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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

作　者: 钟毅
导　师: 刘泉
学　校: 武汉理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 磁悬浮主轴非线性特性全数字控制嵌入式实时操作系统
分类号: TP13
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 磁悬浮主轴控制系统及其发展历程  10-14
    1.1.1 磁悬浮轴承的概述  10-11
    1.1.2 磁悬浮轴承控制系统的工作原理  11-13
    1.1.3 国内外磁轴承主轴控制技术概况  13-14
  1.2 课题的研究意义及来源  14-16
  1.3 论文的主要工作及研究内容  16-19
第2章磁悬浮主轴控制系统的理论模型及原理分析  19-36
  2.1 磁悬浮主轴结构设计与分析  19-23
  2.2 磁悬浮电学模型的建立  23-26
  2.3 电磁铁控制的数学模型  26-33
    2.3.1 单自由度磁悬浮轴承的数学模型及分析  26-28
    2.3.2 五自由度磁悬浮轴承的数学模型及分析  28-33
  2.4 磁悬浮主轴系统传递函数模型的建立  33-35
  2.5 本章小节  35-36
第3章全数字化磁悬浮主轴系统的控制理论及算法实现  36-68
  3.1 磁悬浮主轴控制系统的稳定性分析  36-38
  3.2 主轴控制系统实时性及误差分析  38-42
    3.2.1 延时环节对磁悬浮系统实时控制的误差分析  38-40
    3.2.2 磁悬浮主轴振动测量及中心误差校正  40-42
  3.3 磁悬浮主轴PID控制算法的优化实现  42-52
    3.3.1 传统PID控制算法实现  42-44
    3.3.2 改进变步长PID控制算法实现  44-52
  3.4 自适应滤波技术在电流采样及滤波中的应用  52-57
    3.4.1 自适应滤波器频响分析  53-54
    3.4.2 滤波器的变步长与实时性策略  54-55
    3.4.3 滤波实验仿真与分析  55-57
  3.5 单神经元技术在磁悬浮主轴控制系统中的实现  57-62
    3.5.1 磁悬浮单神经元控制模型的建立  57-61
    3.5.2 单神经元控制算法实验仿真与分析  61-62
  3.6 反演控制理论在磁悬浮主轴控制系统的实现  62-67
    3.6.1 磁悬浮单反演控制模型的建立  62-65
    3.6.2 磁悬浮反演控制算法实验仿真与分析  65-67
  3.7 本章小节  67-68
第4章全数字化磁悬浮主轴控制系统的设计  68-81
  4.1 全数字磁悬浮主轴控制系统结构设计  68-69
  4.2 全数字磁悬浮主轴控制系统硬件和软件结构设计  69-72
  4.3 新型数字开关功率放大器的设计  72-79
    4.3.1 传统开关功率放大器的实现  73-75
    4.3.2 改进型数字功放的硬件设计  75-76
    4.3.3 数字功放的软件实现  76-79
  4.4 本章小节  79-81
第5章全数字磁悬浮主轴控制系统的硬件优化设计  81-97
  5.1 电涡流位置传感器的优化设计  81-86
    5.1.1 传感器的尺寸结构与温度分析  81-85
    5.1.2 传感信号滤波器的选择与设计  85-86
  5.2 双DSP磁悬浮控制系统的设计  86-95
    5.2.1 模拟电气环节的优化设计  86-93
    5.2.2 不同控制系统的对比测试与实验  93-95
  5.3 本章小节  95-97
第6章全数字化磁悬浮控制系统软件的设计  97-121
  6.1 基于DSP的操作系统分析及其平台的构建  97-100
    6.1.1 μCOS_Ⅱ实时操作系统的特点  98-99
    6.1.2 μC/OSⅡ实时操作系统的内核设计  99-100
  6.2 磁悬浮主轴控制模块流程设计  100-105
    6.2.1 μC/OSⅡ的移植特性  100-102
    6.2.2 TMS320LF2812的嵌入式操作系统主要移植过程  102-105
  6.3 基于DSP+FPGA的多任务调度模块实现  105-114
    6.3.1 磁悬浮多任务管理系统的设计  105-113
    6.3.2 嵌入式内存及时间管理设计与实现  113-114
  6.4 磁悬浮主轴控制系统的通讯模块实现  114-116
    6.4.1 基于CAN总线的数据传输  114-115
    6.4.2 基于RS232的上位机实时监控设计  115-116
  6.5 磁悬浮主轴控制系统的故障检测模块实现  116-118
    6.5.1 磁悬浮控制系统硬件故障检测与保护  116-117
    6.5.2 磁悬浮控制系统软件监控与处理  117-118
  6.6 本章小节  118-120
  实物附录  120-121
第7章全文总结与展望  121-123
  7.1 关于本文的主要工作和创新点  121-122
  7.2 下一步主要工作  122-123
参考文献  123-131
致谢  131-132
作者在攻读博士学位期间发表的学术论文和其它相关研究成果  132

磁悬浮嵌入式控制系统基础理论和关键技术研究

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