带阻尼器磁悬浮系统的数字控制与性能分析

论文摘要

本文研究了带阻尼器磁悬浮柔性转子系统的动态性能和阻尼器对系统动态性能的影响,设计了基于DSP的数字控制系统软硬件。主要内容如下:首先,介绍磁悬浮轴承系统机械部分的结构和参数,简要分析磁悬浮轴承的工作原理,对自制电涡流传感器、功率放大器进行了静态和动态特性测试;采用有限元方法对转子进行了理论模态分析。其次,设计了基于TMS320LF2407A DSP的数字控制器硬件系统,包括A/D采样电路,D/A输出电路等,并对各部分电路进行了试验调试。对PID控制算法与模糊自整定PID控制算法进行了分析讨论,在MATLAB仿真环境下对它们进行了控制仿真,结果表明模糊自整定PID控制能改善转子的动态性能;采用汇编语言设计了磁悬浮轴承数字控制器的软件。最后,通过试验模态分析及高速旋转实验,研究了带阻尼器磁悬浮轴承转子系统的动态性能。对理论分析结果、数字控制器软硬件、阻尼器抑制振动的效果进行了验证。理论分析与实验结果表明,系统可以平稳越过二阶弯曲临界转速在18000 r/min稳定运行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁悬浮轴承的发展及现状
• 1.3 课题的研究背景
• 1.3.1 国内外关于柔性转子的研究现状
• 1.3.2 本课题研究的目的和方法
• 1.4 论文的内容安排
• 第二章 磁悬浮轴承转子系统建模与分析
• 2.1 系统的结构及转子、磁悬浮轴承参数
• 2.1.1 磁悬浮轴承系统的结构
• 2.1.2 转子的结构、电磁铁参数
• 2.2 电磁铁对转子的吸力
• 2.3 磁悬浮轴承转子的有限元分析
• 2.3.1 转子的有限元模型
• 2.3.2 动态特性分析
• 2.4 电涡流式位移传感器
• 2.4.1 位移传感器的布置方式
• 2.4.2 位移传感器的性能测试
• 2.5 功率放大器
• 2.5.1 PWM 开关功率放大器的性能测试
• 2.6 本章小结
• 第三章 磁悬浮轴承数字控制系统硬件设计
• 3.1 数字控制系统硬件结构简介
• 3.2 数字信号处理（DSP）模块
• 3.2.1 DSP 外扩存储器
• 3.2.2 A/D 采样通道设计
• 3.2.3 D/A 转换通道设计
• 3.2.4 电路中3.3V 电源的产生
• 3.2.5 硬件设计与调试的注意事项
• 3.3 本章小结
• 第四章 磁悬浮轴承数字控制器软件设计
• 4.1 PID 控制算法
• 4.1.1 标准PID 算法
• 4.1.2 不完全微分PID 算法
• 4.1.3 不完全微分PID 控制器的仿真
• 4.1.4 不完全微分PID 控制算法的软件实现
• 4.2 模糊自调整PID 控制算法
• 4.2.1 模糊控制的基本原理
• 4.2.2 模糊控制器的结构
• 4.2.3 模糊自整定PID 控制器原理
• 4.2.4 模糊自整定PID 控制器的设计
• 4.2.4.1 语言变量的模糊化
• 4.2.4.2 模糊控制规则表
• 4.2.4.3 基于MATLAB 模糊逻辑工具箱的控制器设计
• 4.2.4.4 模糊自整定PID 控制器的仿真
• 4.2.5 模糊自整定PID 控制器算法的软件实现
• 4.3 在编程时需要注意的事项
• 4.3.1 程序变量的定标
• 4.3.2 “看门狗”技术
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统调试及实验分析
• 5.1 数字控制器的调试工具
• 5.1.1 SEED-XDSusb 开发系统
• 5.1.2 Code Composer 2000 集成开发环境
• 5.2 DSP 数字控制器的硬件调试
• 5.2.1 DSP 最小系统的调试
• 5.2.2 数据采集部分的调试
• 5.3 起浮试验
• 5.4 静态悬浮试验
• 5.5 系统的高速旋转试验
• 5.6 磁悬浮阻尼器的抑振效果
• 5.6.1 转子高速旋转时轴心的李沙育图
• 5.6.2 转子高速旋转时的幅频特性
• 5.7 磁悬浮轴承转子的激振模态试验
• 5.7.1 试验结构及其数据分析
• 5.7.1.1 激振点的布置与力信号和加速度信号的实时波形
• 5.7.1.2 传递函数及模态参数识别
• 5.8 软件设计与调试的注意事项
• 5.9 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录 1 数字控制器实物图
• 附录 2 不完全微分 PID 控制算法程序清单