磁悬浮原理及控制.docx

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1、magneticsuspensiontechnique本文介绍磁悬浮主轴系统的组成及工作原理，提出了一种在常规PID基础上的智能PID掌握器的新型数字掌握器设计。其核心部件是TI公司的TMS320LF2407A,设计了五自由度磁悬浮主轴系统的硬件总体框图。用C2000作为开发平台，设计在常规PlD基础上的智能PID掌握器。理论分析结果表明：这种智能PID掌握器能实现更好掌握效果，达到更高的掌握精度要求。1引言主动磁悬浮轴承（AMB,以下简称磁轴承）是集众多门学科于一体的，最能体现机电一体化的产品。磁悬浮轴承与传统的轴承相比具有以下优点：无接触、无摩擦、高速度、高精度。传统轴承使用时间长后，磨损

2、严峻，必需更换，对油润滑的轴承使用寿命会延长、但时间久了不行避开会消失漏油状况，对环境造成影响，这一点对磁悬浮轴承就可以避开，它可以说是一种环保型的产品。而且磁轴承不仅具有争论意义，还具有很宽阔的应用空间：航空航天、交通、医疗、机械加工等领域。国外己有不少应用实例。磁悬浮轴承系统是由以下五部分组成：掌握器、转子、电磁铁、传感器和功率放大器。其中最为关键的部件就是掌握器。掌握器的性能基本上打算了整个磁悬浮轴承系统的性能。掌握器的掌握规律打算了磁轴承系统的动态性能以及刚度、阻尼和稳定性。掌握器又分为两种：模拟掌握器和数字掌握器。虽然国内目前广泛采纳的模拟掌握器虽然在肯定程度上满意了系统的稳定性，但

3、模拟掌握器与数字掌握器相比有以下不足：（一）调整不便利、（二）难以实现简单的掌握、（三）不能同时实现两个及两个以上自由度的掌握、（四）互换性差，即不同的磁悬浮轴承必需有相对应的掌握器、（五）功耗大、体积大等。磁轴承要得到广泛的应用，模拟掌握器的在线调整性能差不能不说是其缘由之一，因此，数字化方向是磁轴承的进展趋势。同时，要实现磁轴承系统的智能化，明显模拟掌握器是难以满意这方面的要求。因此从提高磁轴承性能、牢靠性、增加掌握器的柔性和减小体积、功耗和今后往网络化、智能化方向进展等角度，必需实现掌握器数字化。近三十年来掌握理论得到飞速进展并取得了广泛应用。磁悬浮轴承掌握器的掌握规律争论在近些年也取得

4、了显著的进展，目前国外涉及到的掌握规律有：常规PlD和PD掌握、自适应掌握、H8掌握等，国内涉及到的掌握规律主要是常规PlD及PD掌握和H8掌握，但H8掌握胜利应用于磁悬浮轴承系统中的相关信息还未见报道。从当前国内外进展状况来看，国外的争论状况和产品化方面都领先国内很多年。国外已有特地的磁悬浮轴承公司和磁悬浮争论中心从事这方面的研发和应用方面工作，如SKF公司、NASA等。其中SKF公司的磁轴承的掌握器所用掌握规律为自适应掌握，其产品适用的范围：承载力502500N、转速l,800100,000rmin,工作温度低于220。NASA是美国航天局，他们开展磁悬浮争论已有几十年，主要用于航天上，争

5、论领域包括火箭发动机和磁悬浮轨道推动系统（2002年9月己完成在磁悬浮轨道上加2g加速度下可使火箭的初始放射速度达到643965kmh。目前国内还没有一家磁悬浮轴承公司，要赶上国外磁悬浮轴承进展水平，必需加大人力、物力等方面的投入。国内对磁悬浮轴承掌握器的掌握规律争论起步较晚，当前使用较多的都是常规PID和PD掌握，实际电路中也有使用PlDD的。掌握精度相对来说不是很高，而且每个系统都必需对应相应的KP,KI,KD,调整起来很麻烦，使用者同样会觉得很不便利。为了使磁悬浮轴承产品化，必需解决上述问题，任何人都能很便利的使用，必需把它做成象“傻瓜型设施一样的产品”，这就得首先解决掌握器的问题。解决

6、此问题就是使掌握器智能化。智能化的内容包括硬件的智能化和软件的智能化。本文仅争论掌握器在掌握算法方面的智能化问题以及实现手段，可为最终解决磁悬浮轴承智能化奠定肯定的基础。2磁轴承系统的组成及工作原理磁轴承系统由转子、电磁铁、传感器、掌握器和功率放大器五部分组成。磁轴承系统是一个特别简单的机电一体化系统，用数学模型精确地描述是特别困难，一般都采纳在平衡点四周进行分析，再进行线性化处理。在不考虑五自由度之间耦合的状况下，只需进行单自由度的分析，如图I所示电磁线圈工Ur 控制君Ux放大器 一仅肉；号 转换电路功率一 放大器移传感器4 7 / /工作原理：转子在偏置电流IO的作用下处于平衡位置x,若某

7、时刻消失一干扰K),转子就使电磁铁I的磁会偏离平衡位置，偏移为X,为使轴承回到平衡位置，须加上掌握电流ic,力增加，电磁铁11的磁力减小。此时转子所受的力为：F=F1-F2+fx=)2-(2其中：为导磁率，S为气隙截面积，N为线圈匝数。对式(1)在(x=0,ic=0)处线性化，在不考虑其它力的状况下，由牛顿其次定律得7X=GXgic+Zv,(2)：G=C=”。一其中：位移刚度系数4电流刚度系数24对(2)式进行Laplace变换得：X(三)=GX(三)-(s)+尸(三)，(3)由(3)式可得系统的结构框图,如图所示：其中：Gc(s)、GP(三)和GS(三)分别为掌握器、功率放大器和传感器的传递

8、函数。对于掌握器可以选用传统的PID,也可以选用本文阐述的智能掌握器图2采纳电压掌握策略的系统闭环传递函数框图3PID掌握器及其智能化方法3.1 常规PlD掌握器为了比较，有必要在此回顾一下传统的PID掌握器。众所周知，常规PID掌握是建立在具有精确的数学模型的基础上的。它具有结构简洁、稳定性能好、牢靠性等优点。在当代的掌握领域，PID掌握在掌握领域中占有特别大的比重。设计它的关键是PID参数的整定问题。但在现实的掌握中，其过程特别简单，在某时刻具有高度非线性、时变不确定性、滞后性等。在外界干扰、负载扰动等因素的影响下，其参数甚至数学模型都会发生转变，这时，常规PlD明显不能满意那些高精度掌握

9、的要求。假如能实时调整PlD的参数的话，这样确定可以满意要求。这种PlD就是智能P1D。3.2 智能PID掌握器随着近几十年智能掌握理论的快速进展，以及不断应用到实践中，目前应用最为活跃的智能掌握包括：模糊掌握、神经网络掌握和专家掌握。人们渐渐把智能掌握的思想应用到常规PID中，形成多种形式的智能PID掌握。它兼具有智能掌握和传统PlD两者优点，如：智能掌握中的自动整定掌握参数能很好地适应掌握过程中参数变化和传统PlD掌握的结构简洁、牢靠性高等，己为人们所熟知。正是基于这两大优点，智能PID掌握为很多掌握过程所采纳。智能PID掌握器又可以分为：基于神经网络的PlD掌握器、模糊PlD掌握器、专家

10、PlD掌握器等多种。3.3 专家PlD掌握器专家PlD掌握器原理图如图3所示。它是传统PID算法的基础上，增加了误差e和误差变化率&,查FUZZy矩阵集、学问库，通过学问推断来确定是否要调整及怎样调整PlD的三个参数Kp,Ki,Kdo明显它是可以依据专家学问和阅历实时调整PID的三个参数，具有很好的掌握性和鲁棒性。本文就这类掌握器的设计进行简洁的阐述。杳e.3Fuzzy矩阳集.杳知识集知判断调整4、4、.f PID算法e(lu（k）一专阶保持器- 被控对象图3专家PID掌握器原理图4硬件设计考虑到磁悬浮主轴系统的特点，同时也为了使其优点能得到充分的发挥，数字掌握器采纳DSP作为核心部件。综合考

11、虑TI公司的各款DSP芯片的性能和集成在芯片内的模块，选用TI公司特地用于工业掌握TMS320LF2407A作为核心部件。TI公司的TMS320LF2407A芯片具有以下特性：（一）可以采纳内部工作频率20MHz,也可以外加工作频率，最大为40MHz,本文晶振采纳15MHz,经陪频后作为其工作频率30MHZ。（二）该芯片集成了2个8选1的10位A/D转换器,共16路式三）自带16KFlaShROM和544字数据存储器。（四）具有12路PWM输出。（五）集成了WatChdog、PLL时钟、EV大事管理器等电路。由于该芯片集成这些在掌握中特别有用的电路，这就一方面减小了硬件设计难度和体积，另一方面

12、提高了系统的牢靠性。电涡流位移传感器的输出范围一般都比较宽，也许为0-24V,而TMS320LF2407A芯片中集成的A/D转换器的范围为0+5V（缘由：DSP只能处理0+5V之间的信号），因此须加一电平转换电路。转换原理：由于传感器辨别率打算了磁轴承系统的最小掌握精度，所以电平转换电路必需保证辨别率的状况下进行，即保证一14.59.5V之间的电压不变，其余按最大化处理。图4是五自由度磁悬浮主轴系统的硬件设计框图。ADTMS32OLF 2407AP位移传感器1自度磁承 五由电1-电磁铁线圈位移传感器2位移传感器3位移传感器4位移传感器5L功率放大器1 功率放大器2 功率放大器3 功率放大器 功

13、率放大5软件设计作为一个系统，它的软件包括系统初始化、掌握算法和特别状况（如掉电、溢出等）处理。TMS320LF2407A是基于C2000的开发环境，可以用汇编语言和C语言进行开发。C语言具有开发周期短、可读性和可移植性强，但执行效率低、故障自诊断力量弱。而汇编语言执行效率高，但指令多，编写繁琐，把握不易。因此一般状况下，调用频繁部分（如：中断部分和初始化部分）用汇编语言，掌握算法采纳C语言编写以降低程序的简单度并提高它的可修改性。掌握算法采纳传统PID基础上的专家PID掌握。传统PID掌握采纳微分先行的实际微分PlD,结构如图5所示1+图5微分先行的实际微分PID本文的系统软件编写采纳汇编语

14、言和C语言两种语言混合编写。系统软件的关键部分就是掌握算法的编写。在编写掌握算法前通过对详细的磁悬浮主轴系统的模型进行稳定性分析并仿真找到它的最优掌握的PID的Kp,Ki,Kd三个参数。并依据以前的模拟掌握和数字掌握的阅历来确定e,&与Kp,Ki,Kd所对应的模糊集。详细的软件编辑框图如图6o其中EV为大事管理器，N为详细的磁悬浮主轴系统所对应的最大掌握量中断程序读入A/D转换值计误=变化率去由e,口角定4国Kt计算控制量用、Mu(nK07Vu(n)=Ou(n)=N输出控帝版并保存II结束结论通过传统PID掌握器和智能PID掌握器在单自由度中仿真结果进行分析比较，得到智能PlD掌握器的掌握效果优于传统PID掌握器，主要体现在从起浮到平衡所需时间短，掌握精度高，抗干扰力量强