基于dsp磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的硬件研究

1、號(hào)處理電路；對(duì)于傳感器始終存在的偏置耦合問(wèn)題，提出了傳感器差動(dòng)測(cè)量的方法。電磁鐵部分，主要開(kāi)展了電磁鐵的機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)。首先分析了電磁鐵所需的導(dǎo)磁材料；為減小電磁鐵磁極間的耦合，便于電磁鐵加工和實(shí)現(xiàn)，對(duì)電磁鐵的磁極數(shù)和布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；根據(jù)系統(tǒng)提出的支撐力指標(biāo)，易于電磁力的實(shí)現(xiàn)和控制，選擇了電壓差動(dòng)型繞制方式；選定了徑向軸承和推力軸承所需導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑并計(jì)算了線(xiàn)圈的匝數(shù)。針對(duì)磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，本設(shè)計(jì)中采用開(kāi)關(guān)功率 放大器，分析了開(kāi)關(guān)功率放大器的基本特點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)支撐所需的電磁 力基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)關(guān)功率放大器電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用三電平軟開(kāi) 關(guān)的電路結(jié)構(gòu)，以降低主功率器件的功耗、提高系

2、統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、提高穩(wěn)態(tài)電磁力的平穩(wěn)性；仿真分析表明可以達(dá)到預(yù)期的效果；最后還建立了功率放大器的小信號(hào)模型，為控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)提供了 依據(jù)。關(guān)鍵詞：磁懸浮軸承，差動(dòng)控制，三電平，軟開(kāi)關(guān)，小信號(hào)模型IIRESEARCH ON THE HARD後RF OF ACTIVEMAGNETIC BEARINGS SYSTEM BASED ON DSPAB STRACTActive Magnetic Be撕ng (AMB)，with adVantages of no銜cti嘰， high speed，hi曲precision，make the rotor be suspended by con仃01l

3、ing the magnetic forceIt has so many characteristics mat it is considered as atechn0109y reVOlution 0f the be撕ngs 111e AMB is an adVancedtechn0109y，which relates t0 many science fields such as mechanics，rotor dynamics，electrOrrlagneticS，electrOnics，cOntr01 meory，computer science and so on In many co

4、untries such as USA， France， Japan， and Switzerland，AMB has been industrialized7I'he domestic research onAMB staned行om me 80m of last centubut AMB has not be肌industrializedSo it has important significance for me research on me magnetic bearingsFirstly， theAMBs feature，research status and仃endS of

5、 thedevelopment at home and abroad are presented in this paperThe行amework and composition of me fiVe degree·of-行eedom AMB systemare analyzed based On the single degree-of丹eedom AMB systemtheo In order to achieVe the AMB con仃011ing system，the elec仃omagnetic force is 1ineraizedThis thesis takes t

6、he chip TMS3 20LF2407A as the Digital Signal PrOcessing controller，which is easy to achieVe high speed and precisionIn this paper，it takes cen仃e·contr01ling as the scheme，and the basic circuit of DSP is desi印edOn the basis of the analysis and comp撕son of sonle sensors，EddyCurrent Sensor is sele

7、cted，and its equiValem circuit，strength and depth of the eddy cullrent，radial distribution of me cu仃ent，axile intensity of the magnetic inductorium are all analyzedThe processing circuit Of sensOrssignal is desi印ed Because of coupling problem of the sensors，difrerential measurement of sensor is appl

8、iedElectrical and mechanical design of the elec仃omagnet is accomplished in the AMB systemFirstly，magnetic materials are studied Then in order to reduce the magnetic field coupling of the elecnomagnets p01es，the number and 1ayout of me elec仃Omagnets p01es are optimized f-or processing and producing A

9、ccording to the requriements of easy control for the system of elec仃omagnetic force，we chose the electromagnet of differentialV01tage for the elec仃omagnetic forceThe radius of the electromagnet windings in the radial and thllJstbearings are chosen，and the number of wire tllms is calculatedVThe switc

10、hing power卸叩1ifier is designed for me feature of requirement in the AMB system，and the basic characteristic is analyzed The switching power amplifier is optimized based on the achieVement ofelectromagnetic force，and the circuit structure of tristate power amplifier wim soRswitching is designedThis c

11、ircuit 0、ns me adVantages of reducing the dissipationpower On the power component and improVing me speed of system dynamic response，enhancing the stability of the electromagnetic force in me final state，and me nice result is presented by the simulationThe small-signal model of the power amplifier is

12、 alsoestablishedKEY WORDS：AMB，differential-con仃01ling，three一1eVel，soRswitching，smallsignal model東華大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：我恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)。所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。 除文中已明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品及成果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫(xiě)， 我對(duì)所寫(xiě)的內(nèi)容負(fù)責(zé)，并完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：否鐘日期：渺8年鄉(xiāng)月日東華大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)學(xué)位論文作者完

13、全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)東華大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部 或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密口，在年解密后適用本版權(quán)書(shū)。本學(xué)位論文屬于不保密口。學(xué)位論文作者簽名：勁象咖中日期：砌8年弓月日指導(dǎo)教師簽名： 日期：年第一章緒論第一章緒論11引言隨著我國(guó)加入世貿(mào)組織，經(jīng)濟(jì)全球化、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，中國(guó)早已成為世界的制造中心，但距離世界制造強(qiáng)國(guó)還有很大的差距。我國(guó)的高新產(chǎn)品比較少，科技含量比較低。二十一世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的到來(lái)，先進(jìn)制造技術(shù)迅速發(fā)展

14、，廣泛應(yīng)用于航空、汽車(chē)、石油等工業(yè)的轉(zhuǎn)子正在向高速度、高精度、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。磁懸浮軸承作為一種典型的高技術(shù)含量、高附加值機(jī)電一體化產(chǎn)品，在國(guó)外成功應(yīng)用于高速、高精度機(jī)床主軸、高速真空泵等產(chǎn)品中，并創(chuàng)造了很大的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)將磁懸浮軸承應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品中還存在著一系列理論與方法有待研究與解決。磁懸浮軸承有著廣泛的應(yīng)用前景和重要的商業(yè)價(jià)值。12磁懸浮軸承概述121磁懸浮軸承簡(jiǎn)介磁懸浮軸承(Ma印etic Be撕ngs)也稱(chēng)為磁軸承、電磁軸承、磁力軸承，其應(yīng)用轉(zhuǎn)子機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)、電子學(xué)、控制學(xué)、磁性材料、測(cè)試技術(shù)、傳感技術(shù)、 數(shù)字信號(hào)處理等多學(xué)科技術(shù)，通過(guò)受控電磁力將轉(zhuǎn)子和軸承分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)

15、械接觸的新型高性能軸承川。磁懸浮軸承由于其可以實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械接觸懸浮，這一特點(diǎn)使得磁懸浮軸承與傳統(tǒng)的滑動(dòng)軸承、滾軸軸承相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)無(wú)摩擦，完全消除了磨損， 提高了使用壽命；2)無(wú)需潤(rùn)滑和密封：3)適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境能力強(qiáng)，能在極高或極低溫度(253。+450。)下工作；4)發(fā)熱小，功耗?。?)圓周速率高，大約可達(dá)350川s；6)軸承工作的可控性好，可以從控制系統(tǒng)直接獲得控制信息，可以達(dá)到很高轉(zhuǎn)子控制精度【2】。磁懸浮軸承系統(tǒng)按工作原理可分為三類(lèi)：1) 主動(dòng)磁懸浮軸承(Active Ma驢etic Be撕ngS簡(jiǎn)稱(chēng)J蝴B)，也稱(chēng)有源磁懸浮軸承，電磁力是可控的，通過(guò)傳感器檢測(cè)懸浮轉(zhuǎn)子的位置，控制

16、系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)第一章緒論控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸?。?) 被動(dòng)磁懸浮軸承(Passive Ma弘etic Bearings簡(jiǎn)稱(chēng)PMB)，也稱(chēng)無(wú)源軸承，主要特點(diǎn)用磁體或超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子部分自由度的支撐；3) 混合磁懸浮軸承(Hybrid Magnetic Be撕ngs簡(jiǎn)稱(chēng)HMB)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)中包括了電磁鐵和永磁體或超導(dǎo)體【3J，兩部分共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子的支撐。目前研究較多的為主動(dòng)磁懸浮軸承，本文中以主動(dòng)磁懸浮軸承為研究對(duì)象。磁懸浮軸承利用電磁鐵和鐵磁材料之間的作用力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的無(wú)接觸懸浮，若電磁鐵中通以恒定電流，則轉(zhuǎn)子稍有擾動(dòng)就能使轉(zhuǎn)子偏離平衡位置而無(wú)法復(fù)原，因此必須對(duì)磁懸浮軸承施加主動(dòng)控制才能穩(wěn)定工作。1

17、22磁懸浮軸承的發(fā)展?fàn)顩r早在1840年，英國(guó)劍橋大學(xué)的恩休(SE鋤shaw)學(xué)者就提出了使物體懸浮的條件，只有采用抗磁性材料才能依靠選擇恰當(dāng)?shù)挠谰么盆F結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的磁場(chǎng)分布而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。從而人們有了使物體懸浮的概念。1937年，肯鉑(Kemper) 申請(qǐng)了一項(xiàng)有關(guān)磁懸浮技術(shù)的專(zhuān)利，專(zhuān)利提出了采用新的交通辦法的可能，在控制中采用電感或電容式傳感器以及電子管放大器，這一實(shí)驗(yàn)正是稍后出現(xiàn)的磁懸浮列車(chē)的前身。20世紀(jì)60年代中期，隨著控制元器件的不斷發(fā)展和完善，法國(guó)、日本、美國(guó)相繼對(duì)主動(dòng)磁懸浮投入了研究。1969年法國(guó)SEP公司開(kāi)始研究主動(dòng)磁懸浮系 統(tǒng)的特性，1972年將第一個(gè)磁懸浮軸承應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)向

18、飛輪支撐。1965年、1968 年，日本學(xué)者森美朗、金子禮三等分別發(fā)表了“可控磁懸浮軸承的基礎(chǔ)研究一第一報(bào)告、第二報(bào)告的論文，提出了磁懸浮軸承線(xiàn)性化理論，并建立了數(shù)學(xué)模型，為單自由度控制的磁懸浮研究奠定了基礎(chǔ)。隨著功率電子器件和數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)以及控制理論和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，磁懸浮軸承技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。1977年，S2M公司開(kāi)發(fā)出世界第一臺(tái)轉(zhuǎn)速為24，min的高速機(jī)床電主軸，該公司多年來(lái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種磁懸浮軸承產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工電主軸、真空泵、高速機(jī)械和發(fā)電站等。國(guó)際上已經(jīng)成立了多家專(zhuān)門(mén)從事磁懸浮軸承產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)的公司。瑞士MECOS TraxlerAG生產(chǎn)的磁懸浮軸承主要應(yīng)用于透

19、平鼓風(fēng)機(jī)、分子泵、氣體膨脹機(jī)以及紡織錠子。1992年成立的Revolve Ma印etic Be撕ngs inc3在2000年由AB SKF of Goteborg Sweden收購(gòu)，是一家從事磁懸浮軸承產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)公司，其產(chǎn)品應(yīng)用在密封馬達(dá)、磨頭、高速銑削、壓縮機(jī)、分子泵、空調(diào)壓縮機(jī)等。另外，還有瑞士mAG公司，生產(chǎn)70000in和40000in兩個(gè)系列的機(jī)床電主軸，剛度能達(dá)到500形。，p國(guó)內(nèi)對(duì)磁懸浮軸承的研究起步較晚，總體來(lái)說(shuō)處于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)實(shí)驗(yàn)階段， 目前還沒(méi)有批量生產(chǎn)的例子報(bào)道。1986年，廣州機(jī)床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué) 對(duì)“磁懸浮軸承的開(kāi)發(fā)及其在FMS中的應(yīng)用"課題進(jìn)行了

20、研究。清華大學(xué)工程物理系研究了磁懸浮高頻電主軸，轉(zhuǎn)子質(zhì)量221kg，最高轉(zhuǎn)速52530印m，徑向軸承剛度78肌川。西安交通大學(xué)對(duì)支撐飛輪的磁懸浮軸承51和渦輪膨脹機(jī)用磁軸承進(jìn)行了研究。上海大學(xué)試驗(yàn)研究的磁懸浮軸承制氧透平膨脹機(jī)(6】，在12000in時(shí)振動(dòng)幅值為20所，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為92000in。武漢理工大學(xué)對(duì)磁懸浮軸承高速磨削主軸結(jié)構(gòu)以及磁懸浮軸承虛擬設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等都曾或正在開(kāi)展這方面的研究工作?？傮w來(lái)看，國(guó)內(nèi)磁懸浮軸承研究主要集中在離心設(shè)備、磨床電主軸和高速鉆頭主軸等，還沒(méi)形成批量生產(chǎn)的報(bào)道，和國(guó)外水平相比還有一定的差距。隨著磁懸浮軸承研究

21、的深入，1988年6月，在瑞士蘇黎士召開(kāi)第一屆國(guó)際磁懸浮軸承學(xué)術(shù)會(huì)議，會(huì)議就磁懸浮軸承在空間技術(shù)、物理學(xué)、機(jī)器人、機(jī)床、真空泵等方面的理論研究與工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的交流。會(huì)議商定以后每?jī)赡暾匍_(kāi)一次國(guó)際磁懸浮軸承學(xué)術(shù)交流會(huì)。1990年7月，在日本東京大學(xué)召開(kāi)第二屆國(guó) 際磁懸浮軸承學(xué)術(shù)會(huì)議，這次會(huì)議涉及的應(yīng)用范圍廣、參加的國(guó)家更多。到目前為止，已召開(kāi)了九次磁懸浮軸承會(huì)議，將對(duì)磁懸浮軸承的理論研究與工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生很大的促進(jìn)作用。123磁懸浮軸承的發(fā)展趨勢(shì)磁懸浮軸承技術(shù)目前在軍事工業(yè)、真空超潔凈環(huán)境、石油和天然氣等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用【71。磁懸浮軸承的發(fā)展主要集中在以下幾方面：1)新型材料的應(yīng)用，超導(dǎo)

22、磁懸浮軸承的研究。近年來(lái)，隨著高溫超導(dǎo)材料和抗磁材料研究的突破性進(jìn)展，超導(dǎo)磁懸浮軸承引起了研究者的關(guān)注，高溫超導(dǎo)第一章緒論技術(shù)的發(fā)展，將使超導(dǎo)磁懸浮軸承在部分領(lǐng)域?qū)ζ胀ù艖腋≥S承構(gòu)成挑戰(zhàn)： 2)控制系統(tǒng)及算法向智能化、集成化發(fā)展【18】。為了滿(mǎn)足磁懸浮軸承應(yīng)用上的高性能，高可靠性和低成本，磁懸浮軸承控制系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化、集成化發(fā)展是必然趨勢(shì)；3)提出零功耗磁力軸承，高溫磁懸浮軸承的研究。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為應(yīng)用對(duì)象，研究能夠在550。C一650C溫度下工作的高溫磁懸浮軸承，解決材料、工藝、可 靠性、高溫傳感器等問(wèn)題。美國(guó)和歐洲都在開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫磁懸浮軸承的研究；4)將驅(qū)動(dòng)與軸承進(jìn)行混合控制

23、，引入了無(wú)支承電機(jī)的概念。由于磁懸浮軸 承結(jié)構(gòu)與交流電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的相似性，在電機(jī)定子中附加磁懸浮軸承繞組來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)轉(zhuǎn)子的懸浮。無(wú)軸承電機(jī)采用磁懸浮軸承，可以縮短電機(jī)尺寸，降低系統(tǒng)成本， 近年來(lái)已經(jīng)成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)；5)將傳感器與軸承進(jìn)行混合控制，提出了無(wú)傳感器的磁力軸承。這種磁懸 浮軸承不需要位移傳感器，可以降低成本、減小體積、提高系統(tǒng)可靠性，在工業(yè) 上有很廣闊的應(yīng)用前景；6)磁懸浮軸承的工業(yè)應(yīng)用。研究磁懸浮軸承的最終目的是工業(yè)應(yīng)用，由于 具有多種優(yōu)點(diǎn)，磁懸浮軸承正迅速?gòu)膫鹘y(tǒng)的渦輪機(jī)械、高速機(jī)床等行業(yè)向新行業(yè) 突破，如人工心臟血液泵【81、干燥機(jī)、精密位置平臺(tái)、計(jì)算機(jī)硬盤(pán)【91等。13本論文

24、研究的內(nèi)容本文首先介紹了磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)。在分析單 自由度磁懸浮軸的基本原理的基礎(chǔ)上，分析了五自由度磁懸浮軸承的組成及結(jié) 構(gòu)；為便于磁懸浮軸承控制的實(shí)現(xiàn)，對(duì)磁懸浮軸承的電磁力進(jìn)行線(xiàn)性化。本磁懸 浮軸承系統(tǒng)采用數(shù)字集中控制方案，以數(shù)字芯片TMS320LF2407為控制核心，確定了數(shù)字控制系統(tǒng)的整體框架：設(shè)計(jì)了DSP的基本外圍電路。在分析比較各種傳感器特性的基礎(chǔ)上，選擇了電渦流傳感器作為轉(zhuǎn)子位移的 檢測(cè)元件；分析了電渦流傳感器的等效電路，渦流強(qiáng)度和深度、渦流的徑向分布、線(xiàn)圈軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，傳感器的測(cè)量電路等；對(duì)于傳感器的信號(hào)處理設(shè)計(jì)了濾 波電路；對(duì)于傳感器始終存在的偏置

25、耦合問(wèn)題，提出采用傳感器差動(dòng)測(cè)量的方法。4第一章緒論對(duì)于電磁鐵部分，主要開(kāi)展了電磁鐵的機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)。首先分析了電磁鐵所需的導(dǎo)磁材料：為減小電磁鐵磁極間磁場(chǎng)的耦合，易于電磁鐵加工和實(shí)現(xiàn)， 對(duì)電磁鐵的磁極數(shù)和布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；根據(jù)系統(tǒng)提出的支撐力指標(biāo)，便于電 磁力的實(shí)現(xiàn)和控制，選擇了電壓差動(dòng)型繞制方式；選定了徑向軸承和推力軸承所 需導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑并計(jì)算了線(xiàn)圈的匝數(shù)。功率放大器的設(shè)計(jì)中采用開(kāi)關(guān)功率放大器，首先分析了其基本特點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)支撐所需的電磁力基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)關(guān)功率放大器電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用三電平軟開(kāi)關(guān)的電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真，對(duì)于降低主功率器件的功耗、提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、提高穩(wěn)念電磁力的平穩(wěn)

26、性有很好的效果；最后建立了功率放大器的小信號(hào)模型，為控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。14章節(jié)安排第一章介紹了磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用的領(lǐng)域，著重說(shuō)明了磁懸浮軸承國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢(shì)；第二章介紹了磁懸浮軸承的工作原理，磁懸浮軸承的電磁力的計(jì)算，并將其線(xiàn)性化，建立了單自由度磁懸浮軸承的數(shù)學(xué)模型；第三章建立了整個(gè)數(shù)字控制系統(tǒng)的框架，選定數(shù)字控制芯片，介紹了所用部分模塊，設(shè)計(jì)了芯片的基本外圍電路；第四章介紹了磁懸浮軸承所用到傳感器，著重研究了電渦流傳感器的原理和等效電路，工作時(shí)導(dǎo)體內(nèi)渦流深度和強(qiáng)度，傳感器的信號(hào)處理電路；對(duì)于磁懸浮軸承傳感器測(cè)量帶來(lái)的耦合問(wèn)題，采用了差動(dòng)測(cè)量的方法；第五章介紹了磁

27、懸浮軸承的電磁鐵的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了八極式電磁鐵機(jī)械結(jié)構(gòu)； 并設(shè)計(jì)了電磁鐵的電壓差動(dòng)型線(xiàn)圈繞制方式、線(xiàn)圈的線(xiàn)徑大小和匝數(shù)；第六章主要介紹了磁懸浮軸承開(kāi)關(guān)功率放大器的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了雙極式H功率放大器，采用移相三電平的調(diào)制方法，以減小電流的紋波；在開(kāi)關(guān)功率放大器中加入軟開(kāi)關(guān)功能，以減小開(kāi)關(guān)損耗：采用仿真軟件MicroCap對(duì)功率放大器進(jìn)行了仿真，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，功率電路能夠達(dá)到預(yù)期目的；最后建立了功率放大器的小信號(hào)模型，為控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。第一章緒論15小結(jié)本章介紹了磁懸浮軸承的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)、磁懸浮軸承的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢(shì)、論文所作的主要工作及章節(jié)安排。6第二章磁懸浮軸承原理及組成第二章磁懸浮

28、軸承原理及組成與被動(dòng)磁懸浮軸承和混合磁懸浮軸承相比，主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)的磁場(chǎng)是可 控的，電磁力由線(xiàn)圈中產(chǎn)生的磁場(chǎng)提供，從而使支撐力可控；轉(zhuǎn)子位置、軸承剛 度和阻尼也可由控制系統(tǒng)確定。因而目前得到了廣泛研究和應(yīng)用。本文以主動(dòng)磁 懸浮軸承為對(duì)象進(jìn)行研究。21磁懸浮軸承的工作原理若要使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，則需要對(duì)轉(zhuǎn)子的五自由度的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效約束控制， 其中包括四個(gè)徑向運(yùn)動(dòng)和一個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)可由電機(jī)或其它動(dòng)力驅(qū) 動(dòng)裝置施加驅(qū)動(dòng)力，這就需要兩個(gè)徑向磁懸浮軸承(轉(zhuǎn)子兩端X，】，兩個(gè)方向)和一個(gè)推力磁懸浮軸承(Z方向)，構(gòu)成一個(gè)完整的磁懸浮軸承系統(tǒng)。下面以磁懸浮軸承單自由度為例，介紹其基本原理圖21。

29、電磁鐵圖21單自由度磁懸浮軸承原理選取單個(gè)自由度的磁懸浮軸承為例，圖21可知一個(gè)典型的磁懸浮軸承由轉(zhuǎn)子、電磁鐵、傳感器、控制器和功率放大器組成。懸浮轉(zhuǎn)子的位置變化，即其運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)由傳感器進(jìn)行檢測(cè)，并將信號(hào)反饋給控制器，控制器根據(jù)反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)·一定的運(yùn)算產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，通過(guò)功率放大器將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁鐵上的電流的變化，產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力的變化，對(duì)轉(zhuǎn)子作用從而使轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)達(dá)到預(yù)定的要求。7第二章磁懸浮軸承原理及組成五自由度完整的磁懸浮軸承系統(tǒng)的示意圖22所示。轉(zhuǎn)子圖22五自由度磁懸浮軸承示意圖轉(zhuǎn)子兩端的彳，】，方向運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)徑向軸承的作用進(jìn)行控制，使轉(zhuǎn)子懸浮 起來(lái)。軸向方向則通

30、過(guò)推力磁軸承對(duì)推力盤(pán)的作用，從而控制轉(zhuǎn)子在軸向方向的，運(yùn)動(dòng)。其主要有位移傳感器、電磁鐵、控制器、功率放大器組成。 1)位移傳感器用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子在任意一個(gè)時(shí)刻的位置。傳感器是作為轉(zhuǎn)子位移信號(hào)的反饋通道元件，位移傳感器的性能是影響磁懸浮軸承的一個(gè)重要因素。 其基本要求【10】：1)非接觸式；2)能抑制噪聲、磁場(chǎng)干擾，信噪比高；3)線(xiàn)性范圍大，靈敏度高；4)穩(wěn)定性好，溫漂、時(shí)漂??；2)控制器是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。由于磁懸浮軸承系統(tǒng)本身是不穩(wěn)定的， 必須通過(guò)進(jìn)行反饋控制才能進(jìn)行穩(wěn)定懸浮?？刂破鞯淖饔檬菍?duì)傳感器檢測(cè)的位置 偏差信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算，使轉(zhuǎn)子有高精度的定位，而且在外力的干擾作用下， 能通過(guò)迅速而

31、適當(dāng)?shù)男盘?hào)使轉(zhuǎn)子回到平衡位置?？煞譃閿?shù)字控制器和模擬控制器 兩種；3)功率放大器的作用是將控制信號(hào)進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)變?yōu)樽銐虻碾妷夯螂娏鬏敵?，提供給電磁鐵所需要的電流?？煞譃榫€(xiàn)性功放和開(kāi)關(guān)功放兩種； 4)電磁鐵是磁懸浮軸承的執(zhí)行元件。通過(guò)線(xiàn)圈中電流的變化，改變電磁力的大小，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。8第二章磁懸浮軸承原理及組成22磁懸浮軸承的電磁力的計(jì)算及線(xiàn)性化對(duì)于單個(gè)電磁鐵對(duì)轉(zhuǎn)子的電磁力大小的計(jì)算，可以在作一定假設(shè)的情況下得 到。在電磁鐵所形成的磁路中，作一定的假設(shè)1)電磁鐵和轉(zhuǎn)子鐵芯氣隙中的磁場(chǎng)是分段均勻的；2)鐵芯不呈飽和特性；3)不考慮漏磁和磁滯的影響，磁場(chǎng)特性按基本磁化曲線(xiàn)計(jì)算。蠣l

32、L， 7，II廠(chǎng)。 必圖23軸承y方向的受力圖根據(jù)麥克斯韋吸引力公式，可以得到y(tǒng)方向單個(gè)電磁力【11】為：廠(chǎng)=K；(21)式中K=叢c。s口；地為空氣磁導(dǎo)率；以為線(xiàn)圈繞組的匝數(shù)；彳為磁路面積；f為線(xiàn)圈中的電流；x為空氣氣隙，口為電磁力和y方向的夾角。當(dāng)磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，K為常數(shù)。吸引力的大小與線(xiàn)圈電流的平方 成正比，與氣隙長(zhǎng)度成反比。一般情況下，對(duì)于轉(zhuǎn)子單方向電磁鐵控制，采用差動(dòng)控制方式(下文中介紹)，如圖24所示，其中一個(gè)電磁鐵使以偏置電流和控制電流之和(厶+之)勵(lì)磁， 另一個(gè)則為偏置電流和控制電流之差(厶一)勵(lì)磁，根據(jù)上面的磁力公式，兩 磁極對(duì)轉(zhuǎn)子在y方向的磁力之差可以得到下圖所示

33、。9第二二章磁懸浮軸承原理及組成一一 L巧，l、 ， ，-廠(chǎng)一，一一哆廠(chǎng)一O 對(duì)一Iu。以蠢繭二E噸也“辮一夥2)將上式在(乇，)處展開(kāi)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，并忽略二階及二階以上各項(xiàng)，則可得：F，x)：F(f0，)+掣(ffo)+皇!警墜蹴苧立(x一)+碳(23)去曼三筍(f一毛)2+皇二筆掣(f一乇)(x一)+旦三鏟(x一)2】+當(dāng)f，x在點(diǎn)(fo，)很小的領(lǐng)域內(nèi)變化時(shí)，其線(xiàn)性項(xiàng)所帶來(lái)的誤差可以忽略不計(jì)。F(f，x)F(毛，)+掣(f一乇)+旦蘭g墜苧立(x一)(24)反20掣：笪嘻蘭孚生c。s口：屯?；侍m至蘭立：一簪c。s口：一t(25)敘12矗3也為磁懸浮軸承的位移系數(shù)，前面的負(fù)號(hào)表示

34、位移與力的變化相反；t為磁懸浮軸承的電流系數(shù)。磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)和定子線(xiàn)圈靜態(tài)工作點(diǎn)確定之后，t和恕均為常數(shù)。則磁懸浮軸承電磁力可以在點(diǎn)(乇，)為中心的非常小的領(lǐng)域內(nèi)線(xiàn)性化【2】可得如下近似值：lO第二章磁懸浮軸承原理及組成F(f，x)=七；F(fo，)+t(f一乇)一to一)(26)理論上簡(jiǎn)化的線(xiàn)性方程在很大應(yīng)用范圍內(nèi)對(duì)控制器的設(shè)計(jì)是非常合適的。如果設(shè)計(jì)時(shí)選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)，使得，(fo，)在Y方向的重力相等；在水平方向時(shí)，可以讓其在(O，O)點(diǎn)展開(kāi)，(fo，)從而為零。在不考慮外界擾動(dòng)情況下，其微分方程為朋二=也卜tx，轉(zhuǎn)子位移的傳遞函數(shù)為害等=磊專(zhuān)。23傳感器和功率放大器傳遞函數(shù)在磁懸浮軸

35、承系統(tǒng)中多米用非接觸式的位移傳感器，傳感器輸出的電壓信號(hào) 經(jīng)過(guò)低通濾波器，以消除傳感器中的高頻噪聲，傳感器環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可看作一階環(huán)節(jié)，由于濾波器的時(shí)間常數(shù)和傳感器的延遲時(shí)間常數(shù)較小，則其傳遞函數(shù)的時(shí)間常數(shù)可近似為兩者之和，表達(dá)式如下式所示：啪，=器=南眩7，式中：4為傳感器增益(聊)：z為滯后時(shí)間常數(shù)(s)：在本系統(tǒng)中，根據(jù)所選擇的傳感器特性和濾波器電路的時(shí)間常數(shù)，瓦=32×10石s4=3掰=300Q聊，其傳遞函數(shù)為q(s)=再淼。(濾波器時(shí)間常數(shù))+10×lO石s(傳感器時(shí)間常數(shù))=132×lO正s；功率放大器是磁懸浮軸承系統(tǒng)的重要部分本文研究的電壓電流開(kāi)關(guān)功

36、率放大器，表現(xiàn)為帶有小慣性環(huán)節(jié)的放大器，其傳遞函數(shù)(下文第六章有證明)為：啪)南Q8)其傳遞函數(shù)為G口(s)=再百。本文中，以=2釤=2x35=144，=6·137×10=oo00613s，因此第二章磁懸浮軸承原理及組成，24小結(jié)本章主要以單自由度磁懸浮軸承為例，介紹了其控制的基本原理；并介紹了 五自由度主動(dòng)磁懸浮軸承的構(gòu)造原理，主要包括控制芯片、電磁鐵、功率放大器、位移傳感器等幾部分；在此基礎(chǔ)上對(duì)磁懸浮軸承電磁力進(jìn)行計(jì)算并線(xiàn)性化；介紹了功率放大器和位移傳感器的傳遞函數(shù)，為后續(xù)各部分的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。第三章磁懸浮軸承數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)第三章磁懸浮軸承數(shù)字控制系統(tǒng)的硬

37、件設(shè)計(jì)磁懸浮軸承具有優(yōu)越的性能，但本身易受多方面的影響，其中包括磁懸浮軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、所使用的材料、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。在磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，磁懸浮軸承能否實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的精度、剛度、穩(wěn)定性要求，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是其主要的因素之一。磁懸浮軸承系統(tǒng)具有不穩(wěn)定性，所以要求控制系統(tǒng)具有很高的控制實(shí)時(shí)性。 磁懸浮軸承是非線(xiàn)性的，決定了磁懸浮軸承的控制采用現(xiàn)代控制理論或智能控制 算法，其算法比較復(fù)雜。因此這就要求控制核心必須具有高度的運(yùn)算速度和較強(qiáng) 的數(shù)據(jù)處理能力，才能達(dá)到一定的控制精度；同時(shí)要求整個(gè)控制系統(tǒng)的A，D采 樣模塊轉(zhuǎn)換速度快、精度高、多通道；方便的通訊、調(diào)試接口，硬件電路盡可能 簡(jiǎn)單

38、，便于實(shí)現(xiàn)和通用性強(qiáng)。除此之外，還要求滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性 高、抗干擾性強(qiáng)：軟件方面調(diào)試方便，代碼可重用性好，方便實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展、狀 態(tài)檢測(cè)和故障診斷等功能。由此可見(jiàn)，磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，良好的控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)磁懸浮軸承控制的前提條件。31控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)磁懸浮軸承系統(tǒng)的控制方案可以分為模擬式控制和數(shù)字式控制【l 2】?jī)煞N。早期的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中，采用模擬式控制方案的比較多，在這種控制方案下， 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要靠龐大的模擬器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，此種系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，干擾源多， 調(diào)試不方便，并且只能完成簡(jiǎn)單控制。對(duì)于磁懸浮軸承這種復(fù)雜的系統(tǒng)難以達(dá)到很好的控制目的。

39、現(xiàn)代控制理論和電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，磁懸浮軸承控制系統(tǒng)逐漸向數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)展，不僅可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的先進(jìn)的算法，結(jié)構(gòu)靈活方便， 還利于調(diào)試，從而為磁懸浮軸承系統(tǒng)性能的提高提供了便利。13表31模擬和數(shù)字式磁懸浮軸承系統(tǒng)控制方案的比較類(lèi)別之量第三章磁懸浮軸承數(shù)寧控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)模擬式控制數(shù)字式控制14控制核心模擬器件搭建微控制器實(shí)現(xiàn)的算法實(shí)現(xiàn)單一算法且難更改實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法且易更改擴(kuò)展性難易調(diào)試難易度難易干擾源多少結(jié)構(gòu)復(fù)雜模塊化結(jié)構(gòu)體積大小由表31知，數(shù)字控制是磁懸浮軸承的發(fā)展方向【13】。本文中采用數(shù)字式控制方案。對(duì)于磁懸浮軸承的數(shù)字式控制系統(tǒng)，主要為集中控制和集散控制。對(duì)于集散控制系統(tǒng)的思想是“分散

40、控制，集中管理，就是將控制任務(wù)按照一定的任務(wù)組 合，有效的分配到多個(gè)控制點(diǎn)上去，即用一片微處理器控制一到兩個(gè)自由度。雖 然集散控制將控制任務(wù)專(zhuān)一化，大大減輕了控制器的運(yùn)算負(fù)荷，但集散控制所需硬件架構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)過(guò)于龐大，連接接口太多；同時(shí)，這種方案中系統(tǒng)將不考慮各自由度的耦合問(wèn)題，不利于控制系統(tǒng)的產(chǎn)品化。集中控制的思想就是把整個(gè)控制系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)模塊來(lái)設(shè)計(jì)，以專(zhuān)用的控制芯片為核心，輔以IO外設(shè)，通信模 塊設(shè)計(jì)成一個(gè)控制系統(tǒng)。大大減少了干擾源的產(chǎn)生幾率，降低系統(tǒng)成本，縮減系統(tǒng)體積，使功能高度集成化。集中式控制系統(tǒng)核心處理器可由DSP實(shí)現(xiàn)，DSP負(fù)責(zé)信號(hào)的采集與處理、控制算法的實(shí)現(xiàn)、輸入輸出控制等任務(wù)

41、。集中控制比集散控制數(shù)字式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為合理，結(jié)構(gòu)清晰，體積精簡(jiǎn)， 算法實(shí)施更容易實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)優(yōu)化，擴(kuò)展方便。因此本文采用集中式控制方案。32數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)字式控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原則為：合理選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確定整體框架， 協(xié)調(diào)各部分相互關(guān)系，選擇各子系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)方法，兼顧調(diào)試方便等原則。第三章磁懸浮軸承數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)磁懸浮軸承數(shù)字系統(tǒng)主要包括：電磁鐵、位移傳感器、數(shù)字控制器、功率放大器等部分。以單個(gè)磁懸浮軸承為例，其控制框圖為下圖所示。圖3-l磁懸浮軸承控制框圖在本文中采用開(kāi)關(guān)功率放大器(下文中將有討論)，DSP的控制信號(hào)主要對(duì)功率放大器發(fā)出PwM脈沖信號(hào)：對(duì)于位移傳感

42、器所采集的信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波器輸入到控制芯片中，控制芯片對(duì)其進(jìn)行定的運(yùn)算處理。321數(shù)字芯片的主要特點(diǎn)隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器的性能越來(lái)越高，其成本不斷的下降，在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代DSP芯片作為可編程超大規(guī)模集成電路(VLSI)器件，通過(guò)可下載的 軟件或內(nèi)部硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理功能。DSP芯片除具備普通微處理器的高速運(yùn)算和控制功能外，針對(duì)高數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)值運(yùn)算密集的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理操作，在處理結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和指令流程設(shè)計(jì)等方面都有較大的改進(jìn)。DSP【141 的主要特點(diǎn)：(1)采用哈佛結(jié)構(gòu)或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)相比，哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是將

43、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)獨(dú)立相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪(fǎng)問(wèn)。從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。(2)專(zhuān)用的硬件乘法器由于具有專(zhuān)用的應(yīng)用乘法器，乘法可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。乘法速度越第三章磁懸浮軸承數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)快，DSP的性能越高。(3)多個(gè)功能單元現(xiàn)代DSP芯片內(nèi)部設(shè)置了多個(gè)并行操作的功能單元，由于多個(gè)并行單元的并行操作，使DSP芯片在相同時(shí)間內(nèi)可完成更多的操作，因此提高了程序的執(zhí)行 速度。(4)專(zhuān)用尋址單元現(xiàn)在DSP芯片內(nèi)一般都有支持地址運(yùn)算的算術(shù)單元一地址產(chǎn)生器。地址產(chǎn)生器與算術(shù)邏輯單元并行工作，因此不再占用CPU的計(jì)

44、算時(shí)間。(5)指令系統(tǒng)的流水線(xiàn)操作DSP芯片執(zhí)行一條指令通常需要經(jīng)過(guò)取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等幾個(gè)階段。為了提高芯片的計(jì)算速度，現(xiàn)代的DSP芯片普遍采用流水線(xiàn)操作，可以并 行處理多條指令。在每個(gè)周期內(nèi)，可以有多條不同的指令處于激活狀態(tài)，每個(gè)指 令處于不同的階段。(6)片內(nèi)存儲(chǔ)器DSP的特點(diǎn)是需要大量的重復(fù)運(yùn)算，其程序一般多比較短小，存放在片內(nèi)可以減小指令的傳輸時(shí)間，并有效緩解芯片外部總線(xiàn)接口的壓力。除了片內(nèi)程序存 儲(chǔ)器外，DSP一般還集成了片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于存放參數(shù)和數(shù)據(jù)。(7)特殊的指令集在DSP芯片的指令系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一些特殊的DSP指令，以充分發(fā)揮DSP算法及各系列芯片的特殊設(shè)計(jì)功能。

45、(8)快速的指令周期哈佛結(jié)構(gòu)、流水線(xiàn)操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊的指令，加上集成的電路 的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使DSP芯片的指令周期下降到50ns以下。322數(shù)字芯片的選型TMS320LF240xDSP(Digital Signal Processor)是TMS320數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)家族中的一員。TMS320LF240x系列是為了滿(mǎn)足大范圍的數(shù)字電動(dòng)機(jī)控制(DMC)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。TMS320LF240x系列DSP除了以上DSP的一些共有特點(diǎn)以外還另有以下一些特點(diǎn)：17(1)采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為33v，減小了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns(

46、30MHZ)，從而提高了控 制器的實(shí)時(shí)控制能力。(2)基于TMs320c2xxDsP的cPu內(nèi)核，保證了TMS320LF240x系列DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。(3)片內(nèi)有高達(dá)32k字的FLASH程序存儲(chǔ)器，高達(dá)15K字的數(shù)據(jù)程序RAM，544字雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM)。(4)兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB模塊，每個(gè)包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器，8個(gè)16位脈寬調(diào)制(P11M)通道。(5)可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器(LF2407)總共192K字空間：64K字程序存儲(chǔ)器 空間；64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間：64K字IO尋址空間。(6)看門(mén)狗定時(shí)器模塊(WDT)。 (

47、7)10位AD轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ns，可選擇兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入AD轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的AD轉(zhuǎn)換器。(8)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)20B模塊。(9)串行通信接口(SCI)接口模塊。模式。(10)16位的串行外設(shè)(SPI)接口模塊。 (11)基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。 (12)高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入輸出引腳(GPIO)。(13)5個(gè)外部中斷(兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷)。(14)電源管理包括3種低功耗模式，能獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作其中TMS320LF2407是240x系列中的一種功能最全的控制器，2407控制器上具有該系列的特點(diǎn)，且TM

48、S320LF2407A的處理速度為40MIP。由上述特性可以看出，TMS320LF2407從集成度、運(yùn)行速度和功能都完全符合系統(tǒng)的要求，因此選取此芯片。323 AD轉(zhuǎn)換模塊和PWM波的產(chǎn)生磁懸浮軸承的主控系統(tǒng)中，對(duì)位置信號(hào)的測(cè)量是十分重要的。傳感器的信號(hào)第三章磁懸浮軸承數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)挠布M濾波處理，到達(dá)AD采樣通道，AD將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，其精度和分辨率以及采樣轉(zhuǎn)化的時(shí)間都是十分重要的。TMS320LF2407A的ADC模塊有16個(gè)模擬量輸入通道，可進(jìn)行10位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換，最快轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ns?？梢詽M(mǎn)足磁懸浮軸承數(shù)字系統(tǒng)的要求，AD 模塊必須外接轉(zhuǎn)換參考

49、電壓，它有兩個(gè)引腳VREFHI、VREFLO分別接參考電壓的高、低電平。10位ADC轉(zhuǎn)換處理的數(shù)字結(jié)果可用下式近似表示：RDEPSc覘r rr丁個(gè)=1012n3，×=!，=二，二卻二“=f壘二，f昭二P=一=二職E彪竺D，(3】11、)VREFHlvREFLO其轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)保存在結(jié)構(gòu)寄存器(RESULTORESULTl5)，保存轉(zhuǎn)換結(jié)果。按照五路傳感器的設(shè)計(jì)，可選擇端口(ADCINOADCIN5)，假設(shè)磁懸浮軸承控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為20000rmin，則旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間為3ms，DSP完成一通道所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ns，則采樣相鄰?fù)ǖ罆r(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度可用下式來(lái)計(jì)算：3垅s移：竺×360

50、。：O045。(32)對(duì)于五路輸入信號(hào)，從第一路到最后一路采集完成軸承轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度為O225。，其影響很小，可以忽略不計(jì)?？梢詽M(mǎn)足磁懸浮軸承系統(tǒng)中控制要求。在DSP系統(tǒng)中，通過(guò)事件管理器可以方便產(chǎn)生所需要的PWM波形。對(duì)于下文中開(kāi)關(guān)功率放大器所需要的PwM波，在事件管理器中通過(guò)設(shè)置定時(shí)器周期寄存器和比較寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其原理為通用定時(shí)器工作在連續(xù)增減工作方式，通用定時(shí) 器寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)周期設(shè)置，比較值寄存器的大小改變輸出脈沖的占空比。在比較寄存器(CMPR)存放一個(gè)比較值，定時(shí)器計(jì)數(shù)值與比較值進(jìn)行比較匹配改變輸出電平，并且可以產(chǎn)生相反的波形如下圖32所示。從而為開(kāi)關(guān)功率放大器的不同 的控制方式提

51、供了可能。第三章磁懸浮軸承數(shù)?？刂葡到y(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)比較值LPWMlPWM2定時(shí)器計(jì)數(shù)值比較低2PWMl PWM2圖32 PWM波形的產(chǎn)生不恿圖上圖A所示，定時(shí)器計(jì)數(shù)值與比較值1相比較，產(chǎn)生50占空比的脈沖PWMl， PWM2為其相反的波形。根據(jù)第二章中電磁鐵工作在差動(dòng)方式，此波形適應(yīng)在平衡點(diǎn)所加的PWM脈沖，產(chǎn)生上下相等的電磁力。當(dāng)電磁鐵受到向上的擾動(dòng)時(shí)， 上電磁鐵所施加的PWMl脈沖占空比減小，下電磁鐵所施加的PWM2脈沖占空比增大，綜合作用產(chǎn)生向下的電磁力。如上圖B所示的脈沖波形PWMl和PWM2適合此要求，因此可以滿(mǎn)足電磁鐵在差動(dòng)方式下工作。324抗干擾因素的考慮在磁懸浮軸承的數(shù)字控制系統(tǒng)

52、中，有強(qiáng)電和弱電兩種應(yīng)用環(huán)境，存在多種電磁干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)電磁兼容進(jìn)行考慮。電磁干擾按其產(chǎn)生和傳播的方式可分為一下五種： (1)靜電干擾，主要是由電場(chǎng)通過(guò)電容器或分布電容耦合對(duì)裝置所形成的干擾；19第三章磁懸浮軸承數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)(2)電磁輻射干擾，主要是由外界電磁波的傳播，被電子裝置接受所形成的干擾；一(3)磁場(chǎng)耦合干擾，主要是由在電子裝置附近流過(guò)較強(qiáng)電流線(xiàn)路，周?chē)兓碾姶艌?chǎng)對(duì)電子裝置所形成的干擾； (4)共阻抗干擾，主要是由在電子回路中公共導(dǎo)線(xiàn)存在著電阻和電感，某一回路流過(guò)公共導(dǎo)線(xiàn)，在導(dǎo)線(xiàn)上產(chǎn)生的電壓降耦合到其他電子回路所形成的干擾；(5)電源的

53、干擾，主要是由電網(wǎng)中的干擾信號(hào)耦合到控制系統(tǒng)中所形成的干擾。針對(duì)以上所存在的干擾形式，在設(shè)計(jì)硬件時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面： (1)靜電干擾的抑制：采用靜電屏蔽的方法，從外部進(jìn)入系統(tǒng)的接線(xiàn)可以套磁環(huán)；(2)內(nèi)部電磁干擾的抑制：在磁懸浮軸承中，內(nèi)部的干擾源主要是功率放大器的主電路及電源線(xiàn)等。采取的方法為功率放大器的控制信號(hào)和主電路需要光耦隔離驅(qū)動(dòng)；部分易受干擾的電路采用屏蔽材料隔離；采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)；(3)共阻抗干擾的抑制：常見(jiàn)的是公共地線(xiàn)共阻抗干擾和電源共阻抗干擾。采取的方法是，對(duì)數(shù)字電路和模擬電路的地線(xiàn)和電源線(xiàn)分開(kāi)單獨(dú)設(shè)置；選用截面積大的電源線(xiàn)和地線(xiàn)，PCB布線(xiàn)時(shí)，增加電源線(xiàn)和地線(xiàn)的寬度或采用敷銅增大面 積；(4)電源干擾的抑制：采取的方法是在電源的輸入端并聯(lián)lO一100uF的電解電容。除了以上措施，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)盡量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，采用貼片元件n們，縮短引腳長(zhǎng)度，減少去藕電容供電回路面積，減少電磁干擾。第三章磁懸浮軸承數(shù)字挖制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.2.5 DSP的電源設(shè)計(jì)7圖33 DSP電路的輔助電源部分本設(shè)計(jì)中DSP供電電源采用12V的外部開(kāi)關(guān)電源。經(jīng)過(guò)MC7