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磁悬浮嵌入式控制系统基础理论和关键技术研究

钟毅  
【摘要】: 磁力轴承是用电磁力使电机转子悬浮于空间之中,从而实现转子于定子之间无机械接触的新型轴承。本论文对国内外磁悬浮主轴系统的控制技术进行了综述,建立了磁悬浮主轴系统的力学和电学数学模型,设计和实现了磁悬浮全数字硬软件控制系统,并对磁悬浮主轴的控制过程进行了深入分析。根据磁悬浮系统的特殊要求和实际情况,将磁悬浮控制系统与嵌入式控制技术相结合,对系统硬件及软件结构进行重新整合和调整,以达到最好的控制效果和最佳的系统稳定性,并对相关理论算法和系统优化进行测试实验和仿真。 结合磁悬浮主轴控制系统的非线性特点,对相关位置控制算法进行分析,特别对磁悬浮变步长PID控制理论、非线性反演自适应控制理论、单神经元控制理论进行数学建模和仿真研究。 从硬件和软件两个方面实现了磁悬浮全数字化控制系统,实现了全数字PWM恒流控制算法。通过DSP所特有的PWM数字信号发生器,完成10路独立数字功放的信号输出,并结合改进型PID控制算法实现恒流控制效果。最后通过设计的硬件和软件平台对磁悬浮相关控制理论进行深入研究,将改进控制技术与传统控制手段进行实验比较和分析,从而得出相应的技术改进方案。 在磁悬浮全数字控制硬件平台上,采用不同的控制软件设计方案:实现前后台的软件设计,给出程序的主要流程;引入C/C++软件框架式编程思想,以uC/OSⅡ嵌入式实时操作系统作为控制软件基础,完成磁悬浮轴承实时控制系统的控制模块的建立、任务的优先级分配以及各种功能的实时调度,双处理通讯和故障诊断等工作。 通过建立的磁轴承硬件系统及试验台,将以上的理论研究和分析进行了静态、动态单自由度和多自由度实验,得到了较为满意的实验结果。


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