基于非线性PID算法的磁浮轴承电控系统研究

摘要

电磁轴承是一种高新技术，是利用电磁力将转子无接触地悬浮起来的支撑部件，其研究涉及到电磁学、控制理论、机械学、转子动力学、计算机科学等众多领域。因具有传统轴承无法比拟的优点，所以在高速旋转机械领域得到了广泛的应用。 论文首先介绍了磁浮轴承的特点、国内外的发展状况及其发展趋势，并指出了磁浮轴承在研究与应用中仍存在的一些难题。接着以立式电磁轴承为研究对象介绍了各部分的组成及原理，并推导出了电磁轴承单自由度的数学模型a然后，论文就电磁轴承中功放环节和控制器环节两个主要部分进行了设计。在功放设计中，比较了目前开关功放各种调制技术的优缺点，从而选用了采样一保持型的调制技术，并详细阐述了功放电路各个部分的设计方法和过程；在控制器设计中，在传统PID控制算法的基础之上提出了一种非线性补偿型的PID控制算法。利用MATLAB仿真分析，验证了电磁轴承轴向系统的在非线性PID控制下的响应比PID控制更优，从理论上实现了磁悬浮系统的稳定控制。最后进行了基于DSP的磁浮轴承数字控制系统的软硬件设计。 实验实现了电磁轴承转子的单自由度悬浮，结果证明本设计在一定程度上的合理性。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2磁悬浮轴承的优点

1.3磁悬浮轴承技术发展与研究现状

1.4磁悬浮轴承发展面临的技术难题

1.5本文的研究意义

1.6研究内容

第2章磁浮轴承系统组成

2.1概述

2.2轴承电磁铁结构

2.2.1轴向电磁铁

2.2.2径向电磁铁

2.2.3电磁铁线圈的绕制方式

2.3功率放大器

2.3.1线性功率放大器

2.3.2开关型功率放大器

2.4传感器

2.5控制器

第3章磁轴承功率放大电路的分析与设计

3.1电磁轴承开关功放基本参数及性能指标

3.1.1电流和控制力响应速度

3.1.2电磁轴承的功放的效率及纹波

3.2开关功放的调制技术

3.2.1载波交截型开关功放

3.2.2滞环比较型开关功放

3.2.3最小脉宽(MPW)型开关功放

3.2.4采样—保持型开关功放

3.3开关功放的干扰问题

3.4磁轴承开关功放设计的一般原则

3.5采样—保持型功放的实现

3.5.1主电路开关管的选用

3.5.2隔离、驱动电路

3.5.3电流检测电路

3.5.4保护电路

3.5.5缓冲电路

第4章磁浮轴承控制系统的研究

4.1概述

4.2磁力轴承系统的数学描述

4.2.1轴向轴承数学模型

4.2.2径向轴承数学模型

4.2.3传递函数及状态空间模型

4.3传统PID控制器的分析

4.4非线性PID控制器设计

4.4.1非线性补偿比例(P)控制

4.4.2非线性补偿积分(I)控制

4.4.3非线性补偿微分(D)控制

4.4.4设置误差不灵敏区

4.4.5积分分离

4.5系统控制策略和控制器参数的选择

4.5.1系统控制策略

4.5.2系统控制器参数的选择

4.6系统仿真研究

第5章磁悬浮轴承系统数字控制器软硬件设计

5.1控制芯片介绍

5.1.1 F2812DSP芯片特点

5.1.2事件管理器模块(EV)

5.2数字控制器硬件结构设计

5.2.1 A/D转换模块(ADC)

5.2.2片内存储器

5.2.3 D/A转换模块

5.2.4 DSP外扩存储器

5.2.5电源模块

5.2.6输入信号调理

5.3系统的软件设计

5.3.1 DSP程序设计特点

5.3.2控制器软件总体框架

5.3.3模块的初始化

5.3.4非线性PID运算子程序

5.3.5中断服务程序

第6章实验结果与分析

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文