主动磁悬浮轴承(以下简称磁力轴承)是利用可控电磁力将被支承件稳定悬浮在空间的一种高性能机电一体化轴承。由于不存在机械接触,轴承转子可以达到很高的运转速度,能耗和噪声大大降低,无需复杂的润滑装置,使用寿命长。磁力轴承的这些特点,使它在很多领域具有广阔的应用前景。国内外把磁力轴承的出现称为支承技术的一场革命。然而,因磁力轴承研究涉及到机械、电子、计算机、控制和传感等多学科技术,至今为止,国内外仍缺乏一套成熟的理论和设计方法。控制系统是磁力轴承系统中很重要的一环,控制系统的好坏直接影响到整个系统的性能。所以控制系统的设计也是整个磁力轴承系统设计中的重点和难点之一。 本文分析了国内外磁力轴承技术发展的现状,总结了当前磁力轴承系统存在的问题及技术难点;建立了完整的磁力轴承系统的框架结构,阐释了控制系统各组成部分的主要功能及技术要求;应用力学、电磁学及相关数学理论知识,推导出了磁力轴承的承载力计算模型及单自由度控制系统模型。 本文基于控制系统数学模型,提出了适合本控制对象的磁力轴承嵌入式数字控制系统的设计方案。以TMS320F2812为核心处理器,设计了控制器的硬件电路。分析了磁力轴承功率放大器(功放)的技术要点,设计出了较大功率的电流控制型PWM开关功放。基于分散式控制思想,在磁力轴承控制系统中应用了传统的PID算法,并根据磁力轴承的特点进行了算法改进。为在复杂工况下实现磁力轴承系统控制算法的参数自整定,将自适应的单神经元-PID算法应用于磁力轴承控制系统中。介绍了控制系统的软件结构,并根据本数字控制器的特点,给出了各算法的实现流程图及程序变量在DSP中的定标方法。 利用实验获得的数据,绘出了磁力轴承的悬浮效果图。实验表明,所设计的基于DSP的磁力轴承嵌入式控制系统能够使磁力轴承稳定悬浮,且具有响应速度快、超调小、噪声低、刚度大和控制精度高的优点。