缪敏娜[1]2008年在《基于DSP的磁悬浮轴承控制系统的研究》文中研究指明磁悬浮轴承利用磁场力将转子悬浮于空间,使转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承,由于它具有无摩擦、无磨损、低能耗、寿命长以及无污染等优点,在很多领域有着广泛的应用前景。正因如此,国内外把磁悬浮轴承的出现称为是支承技术的一场革命。而将磁悬浮技术应用于转子的支承,完全消除轴承与转子的机械接触,可以大幅度提高转速,使得转子具有精度高、发热少、功耗低、无噪声和高洁净等其它轴承支承的转子无法企及的特点。由于磁悬浮轴承系统的非线性和不稳定性,需要通过模拟控制器或数字控制器对其进行稳定控制。磁悬浮轴承的性能优良主要由控制器的好坏决定,它不但决定了磁轴承系统稳定悬浮与否,而且还直接影响到磁轴承的动态特性和控制精度。因此本文以研究磁轴承的控制器为主,对数字控制进行了深入研究。本文首先建立了单自由度的磁悬浮系统的非线性动态模型,并通过平衡点附近线性化的方法,建立相应的磁悬浮轴承的线性系统模型,得到系统的传递函数。在此基础上,分析了系统的稳定性和抗干扰性,设计了PI、PD、PID控制器和利用智能控制的模糊控制器,利用Matlab工具箱中的模糊模块在Simulink里进行仿真。分别给出各种控制器的设计思想、方法和设计步骤,并对各种控制器的控制性能进行了仿真,得出了各种控制器的性能特点。在分析单自由度系统的基础上,本文又对六自由度磁悬浮轴承系统(AMB)进行了分析。首先通过对多自由度磁悬浮轴承系统的结构,及其数学模型进行了分析,建立状态方程;在此基础上,利用经典PID对该系统进行控制,并进行了SIMULINK仿真;针对系统耦合关系的复杂性,提出了解耦方法,建立了对应的磁悬浮轴承数学模型,得到了系统的状态方程和传递函数。在此基础上,采用分散控制方式,设计了解耦控制器,即在解耦后的数学模型基础上采取PID控制方式对其进行仿真研究。结果表明:对解耦后系统比未解耦系统的性能更优越。为了能够实现各个控制命令,以TMS320LF2407型DSP(Digitalsignal processor)为核心,设计控制器。主要进行DSP内部的软件编程,使各模块的功能得以实现,完成从信号采集到向功率器件输出PWM(脉宽调制)信号的全部任务。根据AMB对数字控制器的要求,设计了基于数字信号处理器TMS320LF2407的数字控制器,包括数字控制器的硬件和软件。
程广增[2]2008年在《飞轮储能电池磁悬浮轴承控制研究》文中研究指明磁悬浮轴承具有非线性和开环不稳定性,需要先进的控制系统加以控制。磁悬浮轴承的性能优劣很大程度上取决于其控制系统的性能优劣。通过采用新型先进控制理论来设计控制器以满足磁悬浮轴承系统稳定性、鲁棒性的需求是重要的研究方向,展开磁悬浮轴承控制方法的研究有着非常重要的现实意义。文中首先对飞轮储能系统进行了介绍,对飞轮储能磁悬浮轴承进行了详细的阐述和受力解耦分析。然后设计了单自由度磁悬浮轴承控制实验平台,对其控制部分的位移传感器、功率放大器和执行机构叁大部分进行了性能分析与选型。针对单自由度磁悬浮轴承实验平台进行了详细受力分析推导并通过试验测试建立了其数学模型。以此数学模型为基础进行了PID控制算法和滑模变结构控制算法的理论分析与MATLAB系统仿真。通过仿真具体比较以上两种控制方法的性能。仿真结果表明与PID控制理论相比,滑模变结构控制理论具有更良好的稳定性和鲁棒性,且能够在较短的时间内快速达到系统平衡,并对干扰信号具有较强的抑制作用。在理论分析与仿真的基础上,基于TMS320LF2407 DSP芯片设计了数字控制器,通过实验进一步验证控制方法的实际性能。实验结果充分肯定了滑模变结构控制算法的性能优越性。
万霞[3]2005年在《基于F2812 DSP的磁悬浮轴承系统数字控制器的研究》文中提出本论文采用美国 TI(Texas Instruments)公司的 C2000 系列产品中目前最新、运算速度最快的定点 DSP 芯片 TMS320F2812 作为磁悬浮轴承系统数字控制器的 CPU,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 F2812 DSP 设计了磁悬浮轴承控制器的硬件电路,用 CPLD 逻辑控制实现了 DSP 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 PID 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 10 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 15000r/min。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。
王永生[4]2005年在《基于嵌入式实时操作系统的磁悬浮轴承控制系统设计》文中进行了进一步梳理磁悬浮轴承利用电磁力将被支承件稳定悬浮在空间,由于其无机械接触、无磨损、无需润滑、寿命长、能耗低、噪声小等传统轴承无法比拟的优点而倍受瞩目。而磁悬浮轴承控制系统是磁悬浮轴承的关键部分,其性能的好坏直接影响到磁悬浮轴承的动态性能和轴承转子的控制精度。本文以五自由度磁悬浮磨削电主轴为研究对象,开展了基于嵌入式实时操作系统的磁悬浮轴承数字控制系统的研究,建立了先进的硬件研究平台,并对传统算法和多模态智能控制进行了研究。主要研究内容如下: 分析了五自由度磁悬浮轴承的构成,对各个组成部分及其相互之间的关系做了详细的说明,根据电磁学的基本原理,从单自由度的磁力轴承简化模型推导出其电磁承载力公式,并在此基础上进一步建立了五自由度的磁悬浮轴承控制模型。 根据磁悬浮轴承控制系统的具体要求,构建了先进的硬件控制平台,采用集中式控制,由单一高性能DSP来实现,并配以分组快速DA模块、串口通信SCI模块、可编程逻辑器件(CPLD)等外设,解决了以往采用分散控制的协调控制问题,提高了系统的稳定性、可靠性,简化了系统构成,降低了系统成本。 开展了磁悬浮轴承控制系统的控制算法研究。分析了传统连续PID算法和增量式的PID算法,在此基础上,以单自由磁悬浮轴承模型为基础,根据实际要求提出了多模态智能控制算法,实现系统的较好控制。 完成了基于前后台软件架构的磁悬浮控制系统软件设计;并针对磁悬浮轴承控制系统的复杂性,先从软件编程方法上引入了基于C/C++的编程思想,随后分析了采用传统前后台软件编程方法的局限性,并提出了采用嵌入式实时操作系统DSP/BIOS来实现控制系统的软件架构,且给出了基于此操作系统的磁悬浮控制系统的实现过程。
夏辉[5]2006年在《基于DSP2812的磁悬浮轴承控制器研究》文中研究说明磁悬浮轴承利用电磁力将被支承件稳定悬浮在空间,由于其无机械接触、无磨损、无需润滑、寿命长、能耗低、噪声小等传统轴承无法比拟的优点而倍受瞩目。而磁悬浮轴承控制系统是磁悬浮轴承的关键部分,其性能的好坏直接影响到磁悬浮轴承的动态性能和轴承转子的控制精度。本文以五自由度磁悬浮磨削电主轴为研究对象,建立了控制系统的硬件研究平台,并对神经网络智能控制进行了研究。主要研究内容如下: 介绍了五自由度磁悬浮轴承的构成,对各个组成部分及其相互之间的关系做了详细的分析,根据电磁学的基本原理,从单自由度的磁力轴承简化模型推导出其电磁承载力公式,并在此基础上进一步分析了五自由度的磁悬浮轴承控制模型。 根据磁悬浮轴承控制系统的具体要求,采用集散式控制方案,以多片高性能DSP2812为核心控制器,配以分组快速DA模块、可编程逻辑器件(CPLD)等外设,构建了结构简单、成本低廉、稳定、可靠的硬件控制平台。 开展了磁悬浮轴承控制系统的控制算法研究。在深入分析了神经网络原理和学习算法的基础上,以单自由度磁悬浮轴承模型为基础,利用神经网络高度的非线性映射能力,设计了BP神经网络补偿控制器,该控制器输出为P、I、D信号的非线性组合,同时结合传统PID控制器,以减小磁轴承非线性特性对控制效果的影响,实验结果表明该控制器取得比传统PID控制器更好的控制效果,实现系统的较好控制。 设计了由上位机监控软件和DSP控制软件组成的磁悬浮轴承数字控制系统软件。DSP控制软件通过C语言和汇编语言混合编程实现,由系统初始化模块、高速AD采集及预处理模块、控制算法模块、分组快速DA输出模块、通讯模块等组成。同时根据系统的具体调控需求用VB开发了系统的上位机控制软件,从而实现了计算机对系统的调控和测试。
孙畅[6]2018年在《基于DSP+FPGA的飞轮储能用磁悬浮轴承控制器的设计》文中研究说明飞轮储能作为一种重要的储能方式,具有储能密度大、效率高、响应快的优点。本文以实验室所设计的飞轮储能样机为被控对象,旨在设计出能够用于样机的磁悬浮轴承控制器。在分析了基本结构和工作原理的基础上,利用DSP的计算能力和FPGA的并行处理能力,实现了基于DSP和FPGA主从设计的控制器。本文从硬件设计、软件编程、系统调试叁个方面介绍了研究内容。硬件设计部分根据系统的性能要求,选择了各个功能模块的核心器件,设计了原理图,绘制了对应的PCB板。软件编程主要包括基于C语言的DSP程序和基于Verilog语言的FPGA程序,涉及PID算法、EDMA通讯、AD采样控制、PWM输出。系统调试部分首先对磁悬浮轴承建立了数学模型,利用Simulink对所设计的PID控制器进行了仿真验证并整定PID控制参数;调试了系统各个基础模块的功能;测试了采样模块的实际性能,分析了采样理论极限值与实际极限值存在差距的原因;最后进行轴向悬浮控制实验,实现了飞轮转子轴向的稳定悬浮。
尹国华[7]2007年在《基于VC33 DSP的磁悬浮轴承系统数字控制器的研究》文中研究说明本文采用美国TI(Texas Instruments)公司的DSP芯片—TMS320VC33作为磁悬浮轴承系统数字控制器的CPU,设计并制作了控制器的硬件系统,该系统具有8路14位A/D采样通道、8路12位D/A输出通道,能够分别实现多通道集中采样或多通道分散采样。运用可编程逻辑器件(CPLD)实现了DSP对A/D和D/A的逻辑操作。实现了磁悬浮轴承5路位移传感器信号的采集、处理与控制信号的输出。本文在实验室磁悬浮轴承试验台上进行了实验研究。采用不完全微分PID控制策略,利用C语言和汇编语言混合设计了磁悬浮轴承数字控制器的软件。本文采用差动方式的电涡流传感器来测量转子的位移信号,功率放大器采用的是开关功率放大器。应用本文设计的控制器成功地在磁悬浮轴承试验台上实现了转子的静态悬浮和动态悬浮,最高转速达到27000r/min。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、可靠性高、其控制精度达到了预期的效果。为进一步实现先进的控制算法提供了硬件平台。
李敏花[8]2006年在《基于DSP的磁悬浮轴承数字控制器研究》文中指出磁悬浮轴承是利用磁场力将转子无机械摩擦、无润滑的悬浮在空间的一种新型高性能轴承。它是一种高新技术，涉及到电磁学、机械学、转子动力学、控制理论和计算机科学等众多领域。本文的工作是研究基于DSP的磁悬浮轴承的数字控制器。主要内容为： 首先，介绍了磁轴承的发展和研究现状。然后，在简要分析了磁悬浮轴承工作原理的基础上，推导了单自由度情况下电磁力与控制电流、转子位移之间的非线性关系。并在此基础上，进一步分析了二自由度情况下转子的受力情况。其次，设计了基于DSP(TMS320VC33)的数字控制器硬件系统，包括AD采样电路，DA输出电路，串口通讯电路等，并对各部分电路进行了实验调试。再次，针对磁悬浮轴承系统的固有特性，在不同的区间采用了不同的控制算法，即在轴承的线性范围内采用PID算法，该算法具有动态响应快、调节时间短和无静差等优点，而在非线性情况下采用模糊控制算法，该算法是一种本质非线性的控制算法，能够很好的矫正系统中的非线性因素。编制了5自由度磁轴承的控制算法软件，AD中断软件以及DSP和PC机的通讯软件。最后，调试了模糊+PID算法的控制系统，对5自由度磁悬浮轴承系统进行了悬浮试验，得到了单自由度和二自由度情况下转子的起浮曲线，与模拟PID的响应曲线进行了比较，对系统的刚度进行了验证，并在电磁兼容方面进行了分析研究。
卞斌[9]2012年在《基于DSP平台的磁悬浮轴承数字控制系统》文中提出磁悬浮轴承(Magnetic Bearing,简称MB)是利用磁力将转子悬浮于空间,使转子和定子之间实现无接触支承的一种新型高性能轴承。由于磁悬浮轴承转子和定子之间没有机械接触,具有众多优点：转子、定子间无摩擦,正常运转时可不考虑磨耗问题,因而主轴寿命长,易维护；振动噪声小；可实现高速旋转；能耗低；无需润滑,无油污染,可在真空中,无尘室内,高温、低温、特殊气体中,甚至人体内等特殊环境中使用；通过控制器对电磁力予以调节,即支承刚度阻尼可调,因而可对转子实施主动控制,进行不平衡补偿,温升补偿等,有利于提高转子的动态性能。因为磁悬浮轴承具有以上优点,目前被应用于旋转机械、透平设备、心脏泵和转子飞轮等各个领域。作为电气、控制与机械综合的一项高新技术,磁悬浮轴承中控制系统的设计是一项关键技术。优良的控制系统可使磁悬浮轴承具有强大的功能,但另一方面,控制系统的设计也是一项颇具挑战性的工作。本课题的研究目的是,在高转速、高刚度、高精度的工业磨床上应用磁悬浮轴承,通过建立基于DSP平台的磁悬浮轴承数字控制系统,实现系统的鲁棒稳定和高鲁棒性能,并通过时延补偿控制、位姿误差补偿控制提高磨床电主轴系统的稳定性及精密度。为完成课题,本文主要进行了以下工作：首先,为了满足磨削时磁悬浮轴承电主轴各项控制要求,本文设计了基于DSP平台的数字控制系统及监测平台。其中,数字控制系统主要由位移传感器、A/D转换器、DSP数字控制器和FPGA数字功率放大器组成。数字电主轴状态监测系统主要对转子位移、电磁铁线圈电流以及电主轴温度进行实时监控。然后,本文根据H∞理论以及不稳定结构的鲁棒控制原理,结合了对磁悬浮轴承电主轴系统的数学模型及不确定性的分析,设计了磁悬浮轴承鲁棒控制器。其中,使用自适应神经模糊推理系统对磁悬浮轴承的非参数不确定性进行了智能辨识,设计了相应的H∞控制器,相对于仅考虑参数不确定性的控制器来说,这种方法具有更好的鲁棒性能,在实际应用中取得了良好的效果。数字控制系统中,数字控制时延对系统性能会造成影响。本文在研究了磁悬浮轴承数字控制时延的组成及其对控制系统性能影响的基础上,提出了一种新的时延补偿算法。该算法通过预测下一采样时刻的系统输出来消除时延对控制系统的影响。预测算法由磁悬浮轴承的离散化模型得到,算法系数可以经由神经网络修正。实验结果表明该算法能够很好地补偿数字控制时延,实现了数字控制磁悬浮轴承的稳定悬浮和高速运转。为了实现在磨床应用上的高定位精度,本文在检测系统温升的基础上,建立了温升与转子位姿的相关模型,确定了5路位移控制输入设定值与转子位姿的对应关系,并利用数字控制系统实现了系统温升膨胀的位姿误差在线补偿。补偿算法由FPGA硬件实现,实验结果表明该算法可很好地补偿温升造成的位姿误差,保证了磁悬浮轴承电主轴的稳定性和精度。最后,通过对MK2110型内圆磨床进行改装,搭建了磁悬浮轴承电主轴控制系统实验平台。成功实现了磁悬浮轴承磨床电主轴的五自由度稳定悬浮；进行了旋转实验,转速最高达到30000rpm。在360Hz下进行了磨削实验,磨削出的工件粗糙度和圆度基本满足加工要求,接近工业应用水平。本文主要进行了以下创新：针对磁悬浮轴承电主轴系统的H∞控制器设计,利用智能辨识方法解决加权矩阵选择问题,得到了磁悬浮轴承电主轴系统中的非参数不确定性描述,将非参数不确定加权函数应用在Hoo控制器设计中,实现了高鲁棒性能；针对磁悬浮轴承系统中数字控制时延对控制系统性能的影响,提出了一种数字控制时延的补偿算法,该算法有效地消除了数字控制时延的影响,实现了磁悬浮轴承系统的稳定工作；针对磁悬浮轴承电主轴的温升问题,在检测系统温升的基础上,建立了温升与转子位姿的相关模型；提出了一种温升补偿算法,并利用数字控制系统实现了磨头位姿的在线调整,完成了系统温升膨胀的在线补偿。实验结果表明该算法可很好地对温升膨胀进行补偿,保证了磁悬浮轴承电主轴的稳定性和精度。基于上述创新研究工作,设计的控制系统在实际应用中取得了良好的效果。以上工作中,实施主动控制,利用数字控制器实现先进控制算法以达到系统高鲁棒性,并进行在线补偿以抵消时延、温升等因素对系统的不利影响,这是磁悬浮轴承的优势体现,也是本课题研究的重点和难点,需要吸取转子动力学分析、系统辨识、自动控制、传感器、电力电子技术等多项学科的先进知识。首先,磁悬浮轴承是具有强烈非线性且本质不稳定的控制对象,磨床加工又要求主轴同时具有高精度和高刚度,需要精心设计合适的控制器。由于系统模型中存在参数不确定性和动态不确定性,使得采用PID控制或者依赖于确定性模型的控制方法达不到理想的控制效果,因此有必要设计一个鲁棒性能良好的控制器与系统模型不确定性相适应。在H∞控制方法中,加权函数的选择是一个待解决的难题,加权函数的选择是依靠设计者的经验和反复试算。一般来说,取决于控制设计目标的要求、指标的选择等。文中使用智能辨识方法进行非参数不确定性加权函数的选择,满足了设计要求,系统具有较好的控制性能。其次,磁悬浮轴承系统中,温升效应会影响磁悬浮轴承系统的静态精度,恶化轴向轴承的特性,对系统可靠性造成威胁。为了解决温升问题,本文研究了温升对转子位姿的影响,并使用神经网络建立了关键温度点温度值与转子位姿偏移的映射关系,如何用硬件实现神经网络,实现在线实时补偿,是本论文的一个难点。本文采用主动控制对温升问题进行了补偿,作为下一步研究工作,可以从磁悬浮轴承电主轴结构设计的角度,减少系统的发热源,从源头上控制温升。研究过程中,发现磁悬浮轴承电主轴工作中存在拍振现象,影响磨削效果,也需要进一步的研究并加以抑制。研究工作表明,论文提出并完成的针对磁悬浮轴承数字鲁棒控制系统的理论分析和实验研究方法是重要和有价值的研究成果,得到的控制器在实际应用中具有良好的效果。本文的研究工作为国内磁悬浮轴承控制系统的深入研究和未来的工业应用打下了基础,具有非常重要的理论价值和实际意义。
肖鹏飞[10]2012年在《传感器冗余的磁悬浮轴承转子系统研究》文中研究说明随着磁悬浮技术的不断发展，对系统可靠性的要求越来越高。在主动磁悬浮轴承转子系统中，位移传感器的探头被安装在转子附近，因此会经常受到转子高速运行时所产生的振动和空气涡流所带来的温升的考验，工作环境相当恶劣，是整个系统最容易发生故障的部件之一。为了提高磁悬浮轴承转子系统的可靠性，采用传感器冗余设计是一种有效方式。本文利用ADAMS、ANSYS和MATLAB软件建立了磁悬浮轴承柔性转子系统五自由度仿真模型，并采用不完全微分PID和模糊PID控制策略对系统进行了联合仿真，分析了磁悬浮轴承柔性转子系统在起浮阶段和高速旋转状态下传感器位置发生变化时系统的动态特性。另外，本文设计了基于TMS320F28335DSP的数字控制器，编写了模糊PID和不完全微分PID控制算法程序，建立了基于BP神经网络的传感器故障诊断系统和基于信号差值比较的故障诊断系统，并编写了相应的程序。最后设计制作了传感器冗余的磁悬浮轴承转子系统试验装置，通过人为切断传感器信号线的方式模拟了转子在静态悬浮和高速旋转状态下传感器的失效，研究了传感器失效对系统静态和动态特性的影响。研究结果表明，当切断传感器信号线后，控制器能够准确地诊断出故障传感器，并能及时启动处理方案，其后转子仍然可以维持稳定悬浮和高速旋转。此外，通过对两种控制策略下系统动态性能的比较，验证了本文设计的模糊PID要比不完全微分PID具有更好的控制效果。
参考文献：
[1]. 基于DSP的磁悬浮轴承控制系统的研究[D]. 缪敏娜. 东华大学. 2008
[2]. 飞轮储能电池磁悬浮轴承控制研究[D]. 程广增. 北京交通大学. 2008
[3]. 基于F2812 DSP的磁悬浮轴承系统数字控制器的研究[D]. 万霞. 南京航空航天大学. 2005
[4]. 基于嵌入式实时操作系统的磁悬浮轴承控制系统设计[D]. 王永生. 武汉理工大学. 2005
[5]. 基于DSP2812的磁悬浮轴承控制器研究[D]. 夏辉. 武汉理工大学. 2006
[6]. 基于DSP+FPGA的飞轮储能用磁悬浮轴承控制器的设计[D]. 孙畅. 浙江大学. 2018
[7]. 基于VC33 DSP的磁悬浮轴承系统数字控制器的研究[D]. 尹国华. 南京航空航天大学. 2007
[8]. 基于DSP的磁悬浮轴承数字控制器研究[D]. 李敏花. 山东科技大学. 2006
[9]. 基于DSP平台的磁悬浮轴承数字控制系统[D]. 卞斌. 山东大学. 2012
[10]. 传感器冗余的磁悬浮轴承转子系统研究[D]. 肖鹏飞. 南京航空航天大学. 2012
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