基于DSP的磁轴承控制系统设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1 目的和意义

1.1选题的目的和意义

在过去2015年，国家提出“中国制造2025”的宏伟构想，未来令人振奋。中国是一个世界制造大国，但还不是一个世界制造强国。中国现在具有世界最全面的制造体系，生产各种产品，但在高精尖的产品方面技术不足，自主知识产权少，在机电产业方面更是如此。在这些方面的研究和设计也就很重要。轴承在机器运行中起着重要的作用，没有轴承机器便不能运行。轴承的性能也直接影响着机器的性能。轴承的功耗、运行精度直接影响着机器的效率和精度。因此，对轴承的研究和开发具有重要意义。

由于传统的机械接触式的轴承都存在磨损严重、功耗大、精度不太高、需要润滑、使用周期短等缺陷，并且不能提供很高的转速。磁悬浮轴承却基于它的以下特性而备受青睐：

（1）磁悬浮轴承系统中的转子与定子无机械接触，因此无需润滑，使用的周期较长。它可以用于真空技术、净室和医用设备等。

（2）允许转子高速旋转，其转速只受材料强度的限制。速度的不断提高，为设计具有全新结构的大功率机器提供了可能性。

（3）轴承功耗低，仅是传统轴承功耗的1/5~1/20，降低了运行费用。

（4）没有磨损，不但维护费用低而且工作寿命长。

（5）转子的控制精度，主要取决于控制信号的测量精度。普通的电感传感器的分辨率大约在0.01~0.001mm之间。

（6）磁悬浮的动态性能主要取决于所采用的控制规律，这样就有可能在物理极限内使刚度和阻尼与轴承的工作环境甚至于运行状态和转速相适应^[1]。

然而，磁悬浮主轴是一个非线性、强耦合系统。还存在电感磁滞等因素，是一个典型的开环不稳定系统，因此必须进行控制才能稳定工作^[2]。磁悬浮轴承系统由控制器、转子、电磁线圈定子、位移传感器、A/D转换器、D/A转换器和功率放大器组成。

磁悬浮轴承的控制器是磁悬浮轴承系统的核心，控制器性能的好坏直接影响到磁悬浮轴承系统的工作特性。采用性能优良的控制器可以使磁悬浮轴承动态刚度、阻尼与其工作环境甚至是运行状态相适应。传统的采用计算机作为数字控制器的方式，使得磁悬浮轴承系统不但价格昂贵而且占用的空间和功耗较大，不利于磁悬浮轴承的广泛应用。DSP不仅具有数字控制的所有优点，而且体积小、抗干扰能力强．可以对载荷、位移、振动、磁力轴承线圈电流及其运行实现在线监控．易于实现良好的人机界面，能对意外和紧急状况以及安全问题做出及时处理^[2]。基于DSP的这些优点优点，采用DSP控制磁悬浮轴承具有良好的效果。

采用基于DSP的磁悬浮轴承系统，可以通过计算机将写好的程序编译调试完成后，存入DSP中,只需经过简单的调试便可实现与计算机一样的功能。从而大大降低了成本，磁轴承也省去了很的的空间，运行过程中的功耗也比较小。从而更有利于磁悬浮轴承的广泛应用。

1.2国内外研究现状

1.2.1磁悬浮技术的研究状况

早在1842年，恩休(Earnshaw)就证明了单靠永久磁体不能使一个电磁体在所有六个自由度都保持自由、稳定的悬浮状态^[3]。1937年，肯珀(Kemper)申请了一项有关磁悬浮支撑的专利^[4],专利提出了新的交通办法的可能，这也就是稍后出现的磁悬浮列车的前身。1977年，由德国航空公司(Messerschmitt-Bolkom-Blohm)研制成功的KOMET型磁悬浮列车，在一段专门的实验轨道上时速达360km。大约从1970年起，磁悬浮支撑就已用在卫星姿态控制的飞轮上。随着功率电子和信号处理元器件的出现以及控制理论和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的发展^[5]。1998年，瑞士联邦理工学院的R．Vuillemin实现了磁轴承硬盘驱动器高速高精度运行，且能耗低，并稳定悬浮，在高速运行时悬浮精度高到4μm。1999年美国Aregonne National Laboratory成功研制了应用于飞轮储能的高温超导磁轴承。2002年德国Darmsdat工业大学机电研究所成功研制出了主动磁轴承电主轴，转速达到120000r／min^[6]。2004年A．Hamler等提出了锥面结构的永磁轴承，使用了轴向磁化永磁材料，可以同时承受径向和轴向两个方向的载荷。最近几年，磁轴承在发动机、离心压缩机、分子涡流泵等中都得到了广泛的应用^[7]。1.2.2 DSP的发展现状

经过三十多年的发展，数字信号处理器（DSP）的应用范围已经遍及军用电子、消费电子、工业控制等领域。而第三代DSP则以其强大的数字信号处理能力、超低功耗和适合手持设备的超小型封装等特点，较好地满足了新一代电子产品的要求。

C55x系列处理器在兼容C54x系列处理器指令集的基础上，将处理速度提高到200MH_Z~300MH_Z,而对DSP内核有进行了重大改进，将强大的处理能力和超低功耗完美结合^[8]。

1.2.3磁悬浮轴承控制器的发展

在高性能的嵌入式处理器还未问世之前，美国弗吉尼亚大学和国内清华大学就采用基于PC机和RTLinux构建的控制平台成功实现了高阶柔性转子磁悬浮轴承的控制^[9]。但是这个控制系统体积庞大，价格昂贵，难以广泛使用。随着技术的进步，数字信号处理器（DSP）问世后，经过数代的发展，它的指令系统、运行速度、内存等不断改善。采用DSP作为磁悬浮轴承的的控制器，更为合适。

清华大学是我国最早致力于磁轴承技术研究的高校之一，主要研究工业应用型电磁轴承，为无锡磨床厂研制了磨床主轴用电磁轴承，并在10MW高温气冷堆氦气透平发电项目中采用了自行研制的磁轴承。上海大学研究出的磁轴承制氧透平膨胀机，在12000r／min时振动的幅值仅为20μm，稳定运行时转速可达92000r／min。武汉理工大学在高速磨削磁轴承主轴的结构设计和磁轴承虚拟设计方面进行了研究。上海大学轴承研究室于2005年开始分别与北京工业大学和广东某汽轮机有限公司合作，研究开发磁悬浮人工心脏泵和28kW磁悬浮高速油泵机组。南京航空航天大学从1998年到2007年对DSP磁悬浮轴承进行了十年的研究。北京航空航天大学于2009年设计完成了基于TMS320C6713B FPGA数字控制器实现磁悬浮飞轮主动振动控制，通过在FPGA内部由VHDL语言设计的HPI接口控制逻辑实现DSP与FPGA模块的通信^[10]。近年来，武汉理工大学也对DSP磁悬浮轴承进行了深入的研究，如图1为武汉理工大学研制的磁悬浮主轴实验装置^[11]。

图1武汉理工大学研制的磁悬浮主轴实验装置

2010年，美国新泽西理工学院的Akash Mmahur 等人设计了基于DSP6416和FPGA的材料破碎和边缘检测系统。同年，芬兰的拉普兰塔理工大学设计了基于DSP28335的AMB控制器。

随着技术的进步，传感器的检测精度将不断提高，价格将下降；DSP的处理速度和配置将不断提高，功能将更强大，将更便于人编程；新材料将更多样。这样一来，基于DSP的磁悬浮轴承将具有更高的控制精度，实现更复杂多样的控制要求，价格也将下降。

2. 研究的基本内容与方案

2 基于DSP的磁轴承控制系统设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1设计的基本内容和目标

磁悬浮轴承简称磁轴承 ，是利用电磁力将转子无接触地悬浮，悬浮位置可控制的一种新型轴承。它由转轴和电磁定子组成。转轴的旋转由变频电机驱动。其位置由电涡流传感器检测，位置信号经过低通滤波电路预处理后送入A／ D转换电路转换成数字信号，处理器将转换好的数字量按数字控制算法进行运算，产生控制信号并通过D／A转换电路和功率放大器转换成控制电流 ，控制磁轴承电磁铁的电流大小 ，使得磁悬浮转轴稳定地悬浮在期望的位置^[12]。而基于DSP的磁轴承则是以DSP作为控制器的磁轴承系统。

采用DSP来处理经A／ D转换的数字信号，来使磁轴承中的转子在正确的位置稳定旋转，不仅实现了对磁轴承的精确有效控制，相对于PC机控制而言还大大降低了成本、缩小了控制系统的空间。它是对磁轴承的一种优化设计，使得磁轴承适用于更大的范围。

2.2设计方案及措施

2.2.1磁轴承装置的结构方案

为了使转轴在某一位置稳定悬浮转动，则只允许转轴有一个轴向的转动。转子在空间中有6个自由度，除了轴向回转自由度，其他的4个径向和1个轴向自由度由磁力轴承支撑。要限制其他五个自由度，在转轴的两个位置分别设置两对径向磁悬浮装置，限制转轴的4个径向自由度；在转轴的突出的盘形位置设置一个轴向磁悬浮装置，限制1个轴向自由度。

2.2.2单自由度磁悬浮轴承的工作原理

如图2所示，采用差动控制的单自由度主动磁轴承系统由转子、电磁铁定子、功率放大器、控制器、位移传感器的位移检测电路构成。该磁轴承控制系统由两个电磁铁控制一个径向自由度，i_o是两个电磁铁的偏磁电流。一旦转子向下偏移很小的位移x_o，位移传感器将此位移量转换成电流信号，信号经控制器处理后输出控制电流i_d，功率放大器由控制器输出的电流如产生电磁铁A的控制电流f_c =i_o i_d，由于控制电流的增大，气隙间的磁通量也随之增大，由此电磁铁A的电磁力F_m 也会变大^[6]；同理，电磁铁B的电磁力减小，转子所受合力方向向上，使转子向上移动回到中间位置。反之亦然。从而使转子动态平衡在中间位置。

图2单自由度磁悬浮轴承控制原理图

2.2.3悬浮轴承控制系统硬件设计

磁轴承转子控制系统通常是由位置环和电流环组成的一个双闭环控制系统。位置环的主要功能是根据转子位置变化确定电磁铁所需电流值;电流环的主要功能是根据位置控制器运算结果输出电磁铁所需的合适电流, 使转子维持在指定悬浮位置^[13]。

位置控制器和功率放大器是磁悬浮电控系统的关键元件, 它们的性能和可靠性直接影响到整个系统的静态和动态性能^[14]。

（1）控制器的功能主要是通过一定的算法，处理经过A/D处理后的数字信号并输出相应的数字信号。为实现无自由度磁悬浮轴承的差动控制，磁悬浮轴承至少需要5路A/D和10路D/A^[11]。还要求控制器具有较高的运行速度和精度利于设计扩展电路。因此选用TI公司推出的浮点处理器TMS320F6713。

（2）A/D转换器的作用是以T为周期对连续的物理电压信号进行采样，并将采集的电压值转换成二进制数^[15]，来供控制器处理。通过对A/D转换器的选用和相关电路的设计，实现对5路模拟电压信号的模数转换。

（3）经过控制器处理后输出的是数字信号需要被D/A转换器转化成相应的模拟信号才能作用于功率放大器，从而产生特定的电磁合力。

2.2.4悬浮轴承控制系统其他部件

（1）位移传感器作为磁悬浮轴承系统的检测部分，其类型、结构以及安装位置都直接影响检测信号的精度和磁悬浮轴承的性能^[16]。基于电涡流传感器结构简单、灵敏度高，且满足将位移信号转换为电信号的优点，本系统选择它作为位移传感器。

（2）传感器测得的信号中除了位移信号，还有其他噪声信号。在对模拟信号进行离散化采集前，用一个抗混淆滤波器对信号进行滤波，可以达到较好地效果。

（3）经过D/A转换的模拟信号功率很低，需要经过功率放大器的放大电路放大，使定子得到想要的电流大小。

2.2.5磁轴承控制算法设计

传统的PID控制器控制品质的好坏取决于控制器参数选择是否合理。通常是按照对系统的控制性能要求整定出一组合理的参数， 参数一经整定， 在整个控制过程中就不再改变。^[17]对于磁悬浮轴承这种非线性系统而言，在起动时和大偏差情况下，传统PID不能满足要求，因此选用变参数PID控制算法。

变参数PID控制算法是选择偏差e和偏差的变化量ec作为变参数PID控制器的输入量， 控制器的3个控制参数k_p、k_i、k_d作为控制器的输出量， 根据一定的参数变化规则在系统响应的过程中动态调整控制器的参数^[17]。从而使系统具有更好的动态控制性能。

3. 研究计划与安排

3 进度安排

1 - 3 周：查阅国内外文献资料，全面了解相关理论与技术，撰写并完成开题报告；

4 - 5 周：制定总体方案、绘制总体方案原理框图；

4. 参考文献（12篇以上）

4 参考文献

[1] 卞斌，刘淑琴，基于dsp的磁悬浮电主轴数据监测系统，磁悬浮轴承研究进展 暨第二届中国电磁轴

承学术会议论文集，2007