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基于DSP的磁悬浮轴承控制系统及其控制算法的研究

彭春山  
【摘要】: 磁悬浮轴承以其无机械接触、无磨损、无需润滑等传统轴承所无法比拟的优点而倍受瞩目。随着磁悬浮轴承技术逐渐被人们认识和掌握,磁悬浮轴承将广泛地应用于以下领域:高精度的机床主轴、高压真空泵、涡轮机、压缩机、水轮发电机、卫星导航等。然而,由于磁悬浮轴承技术是一种复杂的多学科的高新技术,其研究涉及到电磁学、控制理论、机械学、转子动力学以及计算机科学等多个学科的知识。到目前为止,国内外仍缺乏一套成熟的理论和设计方法。磁悬浮轴承必须在控制系统的协助下才能正常工作,因此,控制问题成为磁悬浮轴承的一项关键技术。控制器性能的好坏影响到磁悬浮轴承的动态性能和转子的控制精度,直接关系到磁悬浮轴承能否应用。 本文应用电磁学理论,以精密设计加工的机械磁力轴承为研究对象,研究开发适用于机械机床磨削的磁力轴承数字控制系统,并对磁力轴承控制系统的控制算法进行了较深入的研究,主要研究成果如下: 建立了磁力轴承控制系统组成框架,从整体上论述了磁力轴承控制系统的各个组成部分在系统中的作用以及它们之间的相互关系,并提出了各个组成部分在设计中的要求。 应用电磁学的原理,从简化的磁力轴承的结构模型推导出了一般性结论——电磁承载力公式,在这个基础上进一步推导出了磁力轴承单自由度的数学模型和五自由度全控模型。 根据相应建立的磁力轴承的控制模型以及控制系统的具体要求,提出了适应于磁力轴承系统的集散式硬件设计方案,并在此方案的基础上进行了DSP数字硬件电路的实现。 提出了磁力轴承控制系统中的功率放大器的设计要求,根据设计要求开发研制了磁力轴承脉宽调制型的功率放大器。 从磁力轴承系统的特点和设计要求出发,提出了适应于磁力轴承系统的控制算法。以磁力轴承单自由度模型为基础,推导出了磁力轴承的PID控制算法,并根据实际要求对此算法进行了改进,提出了磁力轴承仿人智能控制,并把两种控制算法进行了软件实现。


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