基于DSP的磁悬浮轴承控制系统的研究
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摘要
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。
Active magnetic bearing (AMB) is one new type of high performance bearing which suspends the rotor in a contact-free manner. Because it has no mechanical contact, no friction, lower power consumption, lower noise, lasting service life and no environmental pollution, it becomes more and more useful in many areas. Therefore, the appearance of AMB is regarded as a revolution of bearing technology at home and at abroad. If the AMB technology is applied to support the rotate, it will be characterized by high precision, few heat, low dissipation, no noise and high clearness, which cannot be realized through hard rotates supported by other bearings.
Because of its nonlinear and instability, the AMB must be controlled by the simulation controller or the digital controller. The properties of the AMB are based on the properties of the research of Controller of AMB. The controller not only decides whether the rotor supported by AMB could suspend steadily, but also affects directly the dynamic performance of the system and its precision. So, the paper mainly studies the control system thoroughly for AMB, especially the digital controller.
In the thesis, the nonlinear dynamic mathematic model of single freedom magnetic levitation system is set up, and the linear mathematic models are designed through the linear methods in the vicinity of the equilibrium point. Then, the author gets the transfer function of the system. On the basis of its model, the stability and the anti-jamming are analyzed; the author designs the PI, PD, PID controller and the fuzzy controller. The main work is to design the fuzzy-PID controller, simulating on Matlab. Some methods and design steps of the controller are given. Simulations are made to the controllers; features and performance of each controller are gotten.
On the basis of the analysis of the single freedom magnetic system, the 6 degree of freedom AMB is studied. First, the models of multi-freedom magnetic system are set up by analyzing its structure. Then, the paper uses the classic PID methods to control the system and simulate it. Because of the complexity of the coupling relationship, it proposes that the mathematic models are set up, by the method of decoupling and the state function and transfer function of the system are gotten. Then, the decoupling controller is designed. That is, the PID control method is carried on the decoupling mathematic models and the result is good. It presents that the properties of the latter system are better than before.
For completing all control commands, the dissertation makes use of the TMS320LF2407 as the core to design the controller. Thereinto, the software of DSP has been made to realize all functions of models. The tasks of signal collection and sending the commands to IGBT would be carried out. According to the demands of the digital controller, a controller is designed using the digital signal processor (DSP) TMS320LF2407, including soft design and hardware design.
At last, it is bare out thorough the simulation that the suspension can be obtained by using the controller mentioned above. And it has good properties.
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。
Active magnetic bearing (AMB) is one new type of high performance bearing which suspends the rotor in a contact-free manner. Because it has no mechanical contact, no friction, lower power consumption, lower noise, lasting service life and no environmental pollution, it becomes more and more useful in many areas. Therefore, the appearance of AMB is regarded as a revolution of bearing technology at home and at abroad. If the AMB technology is applied to support the rotate, it will be characterized by high precision, few heat, low dissipation, no noise and high clearness, which cannot be realized through hard rotates supported by other bearings.
Because of its nonlinear and instability, the AMB must be controlled by the simulation controller or the digital controller. The properties of the AMB are based on the properties of the research of Controller of AMB. The controller not only decides whether the rotor supported by AMB could suspend steadily, but also affects directly the dynamic performance of the system and its precision. So, the paper mainly studies the control system thoroughly for AMB, especially the digital controller.
In the thesis, the nonlinear dynamic mathematic model of single freedom magnetic levitation system is set up, and the linear mathematic models are designed through the linear methods in the vicinity of the equilibrium point. Then, the author gets the transfer function of the system. On the basis of its model, the stability and the anti-jamming are analyzed; the author designs the PI, PD, PID controller and the fuzzy controller. The main work is to design the fuzzy-PID controller, simulating on Matlab. Some methods and design steps of the controller are given. Simulations are made to the controllers; features and performance of each controller are gotten.
On the basis of the analysis of the single freedom magnetic system, the 6 degree of freedom AMB is studied. First, the models of multi-freedom magnetic system are set up by analyzing its structure. Then, the paper uses the classic PID methods to control the system and simulate it. Because of the complexity of the coupling relationship, it proposes that the mathematic models are set up, by the method of decoupling and the state function and transfer function of the system are gotten. Then, the decoupling controller is designed. That is, the PID control method is carried on the decoupling mathematic models and the result is good. It presents that the properties of the latter system are better than before.
For completing all control commands, the dissertation makes use of the TMS320LF2407 as the core to design the controller. Thereinto, the software of DSP has been made to realize all functions of models. The tasks of signal collection and sending the commands to IGBT would be carried out. According to the demands of the digital controller, a controller is designed using the digital signal processor (DSP) TMS320LF2407, including soft design and hardware design.
At last, it is bare out thorough the simulation that the suspension can be obtained by using the controller mentioned above. And it has good properties.
引文
[1]胡业发、周祖德、江征风著 磁力轴承的基础理论与应用 北京:机械工业出版社,2006.3:1-178
[2]赵雷等编著 磁悬浮轴承研究进展:暨第一届中国电磁轴承学术会议论文集 北京:原子能出版社,2005.12:20-110
[3]朱秋等著 磁悬浮无轴承电动机发展、应用和前景 微特电机,2006年第3期
[4]黄德中 磁悬浮轴承研究的现状与发展,机床与液压,2003年第6期
[5]刘永兵等著 磁悬浮轴承─新型机械零件 现代零部件,2006年第4期
[6]丁祝顺等著 磁悬浮轴承的研究进展 电力情报,1999年第4期
[7]吕延军等著 非线性径向主动电磁轴承─转子系统的耦合动力学特性及稳定性机械强度,2005,27(3):301-306
[8]谢振宇等编 控制参数对磁悬浮轴承转子系统动态特性的影响 航空动力学报,2004年第19卷第2期
[9]Larsonneur R.Design and Control of Active Magnetic Bearing System for High Speed Rotation,Diss.ETH No.9140,Zurish,1990
[10]任彦硕著 自动控制原理 北京:机械工业出版社,2004.8:40-70,
[11]陶永华,尹怡欣,葛芦生编著 新型PID控制及其应用 北京:机械工业出版社,1998:1-128
[12]吴振顺,张健成主编 控制理论基础与应用 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007:20-120
[13]章卫国,杨向忠著 模糊控制理论与应用 西安:西北工业大学出版社,2001.2:48-87
[14]刘金琨著 先进PID控制及其MATLAB仿真 北京:电子工业出版社,2003.1:1-48,67-80
[15]李国勇编著 智能控制及其MATLAB实现 北京:电子工业出版社,2005.5:194-284
[16]朱衡君等著 MATLAB语言及实践教程.北京:清华大学出版社,2004.10: 24-52
[17]曾光奇等著 模糊控制理论与工程应用 武汉:华中科技大学出版社,2006.8
[18]汤兵勇等著 模糊控制理论与应用技术 北京:清华大学出版社,2002.9
[19]张智星等著 神经-模糊和软计算 西安:西安交通大学,2002.2
[20]李颖等著 Simulink 动态系统建模与仿真基础 西安:西安电子科技大学出版社,2004.7
[21]闻新等著 MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用 北京:科学出版社,2001
[22]朱秋.数控磁轴承的研究与实现[D].南京:南京航空航天大学,2000.
[23]汪希平.电磁轴承系统的参数设计与应用研究[D].西安:西安交通大学,1994.
[24]蒋启龙著 电磁轴承及其应用研究综述 四川:重庆大学学报(自然科学版),2004年第7期
[25]曹建荣,虞烈,谢友柏.主动磁悬浮推力轴承的状态反馈线性化控制[J].西安交通大学学报,2000.10:67-71
[26]曹建荣,虞烈,谢友柏.感应型磁悬浮电动机的解耦控制[J].电工技术学报,2000 5:1-5
[27]张嗣瀛,高立群著 现代控制理论 北京:清华大学出版社,2006.10:190-252
[28]郑大钟编著 线性系统理论 北京:清华大学出版社,1990.3:70-215
[29]汪希平,陈学军.陀螺效应对磁悬浮轴承系统设计的影响.机械工程学报,2001,37(4):48-52
[30]沈钺,岩桦,世琥等.磁悬浮飞轮系统陀螺效应的抑制.西安交通大学学报,2003,37(11),1105-1109
[31]Sivrioglu S,K.LMI approach to gain scheduled H_∞ control beyond PID control for gyroscopic rotor-magnetic bearing system.Proceedings of the 35th Conference on Decision and Control,1996(4):3694-3699
[32]Sivrioglu S.Gain scheduled H inhinity control of active magnetic bearing systems with gyroscopic effect.Transaction of the Japan Society of Mechanical Engineers,1997,63(610):1940-1947
[33]王晓刚.磁悬浮转子系统的耦合理论分析和实验研究.武汉理工大学17-131
[34]王翼著 现代控制理论 北京:机械工业出版社,2005.1:31-90
[35]李春文,冯元琨.多变量非线性控制的逆系统方法.北京:清华大学出版社,1991:59-176
[36]何克忠,李伟著 计算机控制系统 北京:清华大学出版社,1998:273-287
[37]张志涌著 精通MATLAB6.5版教程 北京:北京航空航天大学出版社,2003.3:10-120
[38]刘雪冬著 主动磁悬浮浮力耦合的软件解耦及其控制系统研究 武汉理工大学,2003.5
[39]夏宽理,赵子正编著 C语言程序设计 北京:中国铁道出版社,2006.1:45-166
[40]彭启琮,管庆等著 DSP集成开发环境:CCS及DSP/BIOS的原理与应用 北京:电子工业出版社,2004.7:8-396,
[41]G.施韦策、H.布鲁勒、A.特拉克斯勒著,虞烈、袁崇军译.主动磁轴承基础、性能及应用.北京:新时代出版社,1997:52-63
[42]王晓明等著 电动机的DSP控制:TI公司DSP应用 北京:北京航空航天大学出版社,2004.7:1-67
[43]Texas Instruments Incorporated著,梁晓雯等编译 TMS320C54x系列DSP的CPU与外设 北京:清华大学出版社,2006.9,15:205-227
[44]张毅刚等编著 TMS320LF240x系列DSP原理、开发与应用 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006.8:20-306
[45]Texas Instruments Incorporated著,徐科军等编译TMS320LF/LC24系列DSP指令和编程工具 北京:清华大学出版社,2005.1:383-521
[46]王金龙等编著 DSP设计与实验教程 北京:机械工业出版社,2007.1:13-18,42-882
[47]刘和平等著 TMS320LF240xDSP C语言的开发和应用 北京:北京航空航天大学出版社:15-90
[48]汪安民编著DSP嵌入式系统开发典型案例 北京:人民邮电出版社, 2007.1:89-30
[49]何苏勤,王忠勇著 TMS320C2000系列DSP原理及实用技术 北京:电子工业出版社,2003.9:12-414
[2]赵雷等编著 磁悬浮轴承研究进展:暨第一届中国电磁轴承学术会议论文集 北京:原子能出版社,2005.12:20-110
[3]朱秋等著 磁悬浮无轴承电动机发展、应用和前景 微特电机,2006年第3期
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[38]刘雪冬著 主动磁悬浮浮力耦合的软件解耦及其控制系统研究 武汉理工大学,2003.5
[39]夏宽理,赵子正编著 C语言程序设计 北京:中国铁道出版社,2006.1:45-166
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[49]何苏勤,王忠勇著 TMS320C2000系列DSP原理及实用技术 北京:电子工业出版社,2003.9:12-414