高可靠磁悬浮轴承数字控制器研制

论文摘要

为了提高磁悬浮轴承控制系统的可靠性,本文针对数字控制器信号输入输出系统的硬件故障,开展了对其硬件可靠性设计的研究。本文研制了以TMS320VC33 DSP和EP1C6T144C8 FPGA为核心的数字控制器,该控制器具有基于硬件冗余的高可靠信号输入输出系统,控制器中DSP负责算法运算,FPGA负责信号输入输出系统的控制及故障检测与处理。信号输入输出系统中,输入系统通过对基准电压信号的采样实现故障检测,输出系统通过写入一固定值,将该值转换结果重新采样来进行故障判断。而故障处理则是通过片选等控制信号的替换,实现故障模块与备用模块间的切换。本文在五自由度磁悬浮轴承试验台上进行了试验研究,使用该数字控制器在试验台上成功地实现了转子的静态悬浮和30000r/min下的高速运转,且各方面性能满足要求。在此基础上,通过模拟故障对信号输入输出系统进行了可靠性测试,信号输入系统成功地实现了30000r/min下的故障检测及故障处理,没有造成转子的失稳和振荡;信号输出系统成功实现了开机上电后的故障检测。试验表明,信号输入输出系统故障检测与处理模块准确性好、可靠性高,无误判断现象,有效地提高了整个控制系统的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 磁悬浮轴承技术概述
• 1.1.1 磁悬浮轴承的特点
• 1.1.2 磁悬浮轴承在国内外的研究现状
• 1.2 磁悬浮轴承数字控制器的发展概况
• 1.3 本课题研究的背景及意义
• 1.4 课题的主要工作
• 1.5 论文内容安排
• 第二章 DSP 控制软件的验证
• 2.1 超前校正不完全微分PID 算法介绍
• 2.2 超前校正不完全微分PID 算法程序的验证
• 2.3 超前校正不完全微分PID 算法程序的优化与改进
• 2.4 本章小结
• 第三章 数字控制器硬件系统研制
• 3.1 数字控制器硬件系统总体方案设计
• 3.2 数字控制器中电源和地的设计
• 3.2.1 电源模块设计
• 3.2.2 地模块的设计
• 3.3 FPGA 模块设计
• 3.3.1 FPGA 模块的总体设计
• 3.3.2 晶振与EMI 滤波器的设计
• 3.3.3 FPGA 的配置电路设计
• 3.4 信号输入系统的设计
• 3.4.1 A/D 转换芯片MAX1304 的介绍
• 3.4.2 MAX1304 及其外围电路的设计
• 3.4.3 高可靠信号输入系统的硬件实现
• 3.5 DSP 模块的设计
• 3.5.1 时钟的设计
• 3.5.2 DSP 与FPGA 的接口电路设计
• 3.6 信号输出系统的设计
• 3.6.1 D/A 芯片的选用
• 3.6.2 FPGA 与D/A 芯片的接口电路设计
• 3.6.3 高可靠信号输出系统的硬件实现
• 3.7 磁悬浮轴承数字控制器硬件系统的研制
• 3.8 本章小结
• 第四章 数字控制器软件系统设计
• 4.1 DSP 控制算法程序结构
• 4.2 FPGA 程序的开发流程
• 4.3 信号输入系统的故障检测方法及其软件实现
• 4.3.1 信号输入系统的故障检测方法
• 4.3.2 信号输入系统故障检测程序的结构
• 4.3.3 信号输入系统故障检测程序的仿真
• 4.4 FPGA 与DSP 间的数据交换时序
• 4.5 信号输出系统的故障检测方法及其软件实现
• 4.5.1 信号输出系统的故障检测方法
• 4.5.2 信号输出系统故障检测程序的结构
• 4.5.3 信号输出系统故障检测程序的仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统调试与试验结果
• 5.1 数字控制器的系统开发调试工具
• 5.1.1 DSP 的开发调试工具
• 5.1.2 FPGA 的开发调试工具
• 5.2 数字控制器电路板级调试
• 5.2.1 控制器的硬件调试
• 5.2.2 数字控制器的软件调试
• 5.3 系统调试
• 5.3.1 静态悬浮试验
• 5.3.2 高速运转试验
• 5.4 控制器信号输入系统可靠性调试
• 5.4.1 静态悬浮情况下对信号输入系统的可靠性调试
• 5.4.2 高速旋转情况下对信号输入系统的可靠性调试
• 5.5 控制器信号输出系统可靠性调试
• 5.6 本文研制的数字控制器与课题组原有数字控制器性能对比
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 对进一步工作的展望
• 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