基于dsp磁悬浮轴承控制系统的硬件研究

1、号处理电路；对于传感器始终存在的偏置耦合问题，提出了传感器差动测量的方法。电磁铁部分，主要开展了电磁铁的机械设计和电气设计。首先分析了电磁铁所需的导磁材料；为减小电磁铁磁极间的耦合，便于电磁铁加工和实现，对电磁铁的磁极数和布置进行了优化设计；根据系统提出的支撑力指标，易于电磁力的实现和控制，选择了电压差动型绕制方式；选定了径向轴承和推力轴承所需导线线径并计算了线圈的匝数。针对磁悬浮轴承控制系统的特点和要求，本设计中采用开关功率 放大器，分析了开关功率放大器的基本特点。在实现支撑所需的电磁 力基础上，对开关功率放大器电路进行了优化设计，采用三电平软开 关的电路结构，以降低主功率器件的功耗、提高系

2、统的动态响应速度、提高稳态电磁力的平稳性；仿真分析表明可以达到预期的效果；最后还建立了功率放大器的小信号模型，为控制系统的调节器设计提供了 依据。关键词：磁悬浮轴承，差动控制，三电平，软开关，小信号模型IIRESEARCH ON THE HARD後RF OF ACTIVEMAGNETIC BEARINGS SYSTEM BASED ON DSPAB STRACTActive Magnetic Be撕ng (AMB)，with adVantages of no衔cti叽， high speed，hi曲precision，make the rotor be suspended by con仃01l

3、ing the magnetic forceIt has so many characteristics mat it is considered as atechn0109y reVOlution 0f the be撕ngs 111e AMB is an adVancedtechn0109y，which relates t0 many science fields such as mechanics，rotor dynamics，electrOrrlagneticS，electrOnics，cOntr01 meory，computer science and so on In many co

4、untries such as USA， France， Japan， and Switzerland，AMB has been industrialized7I'he domestic research onAMB staned行om me 80m of last centubut AMB has not be肌industrializedSo it has important significance for me research on me magnetic bearingsFirstly， theAMBs feature，research status and仃endS of

5、 thedevelopment at home and abroad are presented in this paperThe行amework and composition of me fiVe degree·of-行eedom AMB systemare analyzed based On the single degree-of丹eedom AMB systemtheo In order to achieVe the AMB con仃011ing system，the elec仃omagnetic force is 1ineraizedThis thesis takes t

6、he chip TMS3 20LF2407A as the Digital Signal PrOcessing controller，which is easy to achieVe high speed and precisionIn this paper，it takes cen仃e·contr01ling as the scheme，and the basic circuit of DSP is desi印edOn the basis of the analysis and comp撕son of sonle sensors，EddyCurrent Sensor is sele

7、cted，and its equiValem circuit，strength and depth of the eddy cullrent，radial distribution of me cu仃ent，axile intensity of the magnetic inductorium are all analyzedThe processing circuit Of sensOrssignal is desi印ed Because of coupling problem of the sensors，difrerential measurement of sensor is appl

8、iedElectrical and mechanical design of the elec仃omagnet is accomplished in the AMB systemFirstly，magnetic materials are studied Then in order to reduce the magnetic field coupling of the elecnomagnets p01es，the number and 1ayout of me elec仃Omagnets p01es are optimized f-or processing and producing A

9、ccording to the requriements of easy control for the system of elec仃omagnetic force，we chose the electromagnet of differentialV01tage for the elec仃omagnetic forceThe radius of the electromagnet windings in the radial and thllJstbearings are chosen，and the number of wire tllms is calculatedVThe switc

10、hing power卸叩1ifier is designed for me feature of requirement in the AMB system，and the basic characteristic is analyzed The switching power amplifier is optimized based on the achieVement ofelectromagnetic force，and the circuit structure of tristate power amplifier wim soRswitching is designedThis c

11、ircuit 0、ns me adVantages of reducing the dissipationpower On the power component and improVing me speed of system dynamic response，enhancing the stability of the electromagnetic force in me final state，and me nice result is presented by the simulationThe small-signal model of the power amplifier is

12、 alsoestablishedKEY WORDS：AMB，differential-con仃01ling，three一1eVel，soRswitching，smallsignal model东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写， 我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：否钟日期：渺8年乡月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完

13、全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校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，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密口。学位论文作者签名：劲象咖中日期：砌8年弓月日指导教师签名： 日期：年第一章绪论第一章绪论11引言随着我国加入世贸组织，经济全球化、科学技术的进步，中国早已成为世界的制造中心，但距离世界制造强国还有很大的差距。我国的高新产品比较少，科技含量比较低。二十一世纪知识经济的到来，先进制造技术迅速发展

14、，广泛应用于航空、汽车、石油等工业的转子正在向高速度、高精度、自动化、智能化方向发展。磁悬浮轴承作为一种典型的高技术含量、高附加值机电一体化产品，在国外成功应用于高速、高精度机床主轴、高速真空泵等产品中，并创造了很大的经济效益。国内将磁悬浮轴承应用于工业产品中还存在着一系列理论与方法有待研究与解决。磁悬浮轴承有着广泛的应用前景和重要的商业价值。12磁悬浮轴承概述121磁悬浮轴承简介磁悬浮轴承(Ma印etic Be撕ngs)也称为磁轴承、电磁轴承、磁力轴承，其应用转子机械学、动力学、电子学、控制学、磁性材料、测试技术、传感技术、 数字信号处理等多学科技术，通过受控电磁力将转子和轴承分开，实现无机

15、械接触的新型高性能轴承川。磁悬浮轴承由于其可以实现无机械接触悬浮，这一特点使得磁悬浮轴承与传统的滑动轴承、滚轴轴承相比，具有以下优点：1)无摩擦，完全消除了磨损， 提高了使用寿命；2)无需润滑和密封：3)适应运行环境能力强，能在极高或极低温度(253。+450。)下工作；4)发热小，功耗小：5)圆周速率高，大约可达350川s；6)轴承工作的可控性好，可以从控制系统直接获得控制信息，可以达到很高转子控制精度【2】。磁悬浮轴承系统按工作原理可分为三类：1) 主动磁悬浮轴承(Active Ma驴etic Be撕ngS简称J蝴B)，也称有源磁悬浮轴承，电磁力是可控的，通过传感器检测悬浮转子的位置，控制

16、系统进行主动第一章绪论控制实现转子悬浮；2) 被动磁悬浮轴承(Passive Ma弘etic Bearings简称PMB)，也称无源轴承，主要特点用磁体或超导体实现对转子部分自由度的支撑；3) 混合磁悬浮轴承(Hybrid Magnetic Be撕ngs简称HMB)，其机械结构中包括了电磁铁和永磁体或超导体【3J，两部分共同作用来实现对转子的支撑。目前研究较多的为主动磁悬浮轴承，本文中以主动磁悬浮轴承为研究对象。磁悬浮轴承利用电磁铁和铁磁材料之间的作用力实现转子的无接触悬浮，若电磁铁中通以恒定电流，则转子稍有扰动就能使转子偏离平衡位置而无法复原，因此必须对磁悬浮轴承施加主动控制才能稳定工作。1

17、22磁悬浮轴承的发展状况早在1840年，英国剑桥大学的恩休(SE锄shaw)学者就提出了使物体悬浮的条件，只有采用抗磁性材料才能依靠选择恰当的永久磁铁结构与相应的磁场分布而实现稳定悬浮。从而人们有了使物体悬浮的概念。1937年，肯铂(Kemper) 申请了一项有关磁悬浮技术的专利，专利提出了采用新的交通办法的可能，在控制中采用电感或电容式传感器以及电子管放大器，这一实验正是稍后出现的磁悬浮列车的前身。20世纪60年代中期，随着控制元器件的不断发展和完善，法国、日本、美国相继对主动磁悬浮投入了研究。1969年法国SEP公司开始研究主动磁悬浮系 统的特性，1972年将第一个磁悬浮轴承应用于卫星导向

18、飞轮支撑。1965年、1968 年，日本学者森美朗、金子礼三等分别发表了“可控磁悬浮轴承的基础研究一第一报告、第二报告的论文，提出了磁悬浮轴承线性化理论，并建立了数学模型，为单自由度控制的磁悬浮研究奠定了基础。随着功率电子器件和数字信号处理器的出现以及控制理论和转子动力学的发展，磁悬浮轴承技术得到了长足发展。1977年，S2M公司开发出世界第一台转速为24，min的高速机床电主轴，该公司多年来已经开发了多种磁悬浮轴承产品，广泛应用于机械加工电主轴、真空泵、高速机械和发电站等。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。瑞士MECOS TraxlerAG生产的磁悬浮轴承主要应用于透

19、平鼓风机、分子泵、气体膨胀机以及纺织锭子。1992年成立的Revolve Ma印etic Be撕ngs inc3在2000年由AB SKF of Goteborg Sweden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、空调压缩机等。另外，还有瑞士mAG公司，生产70000in和40000in两个系列的机床电主轴，刚度能达到500形。，p国内对磁悬浮轴承的研究起步较晚，总体来说处于实验室和工业实验阶段， 目前还没有批量生产的例子报道。1986年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学 对“磁悬浮轴承的开发及其在FMS中的应用"课题进行了

20、研究。清华大学工程物理系研究了磁悬浮高频电主轴，转子质量221kg，最高转速52530印m，径向轴承刚度78肌川。西安交通大学对支撑飞轮的磁悬浮轴承51和涡轮膨胀机用磁轴承进行了研究。上海大学试验研究的磁悬浮轴承制氧透平膨胀机(6】，在12000in时振动幅值为20所，稳定转速为92000in。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。另外，哈尔滨工业大学、北京工业大学、国防科技大学等都曾或正在开展这方面的研究工作。总体来看，国内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，还没形成批量生产的报道，和国外水平相比还有一定的差距。随着磁悬浮轴承研究

21、的深入，1988年6月，在瑞士苏黎士召开第一届国际磁悬浮轴承学术会议，会议就磁悬浮轴承在空间技术、物理学、机器人、机床、真空泵等方面的理论研究与工业应用进行了广泛的交流。会议商定以后每两年召开一次国际磁悬浮轴承学术交流会。1990年7月，在日本东京大学召开第二届国 际磁悬浮轴承学术会议，这次会议涉及的应用范围广、参加的国家更多。到目前为止，已召开了九次磁悬浮轴承会议，将对磁悬浮轴承的理论研究与工业应用产生很大的促进作用。123磁悬浮轴承的发展趋势磁悬浮轴承技术目前在军事工业、真空超洁净环境、石油和天然气等领域获得了广泛的应用【71。磁悬浮轴承的发展主要集中在以下几方面：1)新型材料的应用，超导

22、磁悬浮轴承的研究。近年来，随着高温超导材料和抗磁材料研究的突破性进展，超导磁悬浮轴承引起了研究者的关注，高温超导第一章绪论技术的发展，将使超导磁悬浮轴承在部分领域对普通磁悬浮轴承构成挑战： 2)控制系统及算法向智能化、集成化发展【18】。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向数字化、智能化、集成化发展是必然趋势；3)提出零功耗磁力轴承，高温磁悬浮轴承的研究。以航空发动机为应用对象，研究能够在550。C一650C温度下工作的高温磁悬浮轴承，解决材料、工艺、可 靠性、高温传感器等问题。美国和欧洲都在开展航空发动机用高温磁悬浮轴承的研究；4)将驱动与轴承进行混合控制

23、，引入了无支承电机的概念。由于磁悬浮轴 承结构与交流电机定子结构的相似性，在电机定子中附加磁悬浮轴承绕组来实现 对转子的悬浮。无轴承电机采用磁悬浮轴承，可以缩短电机尺寸，降低系统成本， 近年来已经成为了一个研究热点；5)将传感器与轴承进行混合控制，提出了无传感器的磁力轴承。这种磁悬 浮轴承不需要位移传感器，可以降低成本、减小体积、提高系统可靠性，在工业 上有很广阔的应用前景；6)磁悬浮轴承的工业应用。研究磁悬浮轴承的最终目的是工业应用，由于 具有多种优点，磁悬浮轴承正迅速从传统的涡轮机械、高速机床等行业向新行业 突破，如人工心脏血液泵【81、干燥机、精密位置平台、计算机硬盘【91等。13本论文

24、研究的内容本文首先介绍了磁悬浮轴承的优点以及国内外的发展状况和趋势。在分析单 自由度磁悬浮轴的基本原理的基础上，分析了五自由度磁悬浮轴承的组成及结 构；为便于磁悬浮轴承控制的实现，对磁悬浮轴承的电磁力进行线性化。本磁悬 浮轴承系统采用数字集中控制方案，以数字芯片TMS320LF2407为控制核心，确定了数字控制系统的整体框架：设计了DSP的基本外围电路。在分析比较各种传感器特性的基础上，选择了电涡流传感器作为转子位移的 检测元件；分析了电涡流传感器的等效电路，涡流强度和深度、涡流的径向分布、线圈轴上的磁感应强度，传感器的测量电路等；对于传感器的信号处理设计了滤 波电路；对于传感器始终存在的偏置

25、耦合问题，提出采用传感器差动测量的方法。4第一章绪论对于电磁铁部分，主要开展了电磁铁的机械设计和电气设计。首先分析了电磁铁所需的导磁材料：为减小电磁铁磁极间磁场的耦合，易于电磁铁加工和实现， 对电磁铁的磁极数和布置进行了优化设计；根据系统提出的支撑力指标，便于电 磁力的实现和控制，选择了电压差动型绕制方式；选定了径向轴承和推力轴承所 需导线线径并计算了线圈的匝数。功率放大器的设计中采用开关功率放大器，首先分析了其基本特点。在实现支撑所需的电磁力基础上，对开关功率放大器电路进行了优化设计，采用三电平软开关的电路结构，通过仿真，对于降低主功率器件的功耗、提高系统的动态响应速度、提高稳念电磁力的平稳

26、性有很好的效果；最后建立了功率放大器的小信号模型，为控制系统的调节器设计提供了依据。14章节安排第一章介绍了磁悬浮轴承的优点及其应用的领域，着重说明了磁悬浮轴承国内外的发展状况及发展趋势；第二章介绍了磁悬浮轴承的工作原理，磁悬浮轴承的电磁力的计算，并将其线性化，建立了单自由度磁悬浮轴承的数学模型；第三章建立了整个数字控制系统的框架，选定数字控制芯片，介绍了所用部分模块，设计了芯片的基本外围电路；第四章介绍了磁悬浮轴承所用到传感器，着重研究了电涡流传感器的原理和等效电路，工作时导体内涡流深度和强度，传感器的信号处理电路；对于磁悬浮轴承传感器测量带来的耦合问题，采用了差动测量的方法；第五章介绍了磁

27、悬浮轴承的电磁铁的设计，设计了八极式电磁铁机械结构； 并设计了电磁铁的电压差动型线圈绕制方式、线圈的线径大小和匝数；第六章主要介绍了磁悬浮轴承开关功率放大器的设计。设计了双极式H功率放大器，采用移相三电平的调制方法，以减小电流的纹波；在开关功率放大器中加入软开关功能，以减小开关损耗：采用仿真软件MicroCap对功率放大器进行了仿真，仿真实验结果表明，功率电路能够达到预期目的；最后建立了功率放大器的小信号模型，为控制系统的调节器设计提供了依据。第一章绪论15小结本章介绍了磁悬浮轴承的独特优点、磁悬浮轴承的发展状况和发展趋势、论文所作的主要工作及章节安排。6第二章磁悬浮轴承原理及组成第二章磁悬浮

28、轴承原理及组成与被动磁悬浮轴承和混合磁悬浮轴承相比，主动磁悬浮轴承系统的磁场是可 控的，电磁力由线圈中产生的磁场提供，从而使支撑力可控；转子位置、轴承刚 度和阻尼也可由控制系统确定。因而目前得到了广泛研究和应用。本文以主动磁 悬浮轴承为对象进行研究。21磁悬浮轴承的工作原理若要使转子稳定悬浮，则需要对转子的五自由度的运动进行有效约束控制， 其中包括四个径向运动和一个轴向运动。转子绕轴的转动可由电机或其它动力驱 动装置施加驱动力，这就需要两个径向磁悬浮轴承(转子两端X，】，两个方向)和一个推力磁悬浮轴承(Z方向)，构成一个完整的磁悬浮轴承系统。下面以磁悬浮轴承单自由度为例，介绍其基本原理图21。

29、电磁铁图21单自由度磁悬浮轴承原理选取单个自由度的磁悬浮轴承为例，图21可知一个典型的磁悬浮轴承由转子、电磁铁、传感器、控制器和功率放大器组成。悬浮转子的位置变化，即其运 动状态由传感器进行检测，并将信号反馈给控制器，控制器根据反馈信号，经过·一定的运算产生相应的控制信号，通过功率放大器将控制信号转换为电磁铁上的电流的变化，产生相应的电磁力的变化，对转子作用从而使转子的运动达到预定的要求。7第二章磁悬浮轴承原理及组成五自由度完整的磁悬浮轴承系统的示意图22所示。转子图22五自由度磁悬浮轴承示意图转子两端的彳，】，方向运动，可以通过径向轴承的作用进行控制，使转子悬浮 起来。轴向方向则通

30、过推力磁轴承对推力盘的作用，从而控制转子在轴向方向的，运动。其主要有位移传感器、电磁铁、控制器、功率放大器组成。 1)位移传感器用来测量转子在任意一个时刻的位置。传感器是作为转子位移信号的反馈通道元件，位移传感器的性能是影响磁悬浮轴承的一个重要因素。 其基本要求【10】：1)非接触式；2)能抑制噪声、磁场干扰，信噪比高；3)线性范围大，灵敏度高；4)稳定性好，温漂、时漂小；2)控制器是整个系统的控制核心。由于磁悬浮轴承系统本身是不稳定的， 必须通过进行反馈控制才能进行稳定悬浮。控制器的作用是对传感器检测的位置 偏差信号进行适当的运算，使转子有高精度的定位，而且在外力的干扰作用下， 能通过迅速而

31、适当的信号使转子回到平衡位置。可分为数字控制器和模拟控制器 两种；3)功率放大器的作用是将控制信号进行放大，转变为足够的电压或电流输出，提供给电磁铁所需要的电流。可分为线性功放和开关功放两种； 4)电磁铁是磁悬浮轴承的执行元件。通过线圈中电流的变化，改变电磁力的大小，进而对转子的位置进行适时调整。8第二章磁悬浮轴承原理及组成22磁悬浮轴承的电磁力的计算及线性化对于单个电磁铁对转子的电磁力大小的计算，可以在作一定假设的情况下得 到。在电磁铁所形成的磁路中，作一定的假设1)电磁铁和转子铁芯气隙中的磁场是分段均匀的；2)铁芯不呈饱和特性；3)不考虑漏磁和磁滞的影响，磁场特性按基本磁化曲线计算。蛎l

32、L， 7，II厂。 必图23轴承y方向的受力图根据麦克斯韦吸引力公式，可以得到y方向单个电磁力【11】为：厂=K；(21)式中K=丛c。s口；地为空气磁导率；以为线圈绕组的匝数；彳为磁路面积；f为线圈中的电流；x为空气气隙，口为电磁力和y方向的夹角。当磁悬浮轴承结构参数一定时，K为常数。吸引力的大小与线圈电流的平方 成正比，与气隙长度成反比。一般情况下，对于转子单方向电磁铁控制，采用差动控制方式(下文中介绍)，如图24所示，其中一个电磁铁使以偏置电流和控制电流之和(厶+之)励磁， 另一个则为偏置电流和控制电流之差(厶一)励磁，根据上面的磁力公式，两 磁极对转子在y方向的磁力之差可以得到下图所示

33、。9第二二章磁悬浮轴承原理及组成一一 L巧，l、 ， ，-厂一，一一哆厂一O 对一Iu。以蠢茧二E吨也“辫一夥2)将上式在(乇，)处展开，将上式按泰勒级数展开，并忽略二阶及二阶以上各项，则可得：F，x)：F(f0，)+掣(ffo)+皇!警坠蹴苎立(x一)+碳(23)去曼三笋(f一毛)2+皇二笔掣(f一乇)(x一)+旦三铲(x一)2】+当f，x在点(fo，)很小的领域内变化时，其线性项所带来的误差可以忽略不计。F(f，x)F(毛，)+掣(f一乇)+旦兰g坠苎立(x一)(24)反20掣：笪嘻兰孚生c。s口：屯。皇兰至兰立：一簪c。s口：一t(25)叙12矗3也为磁悬浮轴承的位移系数，前面的负号表示

34、位移与力的变化相反；t为磁悬浮轴承的电流系数。磁悬浮轴承的结构参数和定子线圈静态工作点确定之后，t和恕均为常数。则磁悬浮轴承电磁力可以在点(乇，)为中心的非常小的领域内线性化【2】可得如下近似值：lO第二章磁悬浮轴承原理及组成F(f，x)=七；F(fo，)+t(f一乇)一to一)(26)理论上简化的线性方程在很大应用范围内对控制器的设计是非常合适的。如果设计时选择恰当的参数，使得，(fo，)在Y方向的重力相等；在水平方向时，可以让其在(O，O)点展开，(fo，)从而为零。在不考虑外界扰动情况下，其微分方程为朋二=也卜tx，转子位移的传递函数为害等=磊专。23传感器和功率放大器传递函数在磁悬浮轴

35、承系统中多米用非接触式的位移传感器，传感器输出的电压信号 经过低通滤波器，以消除传感器中的高频噪声，传感器环节的传递函数可看作一阶环节，由于滤波器的时间常数和传感器的延迟时间常数较小，则其传递函数的时间常数可近似为两者之和，表达式如下式所示：啪，=器=南眩7，式中：4为传感器增益(聊)：z为滞后时间常数(s)：在本系统中，根据所选择的传感器特性和滤波器电路的时间常数，瓦=32×10石s4=3掰=300Q聊，其传递函数为q(s)=再淼。(滤波器时间常数)+10×lO石s(传感器时间常数)=132×lO正s；功率放大器是磁悬浮轴承系统的重要部分本文研究的电压电流开关功

36、率放大器，表现为带有小惯性环节的放大器，其传递函数(下文第六章有证明)为：啪)南Q8)其传递函数为G口(s)=再百。本文中，以=2钐=2x35=144，=6·137×10=oo00613s，因此第二章磁悬浮轴承原理及组成，24小结本章主要以单自由度磁悬浮轴承为例，介绍了其控制的基本原理；并介绍了 五自由度主动磁悬浮轴承的构造原理，主要包括控制芯片、电磁铁、功率放大器、位移传感器等几部分；在此基础上对磁悬浮轴承电磁力进行计算并线性化；介绍了功率放大器和位移传感器的传递函数，为后续各部分的设计提供了理论基础。第三章磁悬浮轴承数字控制系统的硬件设计第三章磁悬浮轴承数字控制系统的硬

37、件设计磁悬浮轴承具有优越的性能，但本身易受多方面的影响，其中包括磁悬浮轴承的机械结构设计、所使用的材料、控制系统的设计等。在磁悬浮轴承结构优化的基础上，磁悬浮轴承能否实现所设计的精度、刚度、稳定性要求，控制系统的硬件设计是其主要的因素之一。磁悬浮轴承系统具有不稳定性，所以要求控制系统具有很高的控制实时性。 磁悬浮轴承是非线性的，决定了磁悬浮轴承的控制采用现代控制理论或智能控制 算法，其算法比较复杂。因此这就要求控制核心必须具有高度的运算速度和较强 的数据处理能力，才能达到一定的控制精度；同时要求整个控制系统的A，D采 样模块转换速度快、精度高、多通道；方便的通讯、调试接口，硬件电路尽可能 简单

38、，便于实现和通用性强。除此之外，还要求满足整个系统稳定性好、可靠性 高、抗干扰性强：软件方面调试方便，代码可重用性好，方便实现功能扩展、状 态检测和故障诊断等功能。由此可见，磁悬浮轴承控制系统的硬件设计是控制系统的基础，良好的控制系统硬件平台是实现磁悬浮轴承控制的前提条件。31控制系统方案设计磁悬浮轴承系统的控制方案可以分为模拟式控制和数字式控制【l 2】两种。早期的磁悬浮轴承控制系统中，采用模拟式控制方案的比较多，在这种控制方案下， 控制系统的硬件设计要靠庞大的模拟器件来实现，此种系统过于复杂，干扰源多， 调试不方便，并且只能完成简单控制。对于磁悬浮轴承这种复杂的系统难以达到很好的控制目的。

39、现代控制理论和电子技术的飞跃发展，磁悬浮轴承控制系统逐渐向数字控制系统发展，不仅可以实现复杂的先进的算法，结构灵活方便， 还利于调试，从而为磁悬浮轴承系统性能的提高提供了便利。13表31模拟和数字式磁悬浮轴承系统控制方案的比较类别之量第三章磁悬浮轴承数宁控制系统的硬件设计模拟式控制数字式控制14控制核心模拟器件搭建微控制器实现的算法实现单一算法且难更改实现复杂算法且易更改扩展性难易调试难易度难易干扰源多少结构复杂模块化结构体积大小由表31知，数字控制是磁悬浮轴承的发展方向【13】。本文中采用数字式控制方案。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。对于集散控制系统的思想是“分散

40、控制，集中管理，就是将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，即用一片微处理器控制一到两个自由度。虽 然集散控制将控制任务专一化，大大减轻了控制器的运算负荷，但集散控制所需硬件架构复杂，系统过于庞大，连接接口太多；同时，这种方案中系统将不考虑各自由度的耦合问题，不利于控制系统的产品化。集中控制的思想就是把整个控制系统当作一个模块来设计，以专用的控制芯片为核心，辅以IO外设，通信模 块设计成一个控制系统。大大减少了干扰源的产生几率，降低系统成本，缩减系统体积，使功能高度集成化。集中式控制系统核心处理器可由DSP实现，DSP负责信号的采集与处理、控制算法的实现、输入输出控制等任务

41、。集中控制比集散控制数字式控制系统设计较为合理，结构清晰，体积精简， 算法实施更容易实现，系统优化，扩展方便。因此本文采用集中式控制方案。32数字控制系统的设计与实现对于数字式控制系统的硬件设计原则为：合理选择系统结构，确定整体框架， 协调各部分相互关系，选择各子系统的合理设计方法，兼顾调试方便等原则。第三章磁悬浮轴承数字控制系统的硬件设计磁悬浮轴承数字系统主要包括：电磁铁、位移传感器、数字控制器、功率放大器等部分。以单个磁悬浮轴承为例，其控制框图为下图所示。图3-l磁悬浮轴承控制框图在本文中采用开关功率放大器(下文中将有讨论)，DSP的控制信号主要对功率放大器发出PwM脉冲信号：对于位移传感

42、器所采集的信号，经过滤波器输入到控制芯片中，控制芯片对其进行定的运算处理。321数字芯片的主要特点随着微电子技术的发展，数字信号处理器的性能越来越高，其成本不断的下降，在各个行业中得到了广泛的应用。现代DSP芯片作为可编程超大规模集成电路(VLSI)器件，通过可下载的 软件或内部硬件来实现复杂的数字信号处理功能。DSP芯片除具备普通微处理器的高速运算和控制功能外，针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理操作，在处理结构、指令系统和指令流程设计等方面都有较大的改进。DSP【141 的主要特点：(1)采用哈佛结构或改进的哈佛结构与传统的冯·诺依曼结构相比，哈佛结构的主要特点是将

43、程序和数据存储空间存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。从而使数据的吞吐率提高了一倍。(2)专用的硬件乘法器由于具有专用的应用乘法器，乘法可以在一个指令周期内完成。乘法速度越第三章磁悬浮轴承数字控制系统的硬件设计快，DSP的性能越高。(3)多个功能单元现代DSP芯片内部设置了多个并行操作的功能单元，由于多个并行单元的并行操作，使DSP芯片在相同时间内可完成更多的操作，因此提高了程序的执行 速度。(4)专用寻址单元现在DSP芯片内一般都有支持地址运算的算术单元一地址产生器。地址产生器与算术逻辑单元并行工作，因此不再占用CPU的计

44、算时间。(5)指令系统的流水线操作DSP芯片执行一条指令通常需要经过取指、译码、取操作数和执行等几个阶段。为了提高芯片的计算速度，现代的DSP芯片普遍采用流水线操作，可以并 行处理多条指令。在每个周期内，可以有多条不同的指令处于激活状态，每个指 令处于不同的阶段。(6)片内存储器DSP的特点是需要大量的重复运算，其程序一般多比较短小，存放在片内可以减小指令的传输时间，并有效缓解芯片外部总线接口的压力。除了片内程序存 储器外，DSP一般还集成了片内数据存储器，用于存放参数和数据。(7)特殊的指令集在DSP芯片的指令系统中设计了一些特殊的DSP指令，以充分发挥DSP算法及各系列芯片的特殊设计功能。

45、(8)快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的指令，加上集成的电路 的优化设计，可使DSP芯片的指令周期下降到50ns以下。322数字芯片的选型TMS320LF240xDSP(Digital Signal Processor)是TMS320数字信号处理器(DSP)家族中的一员。TMS320LF240x系列是为了满足大范围的数字电动机控制(DMC)应用而设计的。TMS320LF240x系列DSP除了以上DSP的一些共有特点以外还另有以下一些特点：17(1)采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为33v，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns(

46、30MHZ)，从而提高了控 制器的实时控制能力。(2)基于TMs320c2xxDsP的cPu内核，保证了TMS320LF240x系列DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。(3)片内有高达32k字的FLASH程序存储器，高达15K字的数据程序RAM，544字双口RAM(DARAM)和2K字的单口RAM(SARAM)。(4)两个事件管理器模块EVA和EVB模块，每个包括：两个16位通用定时器，8个16位脉宽调制(P11M)通道。(5)可扩展的外部存储器(LF2407)总共192K字空间：64K字程序存储器 空间；64K数据存储空间：64K字IO寻址空间。(6)看门狗定时器模块(WDT)。 (

47、7)10位AD转换器最小转换时间为375ns，可选择两个事件管理器来触发两个8通道输入AD转换器或一个16通道输入的AD转换器。(8)控制器局域网络(CAN)20B模块。(9)串行通信接口(SCI)接口模块。模式。(10)16位的串行外设(SPI)接口模块。 (11)基于锁相环的时钟发生器。 (12)高达40个可单独编程或复用的通用输入输出引脚(GPIO)。(13)5个外部中断(两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。(14)电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作其中TMS320LF2407是240x系列中的一种功能最全的控制器，2407控制器上具有该系列的特点，且TM

48、S320LF2407A的处理速度为40MIP。由上述特性可以看出，TMS320LF2407从集成度、运行速度和功能都完全符合系统的要求，因此选取此芯片。323 AD转换模块和PWM波的产生磁悬浮轴承的主控系统中，对位置信号的测量是十分重要的。传感器的信号第三章磁悬浮轴承数字控制系统的硬件设计经过适当的硬件模拟滤波处理，到达AD采样通道，AD将模拟信号转换为相应的数字信号，其精度和分辨率以及采样转化的时间都是十分重要的。TMS320LF2407A的ADC模块有16个模拟量输入通道，可进行10位分辨率的模数转换，最快转换时间为375ns。可以满足磁悬浮轴承数字系统的要求，AD 模块必须外接转换参考

49、电压，它有两个引脚VREFHI、VREFLO分别接参考电压的高、低电平。10位ADC转换处理的数字结果可用下式近似表示：RDEPSc觇r rr丁个=1012n3，×=!，=二，二却二“=f垒二，f昭二P=一=二职E彪竺D，(3】11、)VREFHlvREFLO其转换结构保存在结构寄存器(RESULTORESULTl5)，保存转换结果。按照五路传感器的设计，可选择端口(ADCINOADCIN5)，假设磁悬浮轴承控制系统转速为20000rmin，则旋转一周时间为3ms，DSP完成一通道所需的转换时间为375ns，则采样相邻通道时转子转过的角度可用下式来计算：3垅s移：竺×360

50、。：O045。(32)对于五路输入信号，从第一路到最后一路采集完成轴承转子转过的角度为O225。，其影响很小，可以忽略不计。可以满足磁悬浮轴承系统中控制要求。在DSP系统中，通过事件管理器可以方便产生所需要的PWM波形。对于下文中开关功率放大器所需要的PwM波，在事件管理器中通过设置定时器周期寄存器和比较寄存器来实现。其原理为通用定时器工作在连续增减工作方式，通用定时 器寄存器来实现周期设置，比较值寄存器的大小改变输出脉冲的占空比。在比较寄存器(CMPR)存放一个比较值，定时器计数值与比较值进行比较匹配改变输出电平，并且可以产生相反的波形如下图32所示。从而为开关功率放大器的不同 的控制方式提

51、供了可能。第三章磁悬浮轴承数。控制系统的硬件设计比较值LPWMlPWM2定时器计数值比较低2PWMl PWM2图32 PWM波形的产生不恿图上图A所示，定时器计数值与比较值1相比较，产生50占空比的脉冲PWMl， PWM2为其相反的波形。根据第二章中电磁铁工作在差动方式，此波形适应在平衡点所加的PWM脉冲，产生上下相等的电磁力。当电磁铁受到向上的扰动时， 上电磁铁所施加的PWMl脉冲占空比减小，下电磁铁所施加的PWM2脉冲占空比增大，综合作用产生向下的电磁力。如上图B所示的脉冲波形PWMl和PWM2适合此要求，因此可以满足电磁铁在差动方式下工作。324抗干扰因素的考虑在磁悬浮轴承的数字控制系统

52、中，有强电和弱电两种应用环境，存在多种电磁干扰，影响系统的稳定性和可靠性。在设计系统时，需要对电磁兼容进行考虑。电磁干扰按其产生和传播的方式可分为一下五种： (1)静电干扰，主要是由电场通过电容器或分布电容耦合对装置所形成的干扰；19第三章磁悬浮轴承数字控制系统的硬件设计(2)电磁辐射干扰，主要是由外界电磁波的传播，被电子装置接受所形成的干扰；一(3)磁场耦合干扰，主要是由在电子装置附近流过较强电流线路，周围变化的电磁场对电子装置所形成的干扰； (4)共阻抗干扰，主要是由在电子回路中公共导线存在着电阻和电感，某一回路流过公共导线，在导线上产生的电压降耦合到其他电子回路所形成的干扰；(5)电源的

53、干扰，主要是由电网中的干扰信号耦合到控制系统中所形成的干扰。针对以上所存在的干扰形式，在设计硬件时，应考虑以下几个方面： (1)静电干扰的抑制：采用静电屏蔽的方法，从外部进入系统的接线可以套磁环；(2)内部电磁干扰的抑制：在磁悬浮轴承中，内部的干扰源主要是功率放大器的主电路及电源线等。采取的方法为功率放大器的控制信号和主电路需要光耦隔离驱动；部分易受干扰的电路采用屏蔽材料隔离；采用软开关技术；(3)共阻抗干扰的抑制：常见的是公共地线共阻抗干扰和电源共阻抗干扰。采取的方法是，对数字电路和模拟电路的地线和电源线分开单独设置；选用截面积大的电源线和地线，PCB布线时，增加电源线和地线的宽度或采用敷铜增大面 积；(4)电源干扰的抑制：采取的方法是在电源的输入端并联lO一100uF的电解电容。除了以上措施，在设计PCB时尽量优化设计，采用贴片元件n们，缩短引脚长度，减少去藕电容供电回路面积，减少电磁干扰。第三章磁悬浮轴承数字挖制系统的硬件设计3.2.5 DSP的电源设计7图33 DSP电路的辅助电源部分本设计中DSP供电电源采用12V的外部开关电源。经过MC7