基于DSP的磁悬浮轴承控制系统及其控制算法的研究
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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。
Active magnet bearing (AMB),which has many advantages of no touch, no fray, and dispense with lubricate to the traditional bearing, has been attracting great attention. It is one of typical mechatronic products and a new type-high performance bearing piece. With the technology of AMB known and mastered gradually, magnet suspension bearing will be applied to many fields widely, such as high precise spindle for machine tools, vacuum, satellite position system and etc. But, by now a set of theory and designing method is in a need, because the technology of AMB is one of advanced technology ,which come down to many science fields such as Electromagnetic, Control Theory, Mechanics, Rotor Dynamics and Computer Science and so on.AMB can work well only in the help of control system. So control technology is of importance. The performance of controller affects the dynamic performance of AMB system and the control precision of the rotor ,which is very important to the application of AMB.
This paper studies and develops AMB's controlling system for machine tools, applying Electromagnetic theory and taking mechanical bearings as the research object. It also studies control algorithms of AMB's controlling system. Research achievement is as below:
This paper establishes the constituting block diagram of AMB system., and introduces the function and relationship of the system's constituting parts. It also addresses requisition of each part.
Applying Electromagnetic theory and taking AMB's structure model as research objects, it deduces the formula of electromagnetic force, and deduces further single-axis and five-axis mathematic model.
According to the established AMB's controlling model and explicit requisition of controlling system, this paper has presented distributed hardware designing plan, which is suitable for AMB system, and also implemented the rational design of hardware circuit with DSP chip.
We have presented the designing desire of AMB's power amplifier, and developed AMB's pulse width modulation(PWM) power amplifier.
According to AMB's feature and designing desire, we have proposed control algorithms that suitable for AMB system. Based on AMB's single-axis model, we has
deduced AMB's PID algorithm, and improved this algorithm according to the concrete desire, presented AMD biotic intelligence control algorithms, at last we have implemented both algorithms in software.
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。
Active magnet bearing (AMB),which has many advantages of no touch, no fray, and dispense with lubricate to the traditional bearing, has been attracting great attention. It is one of typical mechatronic products and a new type-high performance bearing piece. With the technology of AMB known and mastered gradually, magnet suspension bearing will be applied to many fields widely, such as high precise spindle for machine tools, vacuum, satellite position system and etc. But, by now a set of theory and designing method is in a need, because the technology of AMB is one of advanced technology ,which come down to many science fields such as Electromagnetic, Control Theory, Mechanics, Rotor Dynamics and Computer Science and so on.AMB can work well only in the help of control system. So control technology is of importance. The performance of controller affects the dynamic performance of AMB system and the control precision of the rotor ,which is very important to the application of AMB.
This paper studies and develops AMB's controlling system for machine tools, applying Electromagnetic theory and taking mechanical bearings as the research object. It also studies control algorithms of AMB's controlling system. Research achievement is as below:
This paper establishes the constituting block diagram of AMB system., and introduces the function and relationship of the system's constituting parts. It also addresses requisition of each part.
Applying Electromagnetic theory and taking AMB's structure model as research objects, it deduces the formula of electromagnetic force, and deduces further single-axis and five-axis mathematic model.
According to the established AMB's controlling model and explicit requisition of controlling system, this paper has presented distributed hardware designing plan, which is suitable for AMB system, and also implemented the rational design of hardware circuit with DSP chip.
We have presented the designing desire of AMB's power amplifier, and developed AMB's pulse width modulation(PWM) power amplifier.
According to AMB's feature and designing desire, we have proposed control algorithms that suitable for AMB system. Based on AMB's single-axis model, we has
deduced AMB's PID algorithm, and improved this algorithm according to the concrete desire, presented AMD biotic intelligence control algorithms, at last we have implemented both algorithms in software.
引文
1．R．弗雷泽，P．J．基林森，G．A．奥伯贝克，磁悬浮和电悬浮国防工业出版社，1982(译自“Magnetic and electric suspension”, MIT press, 1974)
2. J.A. Kirlk, D.K. Anand, P. Dachen, Performance of a Magnetically Suspended Flywheel Energy Storage System, Proceedings of the Fourth International Symposium on Magnetic Bearings, ETH Zurich, Switzerland, August 23-26, 1994
3. R. Sindlinger, Magnetic bearings momentum wheels with vernier gimballing capability for 3-axis active attitude control and energy storage. Ⅶ IFAC Symposium on Automatic control in space, Rottach-Egern, May, 1976
4. V. Gondhalekar, G. Schweitzer. Dynamics and magnetic control of a microgravity platform. Rep. Inst. ETH Zurich, 1984
5. R.C. Fenn, J.R. Downer, v. Gondhalekar, B.B. Johnson, An active magnetic suspension system for space-based microgravity vibration isolation. Proc. ASME1990 Symposium on active control for vibration and pointing. Dallas, Nov. 90
6. M. Brunet, B. Wagner, Analysis of performance of an AMB spindle in creep feed grinding, Proceedings of the Fourth International Symposium on Magnetic Bearings, ETH Zurich, Switzerland ,August 23-26,1994
7. S. Earnshaw, On the nature of the molecular forces which regulate the constitution of the lumiferous ether. Trans. Camb. Phil. Soc. 7,1842
8. Maurice Brunet, Practical Applications of the Active Magnetic Bearings to the Industrial World, Proceedings of the First International Symposium on Magnetic Bearings, ETH Zurich, Switzerland, June 6-8, 1988
9. M. Taniguchi, H. Ueyama, M. Nakamori, N. Morita, Cutting Performance of Digital Controlled Milling AMB-spindle, Proceedings of the Fifth International Symposium on Magnetic Bearings, Kanazawa, Japan, August 28-30,1996
10．张祖明、温诗铸，关于直流控制式磁力轴承的控制稳定性分析，第一届全国机械零件计算方法学术会议论文集，1982
11．靳光华、胡升魁、张锦文，主动磁悬浮轴承的原理及结构，上海微电机研究所，1983
12．陈易新、胡业发、杨恒明，机床主轴可控磁力轴承的结构分析与设计，机床与液压，1988．3
13．陈易新、杨恒明、胡业发，轴向磁力轴承计算机辅助设计，机床与液压，1988．3
14．EMO97新技术系列报道之二，电主轴—当前最热门的功能部件，世界机电市场，1998．2
15. V. Jung, Magnetisches Schwebende, Springer-Verlag, Berlin, 1988
16. Keper H. Overhead suspension railway with wheelless vehicles employing magnetic suspension from iron rails. Germ. Pat. Nos. 643316(1937) and 644302(1937)
17. Knospe CR. Introduction to the Special Issue on Magnetic Bearing. IEEE Trans on Control Systems Technology, 1996,4(5):481-485
18. Brunet M. pratical Applications of dActive magnetic Bearing to the Industrial World. The First International Symposium on Magnetic bearings, ETH Zurich, 1998
19. Schweiter G. Applications of Magnetic Bearings. The First Intertional Symposium on Magnetic Bearings, ETH, Zurich, 1998
20. G. Schweitzer, Proceedings of the First International Symposium on Magnetic Bearings, Zurich, Switzerland, June 1988
21. Proceedings of the second InternationalSymposium on Magnetic Bearings, Tokoy Japan, June 1990
22. Highchi T. Balancing measurement system using magnetic bearings. In: Proceedings of 1st international symposium on Magnetic Bearings.
23．谢宝昌，任永德，王庆文．磁悬浮电机及其应用的发展趋势．微电机，1999年第32卷第6期，28—30
24．袁崇军，杨涌，曹洁．电磁轴承结构优化设计．机械科学与技术，1995(6)
25．赵雷，刘晋春，张士义，可控磁悬浮轴承刚度的提高与大范围稳定性。组合机床与自动化加工技术，1996(7)
26．施阳，周凯，严卫生等．主动磁悬浮轴承控制技术综述．机械科学与技术，1998，17(4)
27．龙志强，金永德．磁悬浮轴承的控制系统设计．机电工程，1993(4)
28．李俊，徐德民．主动磁悬浮轴承的非线性反演自适应控制．机械科学与技术，1998
29．吴涛，于军琪，黄永宣，胡保生．广义线性磁悬浮对象的H_∞控制问题．西安交通大学学报，2000，2
30．施阳，严卫生，任章，徐德民．主动磁悬浮轴承的神经网络PID控制研究．机械科学与技术，1998
31．黄晓巍，冯志华，唐钟麟．数字控制的电磁轴承系统的研究．机械设计与研究，1999(1)
32．曹广钟，虞烈，张钢等．电磁轴承系统的电气系统研究．机械科学与技术，1999，18(2)
33．杨作兴，赵雷，赵鸿宾．磁轴承MPW开关功率放大器的研究．电力电子技术，2000年第5期，23—25
34．张德魁，赵雷，赵鸿宾．电流响应速度及力响应速度对磁轴承系统性能的影响，清华大学学报(自然科学版)，2001年第41卷第6期，23—26
35．汪希平，万金贵．轴向磁悬浮轴承用非接触式差动电感位移传感器的实验研究．仪器仪表学报，1998，12
36．徐科军，马文．差动变压器型传感器优化设计．传感器技术，1989(15)：30—35
37．刘晓军，刘小英，胡业发，柴苍修．轴向数控磁力轴承的磁力计算及刚度研究．武汉工业学院学报，2001年第2期，3—5
38．施韦策G，布鲁勒H，特拉克斯勒A著，主动磁轴承基础、性能应用．虞烈，袁崇军译．北京：新时代出版社，1997
39．刘晓军，胡业发，柴苍修．五自由度磁悬浮轴承控制稳定性分析．第十七届计算机辅助生产工程国际会议．
40．刘晓军，刘小英，胡业发，柴苍修．轴向磁力轴承数字控制系统的设计．华中师范大学学报(自然科学版)，2001第35卷第1期，36—39
41．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．西安交通大学学报．2000年10月，第34卷第10期，67—71
42．曹建荣，虞烈，谢友柏．感应型磁悬浮电动机的解耦控制．电工技术学报，2000年10月，第15卷第5期，1—5
43. TMS 320 C2000 DSP Reference Set ,Volume 1:CPU and Peripherals. Texas Instruments Inc. 1997
44. TMS320C24x DSP Reference Set, Volume 4:Applications Guide. Texas Instruments Inc. 1996
45．王天祥．数字信号处理器(DSP)及其支持芯片的选择．DSP开发与应用，1996-1
46．张雄伟，曹铁勇编著DSP芯片的原理与开发应用(第2版)．电子工业出版社，2000
47．衷玲，刘耦耕．MAX7000可编程逻辑器件．包装工程，2002年第1期．
48．谢运详，盛洪刚．可编程逻辑器件的发展及其应用前景．微电机，2002年第35卷第1期，32—36
49．徐爱钧，智能化测量控制仪表原理与设计．北京航空航天大学出版社，1998，10
50．张占松，蔡宣三编著开关电源的原理与设计．电子工业出版社，1998
51．李鹤轩，钱利民．电力电子技术与运动控制系统．福建科学技术出版社，1994
52．熊腊森．IR2110高压MOS栅极驱动器的功能及应用．电力电子技术，1996年2月第1期，59—61
53．陈伯时主编．电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，1992
54．张德魁，赵雷，赵鸿宾．电流响应速度及力响应速度对磁轴承系统性能的影响，清华大学学报(自然科学版)，2001年第41卷第6期，23—26
55．丁祝顺，王养丽，彭震中．磁悬浮轴承的研究进展．电力情报．1999年第4期，13—16
56．夏红，王慧，李平．PID自适应控制．信息与控制，1996，25(3)
57．施阳，严卫生，任章，徐德民，主动磁悬浮轴承的神经网络PID控制研究．机械科学与技术，1998
58．施阳，严卫生，任章，徐德民．主动磁悬浮轴承的神经网络PID控制研究．机械科学与技术，1998
59．李士勇编著模糊控制、神经控制和智能控制论．哈尔滨工业大学出版社，1998
60．王培进．仿人智能控制的稳定性研究．计算机工程与应用，2001年6月，14—16
61．刘西和．仿人智能PID控制及其在平台数字调平中的应用．计算机自动测量与控制，1995年第1期，39—43
2. J.A. Kirlk, D.K. Anand, P. Dachen, Performance of a Magnetically Suspended Flywheel Energy Storage System, Proceedings of the Fourth International Symposium on Magnetic Bearings, ETH Zurich, Switzerland, August 23-26, 1994
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8. Maurice Brunet, Practical Applications of the Active Magnetic Bearings to the Industrial World, Proceedings of the First International Symposium on Magnetic Bearings, ETH Zurich, Switzerland, June 6-8, 1988
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13．陈易新、杨恒明、胡业发，轴向磁力轴承计算机辅助设计，机床与液压，1988．3
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53．陈伯时主编．电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，1992
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