基于FPGA的主动电磁轴承控制系统设计

【摘要】： 电磁轴承是一种是利用电磁力将转子悬浮于空中,然后用电机带动转子进行运动的一种新型轴承。电磁轴承和普通轴承相比具有无摩擦、无损耗等优点,并越来越多的应用在高速机械加工和储能飞轮以及真空领域中。电磁轴承系统是由控制器、转子、电磁铁、位移传感器、功率放大器等器件组成的复杂的机、电、磁综合系统,其控制系统设计是研究的难点和重点。本文以控制器和功率放大器为研究对象,对其进行了深入的研究,并将FPGA应用于电磁轴承控制系统设计中。 本文在参考大量文献的基础上,介绍了电磁轴承的结构原理,对电磁轴承系统分别进行力学和电学分析,并且建立了单自由度电磁轴承的数学模型,并利用Matlab对其特性进行了仿真。 在电磁轴承系统的理论分析和仿真验证的基础上,本文采用了一种电磁轴承系统的控制结构,并根据控制结构对系统分别进行了硬件设计和FPGA模块设计,硬件设计部分主要包括FPGA选型和配置、电源电路、时钟和复位电路、A/D采样通道以及传感器安装等设计,FPGA模块设计部分主要包括PID模块、数字接口模块、A/D控制模块、功放控制模块等模块设计,PID模块主要用于对控制信号的处理,数字接口模块负责和上位机的通信,A/D控制模块精确控制A/D转换器并缓存A/D转换后的数据,功放控制模块产生开关控制信号以控制电磁轴承系统的状态,在模块设计中对部分模块进行了原理分析和设计仿真,仿真结果符合设计要求。 最后对电磁轴承系统各部分进行调试,并对电磁轴承系统做了悬浮实验,试验结果表明系统起浮平稳,满足磁悬浮系统稳定悬浮要求。