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磁悬浮数字控制器硬件研制

(工程技术学院机械电子工程系自动化专业曹跃隆)
(学号:1999112227)

内容提要:电磁轴承系统的刚度、阻尼是可调的,所以,其动态性能与采用的控制器有
关,有可能获得最优的控制策略。本文采用 DSP 技术,设计了一种新的数字控制系统,着重从
控制器硬件、软件结构方面进行了讨论,并予以实验验证。采用 TI 的浮点 DSP 芯片、连接高
速 A/D 和 D/A,提高了数字控制器的速度和可靠性。这种数字控制系统可作为开发和实施实
时控制策略、进行电磁轴承产品工程化的实用平台,也可以替代现有的模拟控制系统。
关键词:电磁轴承;数字控制;数字信号处理器(DSP);数模转换;模数转换;信号
预处理
教师点评:该论文是国家自然科学基金资助工作的一部分内容。论文开发了一种基于浮
点 DSP— TMS320VC33 的数字控制器。作者分析了磁悬浮轴承的控制要求,提出了硬件解
决方案,并进行了制作、实验验证。主要解决了 A/D、D/A、信号预处理电路与 DSP 的连接
与实现。进行了大量的电路设计与实验,编制了实现 A/D、D/A 的汇编与 C 语言程序,成
功开发出一个五输入五输出的磁悬浮轴承硬件控制器。为实施先进控制算法的磁悬浮数字控
制器提供了一个硬件平台。是一篇高质量的毕业论文。(点评教师:曹广忠,副教授)

1 引言
主动磁悬浮轴承由于具有无接触、无摩擦、高速度、高精度、不需润滑和密封等一系列
优良品质,从根本上改变了传统的支承形式,在能源、交通、超高速精密加工、航空航天、
机器人等高科技领域具有广泛的应用前景。
磁轴承系统的动态性能(刚度、阻尼及稳定性等)的好坏取决于所采用控制器的控制规
律。可以通过采用性能优良的控制器来使磁轴承在物理极限内其刚度、阻尼与轴承的工作环
境,甚至与运行状态及转速相适应;且转子的回转精度可通过优化控制算法,加入反馈进行
补偿等方法来提高。目前采用的模拟控制器虽然在一定程度上满足了磁轴承系统的性能,但
存在着参数调整不太方便,硬件结构不易改变的缺点。先进的控制策略,如非线性控制、模
糊控制及滑动模态控制等,要用模拟控制器实现是非常困难的,甚至无法实现,且控制器体
积大,费用高。从提高磁轴承性能、提高可靠性增加控制器柔性、减小体积等角度出发,故
采用 DSP 作为控制器的 CPU,用数字控制器取代传统的模拟控制器。
2 磁轴承系统的组成及工作原理
该系统实际上由三部分构成,如图 1 所示:

传感器及信号前置处理单元。转子在任一时刻的位置信号由传感器拾取,必要时这种初
始信号还可以经过相应的前置处理后再送往控制器。一般目前所采用的传感器多为非接触式
的电感器、电容式或电涡流传感器。
调节控制单元。由传感器所拾取的实时信号经和给定信号比较后得到误差信号,根据控
1
制理论或给定的控制策略求出转子回复到初始平衡位置所需要的矫正信号。
执行单元。由功率放大器和电磁铁组成。矫正信号经过功率放大器放大后变成足够的电
流或电压输出,以驱动电磁铁产生相应的回复力、迫使转子回复到平衡位置,从而实现了转
子在无接触状态下的稳定悬浮。
3 数字控制器硬件电路的构成
数字控制器所面临的主要问