磁悬浮动量轮中控制器的设计与研究

论文摘要

本课题是清华大学核研院与中国航天科技集团公司第八研究院八一二研究所的合作项目,主要是研究基于电磁轴承支承的磁悬浮动量轮系统在卫星中的应用,属于电磁轴承的航天应用。电磁轴承利用电磁力实现对转子的无机械接触支承,具有摩擦小、能耗低、噪音小、长寿命、无需润滑系统、振动可控等许多优点,因此在卫星航天以及其他许多领域中有着广阔的应用发展前景。在该项目的前期工作中,有关人员设计了控制器并初步实现了飞轮的悬浮,但仍存在着许多不足,本文针对这些缺点进行了一定的改进与创新:首先,成功开发了基于最新一代高性能浮点DSP(TI公司TMS320C6713b)的控制器硬件平台,这个过程包括了从需求分析、硬件选型、原理设计到PCB设计与调试等一系列工作。原硬件平台较低的运算速度限制了采样率的提高,从而成为飞轮系统性能提高的一大瓶颈,新平台不仅提高了运算的速度和精度,还增加了测速模块以及与主机进行通信的模块,并扩展了AD、DA的接口(AD输入从4路增加到8路,DA输出从8路增加到16路),使得硬件平台的功能大大增强,不仅为本课题的后续研究奠定了很好的基础,而且可以应用到其他的电磁轴承系统中,对相关的研究具有一定的推动作用;其次,原有控制器的控制对象是铝制飞轮,相对于本课题中的钢质飞轮来说控制难度较低,并且它只能实现对径向四个自由度的数字控制,采样率最高也只能提高到每秒10k,而新控制器不仅实现了五个自由度全数字控制的稳定悬浮,可以获得高达每秒150k以上的采样率,而且具备较好的性能。另外本课题的工作重点还包括:对PID、交叉反馈和数字滤波等控制算法进行了分析、仿真与软件实现,并在实验中加以应用,这些对相关的研究也有一定的参考价值和帮助意义;对系统各环节进行了建模和分析,完成了对功率放大器、位移传感器等部分的焊接与调试;同时完成了整个系统的集成,这些对系统功能的最终实现都是至关重要的。实验表明,飞轮最终实现了稳定悬浮并具备较好的性能,同时也验证了新的控制器是可靠、高效的,它的成功研制对航天飞轮系统以及其他电磁轴承应用领域的研究都有一定的帮助和推动作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 电磁轴承技术
• 1.1.1 电磁轴承的特性、应用及原理
• 1.1.2 电磁轴承的研究和发展状况
• 1.2 动量轮磁轴承技术
• 1.3 课题背景及意义
• 1.4 论文工作与内容安排
• 1.4.1 论文的主要工作
• 1.4.2 论文的内容安排
• 第2章 磁悬浮动量轮系统
• 2.1 本章引论
• 2.2 动量轮系统的构成
• 2.3 动量轮轮体
• 2.3.1 转子
• 2.3.2 定子
• 2.4 位移传感器
• 2.5 功率放大器
• 2.6 动量轮系统的模型
• 2.7 小结
• 第3章 控制器的硬件设计
• 3.1 本章引论
• 3.2 设计新控制器的必要性
• 3.3 系统框图及工作原理
• 3.4 最小系统
• 3.4.1 DSP 本身的设置
• 3.4.2 电源复位模块
• 3.4.3 时钟模块
• 3.4.4 扩展内存
• 3.4.5 FLASH
• 3.4.6 JTAG 接口
• 3.5 AD 和 DA
• 3.5.1 AD
• 3.5.2 DA
• 3.6 其他电路
• 3.6.1 串口电路
• 3.6.2 测速电路
• 3.6.3 滤波电路
• 3.6.4 CPLD
• 3.7 小结
• 第4章 控制器的软件设计
• 4.1 本章引论
• 4.2 飞轮系统模型分析
• 4.2.1 轴向数学模型
• 4.2.2 径向数学模型
• 4.2.3 系统模型的影响
• 4.3 控制算法的分析与仿真
• 4.3.1 轴向PID 控制
• 4.3.2 径向PID 控制
• 4.3.3 交叉反馈控制
• 4.3.4 数字滤波
• 4.4 程序设计
• 4.4.1 TI 公司 DSP 的集成开发环境——CCS
• 4.4.2 软件开发优化流程
• 4.4.3 程序模块设计
• 4.4.4 程序总框图
• 4.5 小结
• 第5章 磁悬浮飞轮实验研究
• 5.1 本章引论
• 5.2 控制器的性能实验
• 5.3 飞轮的静态悬浮和旋转实验（10K 采样率）
• 5.4 飞轮的静态悬浮和旋转实验（50K 采样率）
• 5.5 小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果