电路原理图。 图3 - 1 实物照片 f i g u r e3 - 1p h o t o 北京交通大学硕士研究生论文 图3 - 2 控制电路 矾扣r3 - 2c o n t r o lc i r c u i t 经实验测定悬浮直径2 0 c m 的球体，在线圈为1 5 0 0 匝时，电 流为1 0 0 m a 左右。 北京交通大学硕士研究生论文 第四章磁悬浮飞轮储能系统总体设计 4 1 总体结构 本文设计的飞轮电池结构如图4 - 1 所示。由于该项目所设计 的飞轮电池主要用于城市公交车、运货拖车和铁路轨道车等电动 车辆，为减小陀螺仪效应的影响，飞轮体垂直放置。由电磁、永 磁混合推力轴承与推力盘实现轴向悬浮控制，永磁轴承实现径向 定位。为提高其可靠性，上、下各有一机械备用轴承。采用电机 转子与飞轮一体化的无刷直流电动一发电机实现机电能量转换，电 机永磁转子与高强度飞轮合二为一，具有体积小，效率高，结构 简单的优点。变频器使功率能够双向流动，电动机状态下变频器 驱动转子高速旋转，将电能转换为飞轮( 电机) 转子的动能存储 起来；在发电机状态下定子绕组发出电能，经变频器将电能输出， 为牵引电机供电。 k r 趟轴承 播! 打捌i 舡 俸。妇舞警 电机连千 艟 备柏水 图4 1 系统结构示意图 f i g u r e 4 - 1s y s t e ms t r a e t u r e 一2 1 北京交通大学硕士研究生论文 4 2 磁悬浮轴承控制研究 在磁悬浮飞轮储能系统中，磁悬浮轴承的控制是其重点和难 点。根据e a r n s h a w 定理，磁悬浮系统不可能在六个自由度上都 采用被动控制，即完全由永磁轴承组成的磁悬浮轴承是不可能实 现稳定平衡的。而在径向上采用主动控制实现困难且易产生耦合。 所以，本文采用径向被动控制，轴向主动控制。如果轴向采用完 全电磁控制耗能较大，所以，本文在推力盘上加上永磁块，使之 与推力轴承间的吸力支撑大部分的飞轮重力，只让电磁力产生调 节作用。 由上一章的理论分析可知，磁悬浮系统为非线性系统( 悬浮 力与电流平方成正比，与气隙长度平方成反比) ，加入永磁力后 非线性更加严重。采用常规的模型线性化后p i d 控制无法满足磁 悬浮飞轮系统的鲁棒性要求。所以，本文采用非线性控制一模糊 控制作为磁轴承的控制策略。 模拟控制器件很难实现模糊控制算法。在数字控制器件中， 本文选用运算速度高，接口电路全的t i 公司d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。 4 3 无刷直流电动发电机的研究 作为储能系统，完成机电能量转换的电动一发电机设计非常 关键。由于磁悬浮飞轮电池采用磁轴承且转速非常高，所采用的 电机其转子应尽量简单。同时考虑储能密度的问题，所以选定无 刷直流电机。 如采用传统的径向气隙的无刷直流电机，在电机转子随飞轮 转子高速旋转时，永磁块易甩出。同时为了节省空间，采用轴向 气隙的无刷直流电机。电机永磁转子灌注在飞轮的上端面，形成 飞轮与电机转子一体化的盘式结构。 北京交通大学项_ 上研究生论文 无刷直流电机在空载时存在静态磁拉力，但由于本文研究的 是用于公交车与拖车的飞轮电池，一般是“即充即放”，空转时间 短，所以空载损耗不大。 北京交通大学硕士研究生论文 第五章磁悬浮轴承控制研究 5 1 磁悬浮轴承数学模型 图5 1 为飞轮轴向控制系统结构示意图。 y 图5 - 1 飞轮轴向控制系统结构示意图 f i g u r e 5 - 1f l y w h e e ll e v i t a t i o ns y s t e m s t r u c t u r e 由牛顿运动定律和基尔霍夫电压定律可以列出其运动方程 和电路方程： 。粤：f l + f 2 - m g d 。t 1 u = n z + 。罢 ( 5 1 ) ( 5 - 2 ) 其中：m 为小球质量，l 为线圈电感，r 为线圈电阻，i 为 控制电流，y 为气隙长度，g 为重力加速度，u 为电压源电压， f 1 - 等为电磁吸力，f 2 - 歹c 2 为永磁吸力( c 1 、c 2 为常数) o 得其状态方程： 北京交通大学硕士研究生论文 毫= 也 ( 5 - 3 ) 其中：x 1 = y ，x 2 = 岁，屯= i ( 5 4 ) ( 5 5 ) 从( 5 4 ) 式可看出该系统为非线性控制系统，要实现在较 大平衡范围内的稳定悬浮，使用在某一平衡点线性化后的线性控 制策略是行不通的，必须采用非线性控制。而公式中一些参数的 测量误差导致模型有一定的失真，所以本文采用对模型要求不高 的模糊控制。 5 2 模糊控制概述 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为 基础的一种计算机数字控制。从线性与非线性角度分类，模糊控 制属于非线性控制；从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控 制。 自动控制技术产生之前，人们通过眼脑手来完成观测被控 对象输出，根据观测结果决策，完成手动调整的过程。自动控制 技术产生之后，人们以测量装置( 测量仪表、检测装置、传感器) 代替人眼完成观测任务，以控制器( 运放、计算机) 代替人脑完 成决策，使用执行机构( 电动机、气动阀) 实现人手的功能。这 些测量装置、控制器、执行机构组成了基本的反馈控制系统。 经典的反馈控制系统在解决线性控制问题上很有效，但对非 h 一 皇嘶 + + b 2 2 ：瞒1恍 r 工 匕 屯 北京交通大学硕士研究生论文 线性时变系统往往效果不好。随着计算机技术的发展，基于状态 变量描述的现代控制理论在解决线性或非线性、定常或时变的多 输入、多输出系统问题上都获得了广泛的应用，并取得了成功。 但是，无论采用经典控制还是现代控制理论设计一个系统， 都需要事先知道被控对象精确的数学模型，然后根据数学模型及 给定的性能指标选择适当的控制规律进行设计。然而，在实际情 况中，许多被控对象的数学模型很难确立，或由于影响因素很多 且相互间耦合使模型十分复杂，简化以后的模型因失真严重失去 实用价值。 与此相反，一些难以靠自动控制实现的系统、过程，有经验 的操作人员通过手动控制却可收到满意的效果。如著名的控制论 专家扎德教授举的停车问题的例子。 所谓的停车问题就是要把汽车停在拥挤的停车场上两辆车 之间的空隙处。 对于上述问题，从事控制理论研究者的解决方法是：令w 记 车c 个固定参考点位置，e - 记车c 的方位，建立如下方程： x = ( w ，e ) ( 车的状态方程) 戈= f ( x ，u ) ( 车的运动方程) u 为一个有约束的控制向量，其两个分量“，m ：分别为前轮 的角度和车速。邻近两辆车定义为执行中的约束，用集合q 表示， 而两辆停着的车间的气隙定义为允许的终端状态的集合r 。这样 停车问题就转变为寻找个控制u ( t ) ，使其在满足各种条件下把 初始状态转变到终端状态r 中去。 使用精确方法解决上述问题，由于约束条件太多，求解非常 复杂。而一个熟练的司机却可以通过一些不精确的观察，执行一 北京交通大学硕士研究生论文 些不精确的控制达到准确的停车目的。 控制论的创始人维纳在研究人与外界相互作用的关系时曾 指出：“人通过感觉器官感知世界，在脑和神经系统中调整获得的 信息，通过适当的存储、校正、归纳、选择等过程而进入效应器 官反作用于外部世界。同时通过象运动传感器末梢这类传感器再 作用于中枢神经系统，将新接受的信息与原存储信息结合在一起， 影响并指挥将来的运动”。汽车司机正是通过如维纳所描述的不断 地从外界获取信息，存储、处理，并给出决策反作用于外界，从 而达到预期的目的。 这些控制问题使人们重新考虑人工控制与自动控制的区别。 人类的思维是粗略的，具有模糊性；而客观对象也具有模糊性。 从这个角度讲，人类的观察、思维、决策更适合客观世界。而以 往的自动控制( 无论是经典控制还是现代控制) 都试图将客观对 象精确化。当系统简单时，这是可以的；但当系统太复杂，就会 出现扎德教授所指出的“不相容原理”，即“当一个系统复杂性增 大时，人们能将它精确化的能力将降低，达到一定阀值时，复杂 性与精确性将相互排斥”。 将人工控制的优点( 模型要求不高，可借助成熟经验) 与自 动控制的优点( 快速性，自动性) 相结合的模糊控制，特别适合 实现磁悬浮飞轮轴向悬浮这种非线性严重，模型不易准确的控制。 5 3d s p 控制器4 m s 3 2 0 u 啪0 7 a t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 在专用于控制的t m s 2 0 0 0 系列d s p 中是 性价比最高的。它具有以下一些特点： 采用高性能静态e m o s 技术，使得供电电压下降到3 3 v ， 减小了控制器的功耗；4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到 2 5 n s ，从而提高了控制器的实时控制能力。 北京交通人学硕士研究生论文 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 代码和t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的 数据程序r a m ，5 4 4 字双口r a m 和2 k 字的单口r a m 。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：2 个1 6 位通 用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制通道( p 删) ；3 个捕获单元；片内 光电编码器接口电路；1 6 通道a d 转换器。 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器 空间；6 4 k 字数据存储器空间；6 4 k 字i o 口寻址空间。 看门狗定时器模块( w d t ) 。 1 0 位a d 转换器最小转换时问为5 0 0 n s ，可选择两个事件 管理器来触发两个8 通道a d 输入转换器或一个1 6 通道a d 输入 转换器。 控制器局域网络模块( c a n ) 。 串行通信接口模块( s c i ) 。 1 6 位的串行外设接口模块( s p i ) 。 基于锁相环的时钟发生器。 高达4 0 个可编程或复用的通用i o 引脚( g p i o ) 。 5 个外部中断。 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立将外设器件转入低 功耗工作模式。 本文主要用到t i v i s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的事件管理器模块和a d 转 换模块，下面做一简要介绍。 a d 转换模块 t m s 3 2 0 u 0 4 0 7 a 的a d 转换模块具有以下特性： 带内置采样保持( s h ) 电路。 - 2 8 北京交通大学须十研究生论文 多达1 6 位的模拟输入通道( a d c i n o a d c i n l 5 ) 。 自动排序功能。一次可执行最多1 6 个通道的“自动转 换”，每次转换的通道都可通过编程实现。 两个独立的最多选择8 个转换通道的排序器( s e q l 、s e q 2 ) 可以独立工作在双排序模式，或者级连后工作在1 6 转换通 道的排序模式。 在给定的排序方式下，4 个排序控制器( c h s 乩s e o n ) 决定 模拟通道转换顺序。 可独立访问的1 6 个结果寄存器( r e s u l t o r e s u l t l 5 ) 用 来存储转换结果。 多个触发源可启动a d 转换： 软件：软件立即启动( 通过s o cs e q n 位) 。 e v a ：事件管理器a ( e v a 中有多个事件源可启动a d 转换) 。 e v b ：事件管理器b ( e v b 中有多个事件源可启动a d 转换) 。 外部：a d c s o c 引脚。 灵活的中断控制允许每一个或每隔一个序列结束时产 生中断请求。 排序器可工作在启动停止模式，允许多个按时间排序 的触发源同步转换。 e v a 和e v b 可各自独立地触发s e q l 和s e q 2 ( 仅用于双 排序模式) 。 采样保持获取时间窗口有单独的预定标控制。 内置校验模式。 内置自测试模式。 北京交通大学硕士研究生论文 事件管理器模块 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 包含两个事件管理器模块，提供了大量用 于运动控制和电机控制的函数和功能部件。它与d s p 高性能内核 结合，实现多种类型的高精度、高效控制。 每个事件管理器模块有8 个器件引脚用于比较p 删输出：2 个g p 定时器比较p 1 v m 输出引脚；6 个全比较p w m 输出引脚。有3 个引脚c a p l 、c a p 2 、c a p 3 作为捕获输入。2 个引脚q e p l 、q e p 2 作为正交编码器脉冲输入。2 个g p 定时器可以在外部或内部c p u 时钟下编程工作，引脚t 删r c l k 提供外部时钟输入，在g p 定时器工 作于双向计数模式时，器件引脚t m r d i r 用来定义计数方向。事件 管理器模块的所有输入均与内部c p u 时钟同步。在被事件管理器 确认之前，当前转换必须保持，直到遇到c p u 时钟的两个上升沿。 事件管理器模块中的所有寄存器均是数据存储器的映象。 e v a 和e v b 寄存器的起始地址分别为7 4 0 0 h 和7 5 0 0 h 。软件把这些 寄存器当作数据存储器地址对待，并且可以用许多d s p 指令来访 问他们。 每个事件管理器模块中产生的中断都为三组。e v a 中有三个 寄存器e v a i f r a 、e v a i f r b 、e v a i f r c ，分别用来表示三组中断的 标志( e v b 类似) 。三组中断分别与三个c p u 中断输入相联系。每 个中断组与一个中断向量寄存器相联系。中断向量寄存器可以由 软件访问以得到一个中断源的向量( i d ) 。 每个中断源有一个唯一的中断向量i d 。当一个中断事件产生 并被使能时，中断标志将被设为1 。对应每个事件管理器模块中 断组有一个中断屏蔽寄存器e v x l m r x ( x ：a ，b ，c ) 。如果e v x l m r a ， e v x l m r b 或e v x l m r c 中相应的位为0 ，中断将被屏蔽，若为1 ，则 去除屏蔽。如果中断组中有一个中断标志被设置为1 而且未被屏 北京交通大学硕士研究生论文 蔽，中断组就会向c p u 产生一个中断请求。中断标志的设置为1 和复位与相应的中断是否被屏蔽无关。当一个中断组中的一个中 断请求被响应后，中断向量将被访问。中断组中所有被设置位1 和未屏蔽的中断标志中间，优先级最高的标志的向量i d 被调入累 加器中。当一个中断组的中断向量寄存器被访问而且中断组没有 中断标志被设置位1 和去除屏蔽时，将返回一个0 值。这样可防 止把一个寄生中断误认为事件管理器中断。 5 4 磁悬浮轴承模糊控制系统 5 4 1 磁悬浮轴承模糊控制系统组成 模糊控制属于计算机控制的一种形式。因此，模糊控制系统 的组成类同于一般的计算机控制系统。有以下几个组成部分： 模糊控制器。实际上模糊控制器就是一台计算机，本文采 用数字信号处理器t m s 3 2 0 u 幽0 7 a 。 输入输出接口装置。包括数模、模数转换，电平转换等电 路。由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内置a o 转换模块，其事件管理器模 块又带有p w m 输出，所以本文只须设计外部电平转换电路即可。 被控对象。模糊控制的被控对象可以是线性或非线性的， 定常或时变的，单变量或多变量的，有或没有精确数学模型的。 本文为非线性，模型失真较严重的飞轮转子。 执行机构。本文是单边悬浮电磁铁。 - 传感器。本文采用线性霍尔传感器h w l 0 1 a 。 模糊控制器是模糊控制系统的核心，它在处理方式也与普通 控制方式有所不同。它将传感器检测后经模，数转换后的精确值首 先进行“模糊化处理”，把精确值变成模糊值。该模糊值可用相应 的模糊语言表示，所有模糊值构成模糊语言集合的子集( 模糊向 量) 。之后，将该模糊向量和模糊控制规则( 模糊关系) 合成进行 北京交通大学硕士研究生论文 模糊决策得到模糊控制量，该控制量为一模糊控制量。最后，通 过清晰化( 反模糊化) 过程，将模糊控制量变为精确控制量实现 对被控对象的控制。图5 2 为该控制系统原理框图。 图5 - 2 模糊控制系统原理框图 f i g u r e5 - 2f u z z y c o n t r o l s y s t e mp r i n c i p l e 5 4 2 磁悬浮轴承模糊控制系统输入、输出变量及其模糊语言描述 ( 1 ) 磁悬浮轴承模糊控制系统输入变量和输出变量 模糊控制器的输入变量可以为给定值与检测值的误差、误差 的变化及误差变化的变化等，通常我们将模糊控制器输入变量的 个数称为模糊控制的维数。从理论上讲，控制器的维数越高，控 制越精细。但是维数越高，模糊控制规则变得过于复杂，实现困 难，反而影响了控制器的精度。所以，在本系统中采用误差和误 差的变化二维控制，用e r e 表示。 模糊控制器的输出变量为悬浮电磁铁的控制电压，用u 表示。 ( 2 ) 输入变量和输出变量的模糊语言描述 人们日常对事物的语言描述常分为大、中、小，再加正、负 两个方向和零状态，共有七个词汇，即： 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 用英文缩写表示为： n b ，n m ，n s ，o ，p s ，p m ，p b 选择词汇太多则控制规则变得复杂，太少则控制变得粗糙。 所以，本文对误差输入e 和控制电压输出u 都采用上述七个词汇 北京交通大学硕士研究生论文 组成的模糊子集。 对于误差的变化这个输入变量，常常将“零”分为“正零” 和“负零”，这样其模糊子集为： 负大，负中，负小，正零，负零，正小，正中，正大 用英文缩写表示为： n b ，n m ，n s ，n o ，p o ，p s ，p m ，p b 5 4 3 论域、基本论域与量化因子、比例因子 ( 1 ) 论域与基本论域 我们把误差、误差变化和控制电压的实际变化范围称为这些 变量的基本论域，分别设为【- ，k 】， - x c ，k 】，【一h ，y 。】显然基本 论域内的量为精确量。 设误差变量所取的模糊子集的论域为： - n ，- n + l ，0 ，n 一1 ，n ) 设误差变化变量所取的模糊子集的论域为： - m ，- m + l ，o ，m - 1 ，m 设控制电压变量所取的模糊子集的论域为： ，- 1 + 1 0 ，1 - 1 ，1 因为模糊语言变量的词集个数为七个( 或八个) ，应保证 n = 6 ，n l = 6 ，l = 7 ，根据模糊控制理论，量化等级论域中元素的 数量为相应模糊子集中语言变量数量的2 倍以上时，模糊子集对 论域的覆盖程度较好。理论上，增加论域中元素的个数可提高控 制精度，但这受到计算机字长的限制且增大计算量。所以，构造 误差、误差变化、控制电压论域如下： e = 6 ，5 ，一4 ，- 3 ，一2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 c = 一6 ，- 5 ，- 4 ，- 3 ，- 2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) u = f 7 ，一6 ，5 ，- 4 ，- 3 ，- 2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 北京交通大学硕士研究生论文 ( 2 ) 量化因子与比例因子 用计算机进行模糊控制，必须把采样得到的误差、误差变化 从基本论域转换到模糊集的论域。这中间必须将输入变量乘以相 应的因子，称为量化因子。表示为，琏： 也= n ( 5 6 ) = i n z , ( 5 - 7 ) 由于也( 丘) 为一连续值，而n ( m ) 为一整数值，两 者不一定完全相等。所以，这种转换是将输入变量从基本论域转 换到论域中相近的整数值。 此外，每次模糊控制算法给出的控制量( 控制电压论域中的 元素) ，还不能直接控制被控对象，还必须将其转换到控制电压的 基本论域中去。该转换可通过乘以比例因子来实现： 毛= h i ( 5 - 8 ) 比较量化因子和比例因子可看出，两者均是完成两个论域问 的转换，但量化因子对输入变量确有量化作用，而比例因子只有 比例作用。 量化因子和比例因子对模糊控制系统性能的影响很大，茸增 大时相当于缩小了误差的基本论域，导致超调增大。坼增大时可 以减小超调，但响应时间变长。瓦选择过小会使动态响应过程变 长，过大则会导致系统振荡。 5 4 4 磁悬浮轴承系统输入模糊化 量化因子完成输入变量从基本论域到论域间的转换，论域中 的元素仍为准确值，为实现模糊控制算法，须将其模糊化成模糊 语言变量。 根据正态分布隶属函数构造对e 模糊语言变量的隶属表如 表5 1 所示。 北京交通大学硕士研究生论文 表5 - 1e 对模糊语言变量的隶属表 t a b l e5 - 1e v s 嘞l a n g u a g e v a r i a b l e 一6_ 54o210123456 p b0000000o00 1o 4 0 8l 0 p m000000000 20 71 o0 70 2 p s00000000 9l o0 70 200 oo00o0o 51 o0 5o00o0 n so00 2o 71 00 9000000o n m0 20 71 00 70 20o0o0000 n b1 00 80 40 1 o0o0000o0 根据正态分布隶属函数构造对c 模糊语言变量的隶属表如 表5 2 所示。 表5 2c 对模糊语言变量的隶属表 t a b l e5 - 2cv sf u z z y l a n g u a g e v a r i a b l e 6_ 5 43210123456 p b0 0o000o000 1o 40 81 0 p m000o00000 2 0 71 0o 70 2 p s00o0000o 91 0 0 70 200 p 00o0000 5 1 00 50o000 3 5 北京交通大学硕士研究生论文 n o0o0000 51 00 500o0o n s0o0 - 20 71 00 90o0o000 n m0 20 71 o0 70 200000o0o n bl 00 80 _ 4o 1000000000 为简化计算，本文将论域元素转化成其隶属度最大的模糊语 言变量，模糊语言变量e 简化后如表5 - 3 所示，模糊语言变量c 简化后如表5 4 所示。 表5 - 3 简化后e 对模糊语言变量的隶属表 t a b l e5 - 3ev sf u z z yl a n g u a g e v a r i a b l e ( s i m p l i f y ) 654 3210123456 p bo0oo00000001 01 0 p mo000 000001 01 00o p s0o000001 o1 0o0o0 o00o0o01 0000000 n s0000 1 01 o00o00o0 n m001 o1 _ o000 00oo00 n b1 01 0000o0 000000 模糊语言变量c 简化后如表5 4 所示。 北京交通大学硕士研究生论文 表5 4 简化后c 对模糊语言变量的隶属表 t a b l e5 - 4cv sf u z z y l a n g u a g e v a r i a b l er s i m p l i f y ) 6- 543210123456 p b000000000001 _ 01 0 p m0000o00o01 01 000 p s00000001 o1 o00o0 p o0000001 00o00o0 n o0000001 o0000o0 n s00001 o1 o0o00 0o0 n mo01 01 0000000000 n b1 0l 00000o0000o0 5 4 5 磁悬浮轴承系统模糊控制规则 模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策 略又是人们通过学习、试验长期积累而逐步形成的，存储在操作 者头脑中的技术知识集合。 手动控制与自动控制的区别就在于手动控制决策是基于操