基于ARM7的磁悬浮轴承数字控制系统设计.pdf

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1、设计与制造·机械研究与应用·基于ARM7的磁悬浮轴承数字控制系统设计张海波，黄平林(中国船舶重工集团公司第710研究所，上海200940)摘要：以ARM7TDMI—SCPU为内核的LPC2131微处理器为核心，设计了同极型四自由度径向主动磁悬浮轴承控制器硬件电路及控制软件，采用变速积分一抗积分饱和增量式数字PID实现了对系统转轴位置及线圈电流的双闭环控制。试验结果表明：磁悬浮轴承具有良好的控制精度及静态刚度，满足了磁悬浮轴承控制性能的初步要求。关键词：磁悬浮轴承；ARM7TDMI—S；增量式数字PID中图分类号：TH133．3文献标识码：A文章编号：1006—441

2、4(2010)06—0069—03DesignofdigitalcontrolsystembasedonARM7formagneticbearingsZhangHai—bo．HuangPing—lin(NO．710R&Dir~tituteCSIC，Shanghai200940，China)Abstract：BasedontheARM7TDM—SCPU，Thehardwarecircuitandcontrolsoftwareofcontrolleroftheradialfour—de-greefreedommagneticbearingisdesigned．Doubl

3、eclosed—loopofthecoilcurrentandthepositionofrotationalaxisarereal—izedbytheincrementaldistalPIDcontrolerwithchangingintegrationrateandanti—saturationofintegrator．Theexperimentresultsshowthattheinitialrequirementsforthecontrolperformanceissatisfiedbecauseofthegoodcontrollingaccuracyands

4、taticstifnessofthemagneticbearings．Keywords：magneticbearings；ARM7TDMI—SCPU；incrementaldigitalPID1引言任一径向自由度工作原理如图2所示。采用差磁悬浮轴承(以下简称磁轴承)是实现无接触支动励磁方式，、，分别为偏磁电流和控制电流参考承的一种新型高性能轴承，在电主轴、透平机械、飞轮值，ii分别为实际流过线圈的偏磁电流和控制电储能、人工心脏、风力发电等诸多领域具有广阔的应流厂为干扰力，为转轴离开参考位置的位移(设磁用前景。磁轴承不仅无磨损、无润滑，而且其支承的轴承中心为参考位置，

5、位移正方向向下)，当转轴受动力学特性可以通过控制系统进行调节，可有效解决到扰动力厂离开参考位置时，在上下侧电磁铁线圈中转轴的不平衡响应问题⋯。分别施加电流i。+i和i。一i，转轴上侧电磁力减小，下侧电磁力增加，从而使转轴返回到参考位置。磁悬浮轴承控制系统对磁轴承的关键性能起主导作用。在磁极结构上同极型磁轴承磁滞损耗较小l2J，为缩短开发周期、降低研制成本，采用ARM7TDMI—S为内核的LPC2131为核心处理器，开发同极型径向四自由度主动磁悬浮轴承数字控制系统。图2磁轴承系统工作原理图2磁轴承的工作原理及模型描述开发的磁轴承由数字控制系统、电磁铁、转子、定当转轴离

6、开参考位置，转轴受到的上下电磁力合子等部分组成。轴承有四对磁极，整个结构成对称力为：性。线圈铁芯和定子采用硅钢片叠压而成。任一自由度结构如图1所示。F=学[()_()](1)式中：。为真空导磁率；Ⅳ为线圈匝数；S为磁极有效．日舄曰面积；为工作气隙。当转轴稳定悬浮于参考位置时山匪j<<，可将式(1)线性化为：图1径向结构示意图收稿日期：2010—10—26作者简介：张海波(1985一)，男，甘肃甘谷人，硕士，研究方向：磁悬浮轴承及控制等。·69·设计与制造·机械研究与应用·P,oSN2io位定时器、1个lO位8路ADC、6个PWM通道和47F：一DtO"X+——个GP

7、IOJ，能满足本文设计的磁轴承数字控制系统=k,x+i(2)对实时性等的要求。该文设计的ARM7控制模块集式中：

8、j}。和ki分别表示位移刚度系数和电流刚度系成在一块以LPC2131为核心的功能板上，集成度和数。通过建立动力学方程并进行拉普拉斯变换可得可靠性较高。到磁轴承控制电流到转轴位移的传递函数：3．3位移、电流信号检测及ADC在磁悬浮轴承数字控制系统中，微处理器所获得G㈤==㈩的位移、电流信号的精度对于系统的控制精度至关重由稳定性判据可知，磁轴承开环电流控制为不稳要。而这与所采用的传感器及ADC模块的性能指标定的负刚度系统，必须弓：人控制器才能产生正刚度和