高可靠磁悬浮轴承数字控制器的研究

论文摘要

文中对磁悬浮轴承数字控制器的可靠性进行了研究,根据磁悬浮轴承数字控制器的特点与结构,将其分为DSP(Digital Signal Processor)芯片以及信号输入、输出通道三个部分,并分析了每个部分可能发生的故障类型,针对不同的故障类型研究了相应的故障诊断与处理方法,并以美国TI(Texas Instruments)公司的浮点DSP芯片TMS320VC33为核心研制了高可靠磁悬浮轴承数字控制器。该数字控制器具有容错能力,能够在磁悬浮轴承工作的情况下实现对DSP芯片以及信号输入、输出通道故障的诊断与处理。文中应用该数字控制器,在五自由度磁悬浮轴承试验台上进行了转子静态悬浮和高速旋转试验,并进行了可靠性验证试验。在静态悬浮试验中该数字控制器实现了转子的稳定悬浮并使其各自由度的位移振动峰峰值小于5μm;在高速旋转试验中,使整个磁悬浮轴承系统在转子处于36000r/min的高转速下仍然保持稳定。在可靠性验证试验中,当转子处于30000r/min的高转速下手动复位主DSP芯片,控制器能够在极短的时间内判断出故障并切换到备用DSP芯片,在整个故障处理过程中磁悬浮轴承系统保持稳定。同样在转子处于30000r/min的高转速下任意切断单个或多个信号传输通道,控制器能迅速判断出故障通道并切换到备用通道,且切换过程对转子状态没有任何影响。研究结果表明:文中研制的高可靠磁悬浮轴承数字控制器能够在转子高速旋转的情况下,实现对DSP芯片以及信号输入、输出通道故障的诊断及处理,为磁悬浮轴承系统可靠性的研究提供了一定的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 磁悬浮轴承概述
• 1.1.1 磁悬浮轴承的特点
• 1.1.2 磁悬浮轴承技术的发展现状
• 1.2 磁悬浮轴承数字控制器的概述
• 1.3 论文工作的意义和内容安排
• 1.3.1 论文工作的背景及意义
• 1.3.2 论文工作的主要内容
• 第二章 磁悬浮轴承的工作原理及故障分析
• 2.1 磁悬浮轴承系统的基本结构及工作原理
• 2.2 磁悬浮轴承系统的故障分析
• 2.2.1 位移传感器故障分析
• 2.2.2 功率放大器及电磁铁的故障分析
• 2.2.3 磁悬浮轴承数字控制器的基本结构及故障分析
• 2.2.3.1 磁悬浮轴承数字控制器的工作原理及基本结构
• 2.2.3.2 磁悬浮轴承数字控制器的故障分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 高可靠磁悬浮轴承数字控制器的基本思想
• 3.1 容错控制和故障诊断技术
• 3.2 高可靠磁悬浮轴承数字控制器的工作原理
• 3.2.1 微处理器故障的诊断及处理方法
• 3.2.2 信号输入通道故障的诊断及处理方法
• 3.2.3 信号输出通道故障的诊断及处理方法
• 3.3 控制器可靠性评估
• 3.3.1 可靠性指标
• 3.3.2 串联系统与并联系统
• 3.3.3 控制器可靠度计算
• 3.4 本章小结
• 第四章 高可靠磁悬浮轴承数字控制器的实现
• 4.1 硬件部分的实现
• 4.1.1 微处理器单元的硬件构成
• 4.1.2 信号输入通道的硬件构成
• 4.1.3 信号输出通道的硬件构成
• 4.1.4 控制器的电磁兼容性及PCB 设计
• 4.2 软件部分的实现
• 4.2.1 主DSP 芯片程序设计
• 4.2.2 备用DSP 芯片程序设计
• 4.2.3 FPGA 芯片程序设计
• 4.2.4 VC33 程序引导加载方法设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 试验研究
• 5.1 静态悬浮试验
• 5.2 高速旋转试验
• 5.3 可靠性试验
• 5.3.1 双DSP 结构的可靠性试验
• 5.3.2 信号输入通道的可靠性试验
• 5.3.3 信号输出通道的可靠性试验
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文