（机械电子工程专业论文）磁悬浮平台的数字式悬浮控制研究.pdf

摘要磁悬浮平台由于无摩擦、无磨损、无噪音、无需润滑、寿命长、功耗低等优点越来越受到重视。它是一种涉及到电磁学、机械学、控制理论和计算机科学等众多领域高新技术，同时，磁悬浮平台系统是一个具有强耦合、非线性特性的系统，其承载特性主要取决于平台的结构参数和控制系统的性能。本文的工作是对系统进行综合分析，研究并设计了基于d s p 的磁悬浮平台数字控制器，改善并调试了开关功放。主要研究内容为：首先，阐述了磁悬浮技术研究发展现状及意义。以磁悬浮平台为研究对象，进行单自由度差动控制磁浮系统的电磁铁数学模型推导，确定了电磁铁绕线的结构；对磁悬浮平台电磁力和控制电流进行分析，指出对控制电流的调节最少需要比例和微分两个环节，同时为了使系统具有良好的动刚度，可在系统控制环节中增加积分调节，以减小系统的稳态误差，由此最终确定对系统控制电流的调节方式为p i d控制。其次，根据磁悬浮平台对数字控制器所提出的要求，完成了核心采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器的硬件设计方案及实现，综合考虑了反馈信号的采集通道，前置信号处理电路，a d 和d a 信号的转换电路，s p i通信电路，并在硬件系统的基础上，进行了对数字控制器的软件设计，完成了对a d 信号采集、位置式p i d 控制算法、数字滤波及通信部分等模块进行了详细的程序设计。最后，功率放大电路在磁悬浮系统中作为执行环节也是影响系统性能的关键部分，为了减少系统的功率损耗和易于实现，本文选用了一种半桥式p w m 型开关功率放大电路。电路的脉宽调制驱动信号在芯片t l 4 9 4 中产生，经隔离一驱动电路后将控制信号输入到半桥结构的逆变电路部分控制开关管的导通情况，从而实现信号的功率放大，将放大后的控制电流输入到电磁线圈中实现对系统悬浮部分的控制。综上所述，本文完成了硬件电路及软件程序的综合设计及各项调试工作，软、硬件按功能划分成不同模块，系统软件采用软件工程设计方法，实现程序结构化，功能模块化。为以后功能的逐步扩展打下了良好的基础。关键词d s p ，磁悬浮，数字控制，开关功放a bs t r a c tm a g n e t i cs u s p e n s i o nh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s eo fi t sm a n ym e r i t ss u c ha sn om e c h a n i c a lc o n t a c t ，n ow e a r , l o wp o w e rl o s s ，n on e e do fl u b r i c a t i o na n dl o n gs e r v i c el i f e , e t c i tw a sat y p i c a lm e c h a t r i n i c sp r o d u c ta n di n v o l v e de l e c t r o m a g n e t i c ，m e c h a n i c s ，r o t o r d y n a m i c s ，c o n t r o lt h e o r ya n dc o m p u t e rs c i e n c e t h em a g n e t i cp l a t eh a sv a r i o u sc o u p l i n ga n dn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s ，i t sb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i ci sd e t e r m i n e dm a i n l yb yi t sc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e ra n dc o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r e ，i t si m p o r t a n tt oa n a l y s i st h es y s t e ma n dd e s i g nr i g h td i g i t a lc o n t r o lb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 812a n da m p l i f i c a t i o nc i r c u i ta st oa c q u i r es t a b l es y s t e mp e r f o r m a n c e f i r s t l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h eg e n e r a ls i t u a t i o na n dt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h em a g n e t i cm a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y d e d u c e dt h ed i f f e r e n t i a l - - c o n t r o lm o d e lo fs i n g l e - d e g r e e - o f - f r e e d o mb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h et w o - s t a g em a g l e vs y s t e ma n dt h es t r u c t u r eo ft h ee l e c t r o m a g n e ti sd e t e r m i n e d ；a n a l y s i s i n gt h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a g n e t i cf o r c ea n dc o n t r o lc u r r e n ti n d i c a t et h a tp r o p o r t i o n a l d e r i v a t i v ec o n t r o li sn e e d e da tl e a s t ，i n t e g r a lc o n t r o li sa l s on e e d e dt or e d u c es t e a d ys t a t ee r r o ra n de n a b l es y s t e mt oh a v eg o o dd y n a m i cs t i f f n e s s f i n a l l y , p i dc o n t r o li sd e t e r m i n e df o rt h es y s t e m ，t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em a g n e t i cs u s p e n s i o np l a t f o r m ，d e s i g n i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i tb a s e do nt h et m s 3 2 0 f 2 812d i g i t a lp r o c e s s o r , w h i c hi n c l u d es a m p l ec h a n n e lo fs i g n a l ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，d i g i t a l a n a l o g ( d a ) a n da n a l o g d i g i t a l ( a d ) c o n v e r t i n gc i r c u i t ，s p ic o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h e n ，c o m p l e t i n gt h es o f t w a r ed e s i g no ft h ed i g i t a lc o n t r o l l e r , w h i c hi n c l u d et h es a m p l es y s t e mo fa ds i g n a l ，p i dc o n t r o l l e r , d i g i t a lf i l t e ra n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e se t c ，t h ec o n c l u s i o no ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a t ：t h ed i g i t a lc o n t r o l l e r ，i n c l u d eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，c a ng e tt h ep e r f e c ts t a b i l i t ya n dl e v i t a t i o np r e c i s i o n f i n a l l y , t h ep o w e ra m p l i f i e ri sak e yp a r tw h i c hi n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c eo fm a g l e vs y s t e m ah a l f - b r i d g es w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e rh a sb e e nd e s i g n e di no r d e rt or e d u c et h ec u r r e n tr i p p l ef o rb e t t e rc o n t r 0 1 t h ep w md r i v i n gs i g n a l s ，w h i c ha r eg e n e r a t e di nt l 4 9 4 ，c o n t r o lm o s f e to no ro f fs ot h a tt h ea p p l i e dc u r r e n tc a ng e tt h r o u g hd if f e r e n t i a lc o i lo r n o t t os u mu p ，i nt h i sp a p e r , c o m p l e t e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n dt h ew o r ko fd e b u g g i n g 砀ec i r c u i ta n ds o f t w a r ea r ed i v i d e di n t od i f f e r e n tm o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n s s o f t w a r ee n g i n e e r i n gm e t h o di se m p l o y e di no r d e rt or e a l i z es t r u c t u r e dp r o g r a ma n dm o d u l a rf u n c h i o n s u c ha c h i e v e m e n t sm a k eg o o db a s i sf o rg r a d u a l l ye x p a n d i n gf u n c t i o n si nt h ef u t u r e k e yw o r d sd s p , m a g n e t i cs u s p e n s i o n ，d i g i t a lc o n t r o l l e r , s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ri i i原创性声明本人声明，所呈交的学位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，除了论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，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：导师签名日期：年一月一日中南大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论磁悬浮技术将电力电子技术、自动控制技术、传感器技术、检测技术、微机等高新技术有机地结合在一起，成为典型的机电一体化技术n 羽。它利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来，以满足生产工艺和科学技术向高速、精密化方向发展的需要，并提高振动控制水平。近年来，磁悬浮技术由宇航、军事等领域的应用开始向一般工业应用方面发展口1 。1 1 磁悬浮技术研究背景现代制造技术正朝着高速化、精密化和模块化方向发展，信息等高新技术制造业不仅对加工设备性能如定位的精度和速度提出了越来越高的要求，而且对生产制作环境同样提出了越来越严格的要求h 儿鄹，如光电子器件、半导体芯片等微电子产品均要求在超洁净环境下完成加工制作。在微电子封装设备如共晶粘片机、全自动金丝球焊机和i c 芯片设备如光刻机中，往往需要快速而十分精确的定位和非常精细的运动，因此需要高性能的超精密工作台作为其技术支持儿 。长期以来，这类工作台多数都采用旋转伺服电机驱动和精密滚珠丝杠传动的传统方案。由于从电机到移动工作台之间存在联轴节、丝杠、螺母、轴承等诸多中间环节，不仅加大了定位机构的惯性质量，影响了响应频率；而且由于中间环节产生的弹性变形、摩擦、联结间隙以及反向间隙等，会造成定位进给运动的滞后和非线性误差，降低定位精度隅1 。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下，会产生变形，影响加工精度。为克服以上缺点，提高定位速度和精度，2 0 世纪9 0 年代以后，运用直线电机驱动的定位工作平台出现在精密数控机床和加工中心上。直线电机的应用取消了源动力和工作台部件之间的所有中间传动联结环节，实现了机构的直接驱动，亦即人们常说的零传动，具有传统定位工作台无法比拟的优点。但其可提供的推力小、要求移动部件质量轻微。此特点正适合于微电子、i t等制造业设备，近年来在该领域得到极为迅速的推广应用。无论是滚珠丝杠还是直线电机定位工作台，导轨副、滚珠丝杠副之间的摩擦力及其特性变化等都是影响工作台定位精度的主要因素之一曲1 。对于直线电机定位工作台其影响尤甚。而且由于摩擦产生粉尘污染、引起磨损等原因，这些定位工作台已经不能完全满足微电子、i t 等行业产品超洁净制作环境的要求。为了克服或消除摩擦力的负面作用，国内外已经深入研究并积极引用气悬浮支撑技术，它克服了摩擦、磨损，有很大的优越性，但其最大的缺点是刚度小，承载能力低。随着磁悬浮列车的出现以及磁悬浮轴承在超高速旋转工业机器和航空陀螺中南大学硕士学位论文第一章绪论仪上的推广应用，磁悬浮技术日渐倍受重视。磁悬浮技术属于高新技术，应用于制造业，对传统机械产品向机电体化产品转变发挥着巨大的作用，如磁悬浮轴承、磁悬浮导轨、磁悬浮电机以及磁悬浮机床主轴等，磁悬浮技术在这些产品中的应用显著提高了产品的性能，促进产品的自动化和柔性化。在微电子设备中，若能开发一种集磁悬浮和线性驱动技术为一体的磁悬浮进给机构，取代现有的传统的气悬浮进给机构，无疑对微电子设备的加工精度、加工环境、力n - r _ 效率将得到很大的改善。1 2 磁悬浮技术研究现状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 a m s h a w 就提出了磁悬浮的概念n 们，同时他也指出：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。也就是说应当采用可控电磁铁，这一思想产生于1 9 3 7 年，并构成了之后开展的磁悬浮列车和电磁轴承研究的主导思想。卡朋( k e m p e r ) 在1 9 3 8 年首先采用一个可控电磁铁对一个质量为2 1 0 k g 的物体成功地实现了稳定磁悬浮，这一研究成为在以后展开的磁悬浮列车的雏型。在同一时期内，弗吉尼亚m r g i i l i a ) 大学的毕姆( b e a m s ) 和霍姆斯( h o l m e s ) 采用电磁悬浮技术悬浮小钢球并通过钢球在高速旋转时所能承受的离心力测定试验材料性能，钢球旋转速度达到1 8 1 0 1 r m i n 。这可能是采用电磁悬浮技术支承旋转物体最早的应用实例1 。随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展，从本世纪6 0 年代中期，国际上对磁悬浮技术的研究步入了一个全新的时期羽。6 0 年代起在英国、日本和德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究，德国的m e s s e r s c h m i t t b o l k o w b l o h m 公司早在1 9 7 7 年在其研制的试验列车上所得到的时速可达3 6 0 k m h 。t r u m p e r 在1 9 9 0 年采用e 型电磁铁实现了平台的悬浮和一维短距离运动，h o l m e s 在1 9 9 6 年采用电磁和永磁铁相结合的方法实现了平台的悬浮和一维长距离的运动。b o n n e m a 、s a f f e r t 、b e m d s p r e n g e r 等分别实现了平台的悬浮和平面上的两个自由度方向上的运动n 驯。t r u m p e r 和q u e e n 、b l u m等分别实现了平台的悬浮和空间两个角方向的运动与定位n 蚰。美国和同本则将电磁轴承相继运用到陀螺仪表和卫星姿态控制方面，许多工业发达国家对磁轴承的研究都取得了很大的进展印口叼，在空间技术、物理技术、机械加工、振动控制、机器人、离心机等工业应用领域都得到了广泛的应用n 力n 引。国内在磁悬浮技术方面的研究源于7 0 年代末。上海交通大学、上海微电机研究所等单位均作过这方面的尝试n 9 1 啪1 ，其研究范围多用于惯性器件和仪表上：哈尔滨工业大学和广州机床研究所则研究了卫星姿态控制飞轮及机床主轴两方面应用的磁轴承幢订啤2 舢；清华大学和浙江大学还进行了磁轴承高频电主轴及磁力2中南大学硕士学位论文第一章绪论阻尼器的研究乜钉瞵3 ；西安交通大学致力于磁轴承的研究已有十几年的历史。另外还有国防科技大学、天津大学、上海大学、西安理工大学、洛阳工学院、长春光学精密机械学院等进行了磁轴承的研究，国内在磁悬浮平台的悬浮和驱动还处在开始阶段。1 3 磁悬浮系统的悬浮技术发展在磁悬浮平台中，悬浮控制是磁浮定位系统的核心技术。由于磁悬浮系统具有较强的不确定性、强非线性、强耦合以及混沌现象等，从而引起对其控制难度较大，而在悬浮过程中，系统悬浮间隙的刚度和精度则完全由控制器来决定，其控制性能的优劣不仅决定了磁悬浮能否实现，而且还直接影响到平台的定位精度和承载能力等关键指标嘶2 7 1 ，所以在整个磁浮定位平台系统设计中，控制方法的选用和控制器的设计及优化显得尤为重要，要获得一个高品质的磁悬定位系统必须有一个优良的控制方法和高性能的控制器。系统功率放大器是连接系统控制单元和电磁线圈的一个执行机构，其性能的优劣不仅影响了整个系统的功率损耗，而且直接决定着系统的悬浮驱动能力大小嘲1 。在磁悬浮系统的控制器方面，在2 0 世纪7 0 年代，人们尝试采用p i d 等经典控制方法设计电磁悬浮控制系统w a a o 伴随着2 0 世纪8 0 、9 0 年代的微电子革命以及自动控制技术的发展，状态最优估计l q g 方法、滑模变结构控制、仉鲁棒控制及方法、模糊控制技术、神经网络等现代控制思想被相继应用到e m s 磁悬浮控制系统中口卜蚓。以下将对国内外e m s 磁浮控制技术研究的历史及现状做一个简单的回顾。德国人g o t z e i n 和英国人j a y a w a n t ，s i n h a 是世界上最早开始磁浮列车控制技术研究的学者，g o t t z e i n 在德国第一代磁浮车m b b 和k o m e t 磁浮车的研制中，分别尝试了电磁悬浮的集中控制和分散独立控f l ；l j ( s m c ，s i n g l em a g n e tc o n t r o l l e r )两种方法啪儿删，其反馈状态变量为( 黜) ( 采集踟血信号) 或( j ，母厶) ( 采集，和血信号) 。2 0 世纪9 0 年代英国人s i n h a 将数字控制和神经网络技术运用到磁浮控制系统设计中。另外，其它国家学者口刀如a n s e l m o 和r o b e r t t o m a c l e d 和g o o d a l l等在电磁悬浮控制技术方面也开展了一些研究并得出了很多有意义的结论。我国常导磁悬浮列车控制技术的研究在西南交大和国防科大的积极参与下取得了较大的进展m 儿驯，其中中低速e m s 磁浮列车悬浮控制技术在我国己经趋于成熟。国防科大李云钢和常文森提出了电流环和悬浮子系统两级串联悬浮控制思想m 儿删，独立高速电流环使电磁铁电流快速跟踪控制电压，补偿了磁浮列车电磁铁大电感引起的系统延迟，从而保证悬浮系统足够的稳定性；悬浮子系统则采用鲁棒观测器和p d 控制器，保证系统具有很强的鲁棒性；该电磁悬浮控制系统在3中南大学硕士学位论文第一章绪论国防科大磁浮车上运用效果很好。西南交大江浩与连级三、张昆仑、蒋启龙等分别采用极点法、状态空间法及数控技术对电磁悬浮控制系统进行了分析和综合，他们的研究成果在西南交大磁浮试验车中应用效果良好。此外，西南交大汪晓宁和郝晓枫、冀贞海在电磁悬浮控制的也方法、方法、模糊方法方面进行了探索研究。总的来说，由于国外的磁悬浮定位平台技术受专利保护或者受出口技术限制，其在控制方面的具体方法尚不太清楚。国内由于对磁悬浮平台的研究较少，所以对磁悬浮平台的控制方法也不多见。国内外早期的e m s 磁浮列车悬浮控制系统大多采用了传统的状态反馈控制系统，目前则逐渐采用了也鲁棒控制等现代控制方法，而我国在此方面经过十几年的发展，大大缩短了与国外的差距，但仍需要加大磁浮控制技术研究的深度与广度。在磁悬浮系统的功率放大器设计方面，早期的磁悬浮系统多使用模拟类功率放大器，此类放大器的主要器件也先后经历了电子管、晶体管和集成电路等阶段，但模拟类功放的缺点( 如发热严重，效率低等) 并没有被克服h 5 1 ，到目前为止，将模拟类功放应用于磁悬浮系统的并不多h 司h7 i 。随着电力电子技术的发展，基于脉宽调制原理的开关功率放大器得到了长足发展。由于开关功率放大器的功率器件主要工作在开关状态，使得该类放大器的效率很高，功率损耗低。尤其是进入上世纪九十年代以来，随着半导体集成制作工艺的发展，使得开关功率器件及其控制电路已能实现单片集成。使得开关功率放大器的应用更加广泛和灵活m 儿倒。目前国内对开关功率放大器的研究成果主要有：清华大学第一轮研制了滞环型开关功放，第二轮研制了采样保持性开关功放，第三轮研制了m p w 性开关功放；西安交通大学和南京航空航天大学研制了p w m 型开关功放咖儿刚。总体来讲，磁悬浮系统的功率放大器研究主要集中在开关型功放上啼幻嘞1 。1 4 磁悬浮技术研究的意义二十世纪九十年代以来，以信息高速公路为代表的信息革命浪潮推动着世界电子信息产业的快速发展，成为带动世界经济增长的战略性产业。其中以集成电路为主体的微电子制造业无疑是信息产业的核心和基础，其技术水平高低和产业规模大小已经成为衡量一个国家信息工业发展及综合国力的重要标志直接影响到各国国民经济信息化的进程。微电子制造领域的众多专用设备融纳了当代诸多高科技领域的最新技术成果，涉及到光学、电子、机械、计算机、信息处理、传感与测量、伺服驱动和自动控制等高新技术方面的许多关键技术嘲1 。例如光学导光稳光调制控制技术、精密传动与快速精密定位技术、模拟电子高速控制技术以4中南大学硕士学位论文第一章绪论及专用软件设计技术等等。为解决其中关键技术之精密传动与快速精密定位及控制技术，各种类型的一维、二维或多维机械精密定位平台相继问世了，并大量地应用在专用设备上舾钉。但随着信号提出了越来越严格的要求。如i c 芯片的生产加工要求在超洁净环境下进行。接触支撑形式的机械平台，有的虽然能满足定位精度要求，但由于接触引起机械摩擦，动态响应迟钝，定位时间较长，不能满足高速、高效率的定位要求，影响设备生产率的提高。且由于摩擦产生金属粉尘或为减小摩擦磨损采用油脂润滑等带来了粉尘及油脂污染，严重影响了微电子产品的质量。所以，机械定位平台已无法满足严格的超洁净环境要求。并因为摩擦引起磨损，逐渐降低了设备的使用精度，缩短了设备的使用寿命，增加了维修更新等费用昂贵。为了消除因摩擦而引起的各种不利影响，人们设计了气悬浮定位平台，以气压悬浮支撑替代接触刚性支撑。但实践表明气悬浮定位平台存在着支撑刚度较小的主要缺点，以致平台承载能力和抗冲击能力降低，大大地限制了平台的定位精度。而磁悬浮支承与机械轴承、气浮支承、液体轴承等支承方式相比，磁悬浮支承技术是利用电磁力的作用使被支承物体与定子之间处于无接触悬浮状态，具有无污染、易维护、高速度、高刚度、高定位精度和长寿命等优点，特别适于i c芯片的封装、键合、光刻加工、电气检测等的作业要求。综合分析考虑机械、气悬浮定位平台的优缺点，我们开展了磁悬浮平台的研究设计工作。1 5 论文选题及论文的内容安排1 5 1 论文选题与课题来源随着对加工和测量装备精度要求的不断提高，有关高加速度、超精密运动控制的研究引起了人们越来越多的兴趣。已有的研究表明，影响高加速度，超精密运动控制精度的最主要的因素是非线性摩擦力。常规的支承都采用机械接触方式，运动副间存在摩擦，并需要润滑。磁悬浮支承是利用电磁力将动子稳定悬浮在空间的一种非接触支承方式，克服了机械接触所带来的不利影响，在高速、高精密运动领域中具有广阔的应用前景。以磁浮支承方式替代传统的机械传动，以解决传动副的间隙和弹性变形、支承界面摩擦等引起的运动与定位误差问题；通过揭示磁悬浮平台中出现的各种非线性、强耦合等对悬浮精度和控制的影响规律，为磁悬浮支承提供理论和实验基础。本论文在对磁悬浮平台模型分析的基础上，针对模拟控制参数易随环境等因素改变原因，提出磁悬浮系统的数字控制方式，并按模块化、功能化方式重点对磁悬浮系统中数字控制器和功率放大电路的进行设计，编写了相应的控制程序，实现磁悬浮平台的可靠稳定悬浮本课题是来源于国家重点基础研究发展计划中南大学硕士学位论文第一章绪论( 9 7 3 计划) ( 2 0 0 3 c b 7 1 6 2 0 6 ) “近零摩擦高速高精运动的生成和控制 。1 5 2 论文内容安排对本论文的内容作以下安排：第一章绪论，概述磁悬浮技术的研究背景和现状，磁悬浮系统的悬浮控制技术发展，磁悬浮技术的研究意义，课题的来源及论文的内容安排。第二章首先简单介绍了一种能实现精确定位的磁悬浮平台的结构，确定控制方案，然后对系统控制的对象的模型进行了分析，确定了对系统控制电路的控制方法为p i d 控制，分析比较了数字增量式p i d 控制和位置式p i d 控制两种控制方法，结合平台的实际特性选取了位置式p i d 控制方法。第三章主要完成了数字控制器的硬件和软件设计。在对磁悬浮平台的控制策略和控制方法的分析的基础上，利用t l 0 7 4 c n 、m a x 5 3 2 、t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 等集成芯片和多种元器件设计了硬件滤波电路，数字信号采集系统，及d a 转换电路，为控制系统的实现提供硬件基础；软件设计根据控制要求，分别设计了系统初始化模块、a d 数字信号采集模块、控制算法模块、d a 转换模块、s p i 通信模块等五个模块，通过实验测试：性能稳定，工作可靠。第四章主要介绍了系统开关功率放大电路的设计。通过对目前磁悬浮系统中常用的各种功率放大电路的比较分析，分析了开关功放的各组成部分的功能，确定本系统的功率放大电路的拓扑结构半桥式，控制方式脉宽调制，反馈检测方式等，通过实验测试，证明本系统的功率放大电路原理正确，性能稳定，工作可靠。第五章系统测试。在本章中，首先对所设计的d s p 控制器的各个功能模块进行调试，使之达到实验要求，然后对开关功率放大电路进行基本检测，调节其参数使之满足设计要求，最后进行对磁悬浮系统进行了悬浮控制，测试指出系统达到了稳定可靠的悬浮效果，满足设计要求。第六章为全文总结与展望。6中南大学硕士学位论文第一幸：磁悬浮平台控制方案设计与模型分析第二章磁悬浮平台控制方案设计与模型分析2 1 系统结构和功能介绍磁悬浮运动平台是典型的机电一体化高科技产品，它的整体性能，既依赖于电控部分的设计，也和系统的机械结构密切相关。对磁悬浮运动平台系统结构、系统参数以及系统模型的透彻分析有利于电控系统的研究和合理设计。由图2 - l 可知悬浮平台具有六个自由度且能实现工作而的逐步调平调焦，由于磁悬浮平台的上、下悬浮体在结构和工作原理上完全相同，为了研究方便，本章将主要对上级悬浮运动部件为例进行模型分析，晟后给出上级悬浮运动部件的主要控制参数。整体结构：图2 - 1 磁悬浮平台结构图211 上级悬浮部件结构上级悬浮部件结构如图2 2 所示，主要由电磁铁、上级直线电机动子、挡板、载物台等构成。其导轨与下级悬浮部件相连，固定在f 缴悬浮部件上。目2 2 上蠛磁悬浮平台结构圈中南大学硕士学位论文第二章：磁悬浮平台控制方案设计与模型分析上平台的悬浮主要由六对共2 4 块电磁线圈实现，其中垂直方向有四对，水平方向有两对。电磁铁对为差动式结构。当上平台稳定悬浮时，垂直方向上下电磁铁与导轨之间均保持3 0 0 9 m 的间隙，水平方向左右电磁铁与导轨间距均为5 0 0 i _ t m 。当上平台工作面需调平调焦时，可以分别改变四对垂直方向电磁铁的通电电流，以改变各自的电磁力，进而微调各自与导轨面的间隙大小，由此控制悬浮平台沿z 轴的微动和绕x 、y 轴的微小转动，达到精确调平调焦作用。系统水平方向两对电磁铁用来提供大小恒定的导向磁力，以保障悬浮部件运动时的直线性。同样，改变其通电电流则可改变各自间隙大小，以实现工作平台水平微位移以及绕z 轴的微小转动。电磁铁与悬浮部件通过螺栓连接。电磁铁铁芯由“u ”型硅钢片迭装而成。由于硅钢片具有良好的磁饱和特性、较小的磁滞现象，可以认为线圈的电磁力与铁芯磁通量成一一对应关系，根据电磁学理论可计算出电磁铁的电流磁力一间隙之间的对应关系和数学模型，非常有利于磁悬浮工作平台的模型分析和控制。下图2 3 是上级磁悬浮平台电磁铁的位置分布图。图中a 、b 、c 、d 、i 、j为安装在悬浮平台上的六对电磁铁安装位置。其中a 、b 、c 、d 四对电磁铁提供垂直方向的悬浮电磁力，控制上平台z 方向的悬浮和绕x 轴、】，轴的旋转。i 、j 两对电磁铁提供水平方向的导向电磁力，控制上平台】，方向的悬浮和绕z 轴的旋转。e 级悬浮平台安装在下悬浮平台导轨图2 - 3 上级磁悬浮平台电磁铁位置示意图悬浮部件的实际悬浮间隙由非接触式电涡流位移传感器实时监测。每一对电磁铁与导轨的间隙都由一个独立的位移传感器实时测定，并将测定的位移信号转换为电压信号实时反馈到控制环节。2 1 2 下级悬浮部件结构下级悬浮部件结构如图2 4 所示，主要由电磁铁、下级直线电机动子、上悬浮部件、上级运动平台导轨、挡板等构成。下悬浮部件的导轨位于基座上。8中南大学硕士学位论文第二章：磁悬浮平台控$ 4 方案设计与模型分析图2 - 4 下辐磁悬浮平台结构图下级悬浮部件的电磁铁的分布和结构与上平台基本一致，在z 方向有四对差动式结构的电磁铁对提供垂直方向电磁力，以支撑整个下悬浮部件，并可以通过调节这四对电磁线圈中的电流大小改变电磁力从而实现下悬浮部件的调平；在z 方向有两对差动式结构的电磁铁对提供水平方向电磁力，以起到y 方向的运动导向作用。电磁铁铁芯同样用u 型硅钢片迭装而成。从上图可以清晰的看出，下悬浮部件包括了整个上级悬浮运动部分，即：上平台的悬浮和运动均与下平台的悬浮部件有关，整个上级悬浮运动部分一起随下级悬浮部件的运动而运动，上平台在z 方向的绝对坐标也与下级悬浮部件的悬浮位置有关。图2 - 5 是下级悬浮部件的电磁线圈分别位置图。圈中e 、f 、g 、h 、k 、l为安装在下级悬浮平台上的六对电磁铁安装位置。其中e 、f 、0 、h 四对电磁铁提供垂直方向的悬浮电磁力，控制下平台z 方向的悬浮和绕x 轴、y 轴的旋转。k 、l 两对电磁铁提供水平方向的导向电磁力，控制上平台y 方向的悬浮和绕z 轴的旋转。z、，v2图2 5 下组磁悬浮平台电磁铁位置示意图213 系统基座和整体结构9中南大学硕士学位论文第一章：磁悬浮平台控制方案设计与模型分析冈2 - 6 是系统基座结构图。基座土要用柬支撑整个悬浮运动系统，为f 缴悬浮运动部件提供导轨面，其q jn 耋线也机的定子也固定在基座上。导轨基座材料为球铁采用镜面研磨加工，要求其表面椒糙度小于2 “m ，平面度和垂直度均小于4 m 。图2 7 是磁悬浮系统的整体装配图。幽2 6 东统基座结构崮2 - 7 磁悬浮系统整体蓑配圈图2 - 8 足系统实物图。22 控制方案设计图2 - 8 磁悬浮糸统实物图磁悬浮平台悬浮控弗9 其有不稳定性，闶此要求控制系统要具有根高的控制实时性，控制处理速度快，重复性好的特点。在磁悬浮平台的控制中，控制方式犬体上可以分为模拟控制和数字控制两人炎“。虽然传统模拟式控制器结构简中南大学硕士学位论文第二章：磁悬浮平台控制方案设计与模型分析单、易于调节嘲嘲，但控制器中的一些关键参数会随着环境的变化，时间的推移有所变化，故可重复性比较差。随着悬浮和运动控制精度要求的不断提高，其控制效果已经远远不能满足现代工程应用的需要。因此，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必将成为磁悬浮控制的主流。同时，高速数字处理控制芯片( d s p ) 的应用，使各种高级智能控制算法的实现成为可能。数字控制与传统的模拟控制相比，具有很大的优势，如处理速度快、可以实现较复杂的控制算法；可以方便的修改控制规律，使用灵活；数字控制系统体积小，抗干扰能力强；可以对载荷、位移、振动、轴承电流及其它运行状况实现在线监控，较之模拟控制系统更容易实现良好的人机界面；能对意外和紧急状况，以及其它安全问题做出及时处理等。因此悬浮平台的控制方案拟确定为数字控制，磁悬浮平台悬浮控制方案结构图如图2 - 9 。图2 - 9 磁悬浮平台控制方案结构图从控制方案流程图中可以看出，要对平台实现稳定的悬浮数字控制，必须设计合理的数字控制器和功放电路( 在下面章节将给出详细的设计方法) 还要确定合适的悬浮控制算法。2 3 系统模型分析2 3 1 磁路计算与电磁力分析为了研究问题的方便，首先讨论单自由度磁浮系统中力一电流一位移的关系。图2 一l o 为平台仅受上电磁铁作用时的磁力分析图。图中f 表示线圈通电电流，单位安培a ；n 是线圈匝数；g 为气隙，单位i n i t i ；a 表示铁芯横截面积，单位n l l l l 2 ；，+ 2 9 为磁路平均长度，单位m n l 。图2 1 0 磁悬浮系统磁力分析图在进行磁吸力计算之前，假设气隙没有漏磁，线圈产生的磁通全部流经铁芯，并且磁路中的磁场无论在铁芯还是气隙中都均匀分布，空气的磁导率l 。如果铁芯和铁磁体的磁导率都为，然而由于气隙g 的存在，气隙和铁芯及中南大学硕士学位论文第二章：磁悬浮平台控制方案设计与模型分析铁磁体构成了串联磁路，气隙的磁导率远小于铁芯等的磁导率，因此整个磁路的有效磁导率一定小于。根据电磁学理论，有效磁导率可用下式计算：2 南1 )式中，：磁路中铁芯和铁磁体的平均长度。磁路中磁通密度b 由下式计算：脚。c 历n ，( 2 - 2 )式中t o = 4 x x1 0 v s a m ，为真空磁导率。根据虚位移原理或直接应用磁荷间产生磁吸力理论，可以计算电磁铁对铁磁体产生的磁力为：f ：堕( 2 3 )o将式( 2 - 2 ) 代入上式得：n 风旷钺痴户q _ 4 门锱当材料、结构设定后，磁路的以及形，等都是恒定值，于是，可以令：z = 形，+ 2 9 ，z 称为等效气隙( 在以后的章节里均以等效气隙来表示实际气隙) ，k = 风n 2 a ，代入式( 2 4 ) 中得：f ：七( 三) 2 ：七( 上) 2( 2 5 )zz o a z由上式可以清晰地知道，磁吸力的大小与通电电流的平方成正比，与气隙的平方成反比，均为非线性关系。在m a t l a b 中对不同气隙偏差下电磁力与控制电流的关系进行分析( 以上悬浮平台为例) 如下：悬浮平台距离悬浮平衡位置( 平衡位置万= 0 3 r a m ) 一0 2 m m 至1 1 0 2 m m 气隙偏差下，电磁力与控制电流的关系如图2 一l l 、2 1 2 所示：1 2中南大学硕士学位论文第二章：磁悬浮平台控制方案设计与模型分析zr挺脚圈螂卜zr挺铆匾i e- 0 2 m m为一0 1 m m一xo m m一一0 1 m m黛一0 2 m m，lii矿一一ii：liiii 、，i 一一一；一一一一一：7一 、r 斗一；朔叠一：一一g聋二；童鬟= 二 一j _ l 一三三、g4a 一一4图2 - 1 101234控制电流i ( a )下线圈距平衡位置- 0 2 m 到0 2 m m 气隙偏差下电磁力和控制电流关系e- 0 2 m m、f- 0 1 m m一一一一：*0 m m一0 1 m m鬻、十0 2 m m*父卜p _ y 一一一一一一一一一一一一、- 。、孓二二孪= ：l = ：一。曹一、1 二刘卓矗二一二一jq ：一景j一一 i j ! l、薹。：一。_ 4301234控制电流i ( a )图2 - 1 2 上线圈距平衡位置- 0 2 m 到0 2 m 气隙偏差下电磁力和控制电流关系悬浮平台距离悬浮平衡位置一2 0 a n 至j 2 0 l a n 线圈不同气隙偏差下，电磁力和控制电流关系如图2 1 3 、2 1 4 所示：1 3中南大学硕士学位论文第二章：磁悬浮平台控制方案设计与模型分析zr餐脚匾繇卜zr挺御匾缀叫控制电流i ( a )图2 - 1 3 下线圈距平衡位置- 6 0 u r n 到6 0 u r n 气隙偏差下电磁力和控制电流关系_ 432- 1o1z34控制电流i ( a )图2 - 1 4 上线圈距平衡位置- 6 0 u m 到6 0 u m 气隙偏差下电磁力和控制电流关系起浮时电磁力最小调节范围计算：电磁吸力与磁力线直接有关，吸力的大小和方向也都取决于磁力线的多少和分布状况，而磁力线的多少( 磁通) 和分布又必须通过磁路计算才能确定。由于漏磁通的存在且铁芯的磁阻不是恒定值，因此1 4中南大学硕士学位论文第二章：磁悬浮平台控制方案设计与模型分析要准备的计算漏磁和铁芯磁阻是相当困难的，一般电磁铁如果它的工作强度b 不很高，磁路不处于饱和情况下，当铁芯接近与闭合位置而气隙很小时，漏磁通值相对较小，可以忽略。在本次悬浮平台中，以上平台垂直方向电磁铁为例，平均稳定时气隙为万= 0 3 m m ，而电磁铁的两个磁极面为长方形，长a = 2 6 m m ，宽b = 6 r a m 鱼：0 3 m m ：0 0 1 2 0 2一= 一= ( (口2 6 m m( 2 6 )鱼：0 3 m m ；0 0 5 1 0 k g( 2 9 )这个力是理论调节时最小能达到的范围，实际值应小于理论值，但是仍满足设计要求，保证悬浮平台起浮且有一定的调节余量，给控制器的设计奠定基础。2 3 2 差动控制方式选择在磁悬浮平台中，总共有1 2 对电磁铁，每个自由度的磁极一般被对称安排成如图2 1 6 所示：采用对称的功放电路，按差动模式驱动电磁铁，便可获得一对方向相反的磁作用力，以单自由度磁极结构为例，当悬浮体位于位于几何中心时，在上、下线磁极线圈中通有相等的偏置电流。0 ，再加叠加平衡电流f ，。在任意工作状态，如悬浮体发生偏移e ，则悬浮体上侧与精密导轨气息为c ：。一p ：，相应的，悬浮体下侧与精密导轨的气息为c ：。+ p ：，则差动控制力唧1为：1 5中南大学硕士学位论文第二章：磁悬浮平台控制方案设计与模型分析互= 石一互= j k 9 毛：妻孽主季兰墨鼍乏三兰芋c2 一。，对式( 2 - 1 0 ) 在e ：= o 处进行t a y l o r 展开后滤去高阶小量得：e = 五警z + 等t( 2 - 1 1 )其中，上式中e 为下线圈对导轨的吸力，e 为上线圈对导轨的吸力，i 为控制电流，厶为线圈偏置电流，f 0 为抵消垂直方向静载荷的电流，e 为气隙增量，c o 为平台平衡位置时的气隙，z 为扰动位移( 其中各参数中的下标z 分别表示垂直方向) ，k = 厶2 a ( 风为真空磁导率，a 为磁极面积，n 为线圈匝数) 。稳定悬浮时，垂直方向t = m g 。水平方向e 为零。差动控制方式图如图2 1 5 图2 1 5 差动控制电路悬浮平台距离悬浮平衡位置一0 2 m m 至l j 0 2 m m 气隙偏差下，总悬浮力在不同气隙偏差下与控制电流的关系如图2 1 6 所示：1 6中南大学硕士学位论文第二章：磁悬浮平台控制方案设计与模型分析2r处哟躜控制电流i ( a )图2 - 1 6 距平衡位置- 0 2 m m 到o 2 m m 总悬浮力与控制电流的关系悬浮平台距离悬浮平衡位置一2 0 a n 蛰 2 0 # m 气隙偏差下，总悬浮力在不同气隙偏差下与控制电流的关系如图2 1 7 所示：2罩：，r驶踊蹈控制电流i ( a )图2 - 1 7 距平衡位置- 6 0 u r n 到6 0 u m 6 - 悬浮力与控制电流的关系上文对悬浮平台距离悬浮平衡位置一0 2 m m n o 2 r a m 和- 2 0 a n 蛩 2 0 a n 不同1 7中南大学硕士学位论文第二章：磁悬浮平台控制方案设计与模型分析气隙偏差下各差动电磁铁组的悬浮力与控制电流的关系分析得：在气隙偏差较大的情况下，电磁力的非线性特征较为明显，且在启动时即偏差气隙最大时控制力调节范围最小，而在气隙偏差较小的情况下，平衡位置附近振荡时控制力的变化可以近似的看做线性关系来处理。线性控制即可得到较好的控制效果。2 3 3 电磁铁结构设计由上文知对悬浮平台采用差动控制方式，为了得到更好的控制效果，悬浮线圈采用偏置电流厶和控制电流f 相结合的电流控制方式