基于LF2407A DSP的主动磁轴承数字控制系统的研究
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摘要
主动磁轴承是一种新型、高性能轴承，由于转子与定子之间不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，几乎没有磨损，因而具有寿命长、能耗低、噪声小，无需润滑的优点。在很多应用领域内与传统轴承相比，表现出了明显的优越性。
本文在分析电磁轴承工作原理的基础上，建立了五自由度磁轴承转子的力学模型，并结合一套磁悬浮实验台的结构参数，得到了该实验台转子的力学模型。为控制器的设计打下了基础。
为了保证磁轴承控制系统的实时性，完成越来越先进、复杂的控制算法，就要求CPU的运算速度足够快，因此，本论文采用了美国TI(Texas Instruments)公司的C2000系列成熟产品中目前最新、运算速度最快的一块DSP芯片TMS320LF2407A作为磁轴承数字控制器的主CPU，设计了控制器的硬件系统。之后，建立了带附加超前PID控制器的模型，对该PID控制器进行了数字化，推导出了适合于数字控制的差分方程，并用DSP汇编语言编制了控制程序，实现了磁悬浮转子的稳定悬浮。为了实现对磁轴承系统的模拟调试，研制了模拟调试用的DDS(Direct Digital Synthesis)信号源，并利用该信号源完成了控制参数的整定，实现了5自由度磁悬浮转子的高速稳定运转(在本实验台中，转速达30，000转／分)，电控系统稳定性好、重复性好，其控制精度达到了预期的效果。
Active Magnetic Bearing (AMB) is a kind of novel high-performance bearing , because of the contact-free property between the rotor and stator , the rotor can rotate at very high speed , with almost no wear . So AMB has the advantages of long lifetime , low power loss , low noise and no lubrication . Thus AMB shows obvious advantages over conventional bearing in many application fields .
The thesis educed the mechanics model of five-degree freedom rotor of magnetic bearing based on the analysis of the operation principle of AMB . Combining the mechanical parameters of a set of AMB flat for experiments , we get the mechanics model of this flat. Above work give a foundation for controller design .
Ensuring the real-time operation of the control system of AMB , and making the CPU complete more and more advanced , complex control algorithms , the operation speed of CPU must be rapid enough . So this thesis used a piece of DSP chip : TMS320LF2407A, produced by TI(Texas Instruments) company of America to act as main CPU of our digital controller of AMB , and designed the hardware of the controller . This DSP chip is newest, fastest DSP of TI company's C2000 product pipeline these years . Then , this thesis provide a PID control model with a phase increased tache , and the digital difference equations which were fit for digital control algorithm of AMB are produced . Using these difference equations , a digital control software was weaved in DSP assembly language . The rotor can be suspended stably with the control of these control hardware and software . Next , in order to realize simulation debugging under static suspension condition , this thesis developed a DDS(Direct Digital Synthesis) signal generator specially designed for control parameters debugging , and the control parameters for high speed operation of AMB were established with the help of this DDS signal source . At last, the five-degree freedom magnetic rotor can be stably suspended and rotated at high speed(this AMB experiment flat can rotated stably 30,000 rounds per minute) . The stability and iteration performance of this digital control system were good , and the control precision has reached anticipated performance request.
本文在分析电磁轴承工作原理的基础上，建立了五自由度磁轴承转子的力学模型，并结合一套磁悬浮实验台的结构参数，得到了该实验台转子的力学模型。为控制器的设计打下了基础。
为了保证磁轴承控制系统的实时性，完成越来越先进、复杂的控制算法，就要求CPU的运算速度足够快，因此，本论文采用了美国TI(Texas Instruments)公司的C2000系列成熟产品中目前最新、运算速度最快的一块DSP芯片TMS320LF2407A作为磁轴承数字控制器的主CPU，设计了控制器的硬件系统。之后，建立了带附加超前PID控制器的模型，对该PID控制器进行了数字化，推导出了适合于数字控制的差分方程，并用DSP汇编语言编制了控制程序，实现了磁悬浮转子的稳定悬浮。为了实现对磁轴承系统的模拟调试，研制了模拟调试用的DDS(Direct Digital Synthesis)信号源，并利用该信号源完成了控制参数的整定，实现了5自由度磁悬浮转子的高速稳定运转(在本实验台中，转速达30，000转／分)，电控系统稳定性好、重复性好，其控制精度达到了预期的效果。
Active Magnetic Bearing (AMB) is a kind of novel high-performance bearing , because of the contact-free property between the rotor and stator , the rotor can rotate at very high speed , with almost no wear . So AMB has the advantages of long lifetime , low power loss , low noise and no lubrication . Thus AMB shows obvious advantages over conventional bearing in many application fields .
The thesis educed the mechanics model of five-degree freedom rotor of magnetic bearing based on the analysis of the operation principle of AMB . Combining the mechanical parameters of a set of AMB flat for experiments , we get the mechanics model of this flat. Above work give a foundation for controller design .
Ensuring the real-time operation of the control system of AMB , and making the CPU complete more and more advanced , complex control algorithms , the operation speed of CPU must be rapid enough . So this thesis used a piece of DSP chip : TMS320LF2407A, produced by TI(Texas Instruments) company of America to act as main CPU of our digital controller of AMB , and designed the hardware of the controller . This DSP chip is newest, fastest DSP of TI company's C2000 product pipeline these years . Then , this thesis provide a PID control model with a phase increased tache , and the digital difference equations which were fit for digital control algorithm of AMB are produced . Using these difference equations , a digital control software was weaved in DSP assembly language . The rotor can be suspended stably with the control of these control hardware and software . Next , in order to realize simulation debugging under static suspension condition , this thesis developed a DDS(Direct Digital Synthesis) signal generator specially designed for control parameters debugging , and the control parameters for high speed operation of AMB were established with the help of this DDS signal source . At last, the five-degree freedom magnetic rotor can be stably suspended and rotated at high speed(this AMB experiment flat can rotated stably 30,000 rounds per minute) . The stability and iteration performance of this digital control system were good , and the control precision has reached anticipated performance request.
引文
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[2] 江伟．磁轴承数字控制系统的研究，博士学位论文，清华大学，1999
[3] Eamshaw S. on the nature of the molecular forces which regulate the constitution of the lumiferons ether. Trans. Camb. Phil, Soc. 7(1842), 97-112
[4] Jams P. Lyons, Mark A. Preston, Ram Gurumoorthy, Paul M. Szczesny. Design and Control of a Fault-tolerant Active Magnetic Bearing System for Aircraft Engines. Proceedings of 4th International symposium on Magnetic bearings, 1994: 449～454
[5] 丛华．磁悬浮轴承电涡流传感器研究与设计，博士学位论文，清华大学，1999
[6] 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，2000，5：23～25。
[7] 张德魁，赵雷，赵鸿滨，冷玮，朱永华．磁悬浮轴承内圆磨床电主轴及其控制．轴承，2000，11：11～13。
[8] 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)，2001，6：23～26。
[9] 赵艾萍，凌卫青，谢友柏．支承飞轮的推力磁轴承设计．航空学报，2001，04：355～358
[10] 龙志强，王水泉，杨泉林．径向磁轴承电磁参数的计算．磁性材料及器件，2000，5：14～17
[11] 李根博，黎文勇，张先彤，等．磁悬浮轴承控制系统调节器设计与仿真．机械工艺师，1996，1：9～11
[12] 徐龙祥，朱熀秋，曾学明，等．基于DSP的混合磁悬浮轴承数字控制器的设计与实现．数据采集与处理，2000，2：213～216
[13] 曾学明．磁轴承电控系统研究，博士学位论文，南京航空航天大学，2002
[14] 徐龙祥，欧阳祖行 主编．机械设计．航空工业出版社，1999：246～254
[15] 祁庆中．电磁轴承磨床电主轴的实验和研究．博士学位论文，清华大学，1997
[16] Conrad Gahler. Rotor Dynamic Testing and Control with Active Magnetic Bearings. Swiss Federal Institute of Technology, ETH, Zurich, 1998: 29～34
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[18] Zhenyu Yu. 3.3V DSP for Digital Motor Control(SPRA550). Texas Instruments Incorporation, 1999 : 7～11
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[20] 杨恒，卢飞成 编著．FPGA／VHDL快速工程实践入门与提高．北京航空航天大学出版社，2003：1～57
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[23] http://www.cznewcom.com
[24] 孙育才．MCS-51系列单片微型计算机及其应用(第三版)．东南大学出版社，1997：98～110
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[26] 王晓明 编著．电动机的单片机控制．北京航空航天大学出版社，2002：73～99
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[31] 姜玉宪 编著．控制系统仿真．北京航空航天大学出版社，1998：52～82
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[33] 刘和平 编著．THS320LF240X DSP结构、原理及应用．北京航空航天大学出版社，2002：74～82
[34] 江思敏 等编著．TMS320LF240X DSP硬件开发教程．机械工业出版社，2003：2～15
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