磁浮轴承控制的研究
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摘要
本文主要研究了H∞理论对单自由度磁悬浮主轴单元(AMB)的控制作用，并以数字信号处理器(DSP)为核心建立了该单元的数字控制系统。
首先，本文简要介绍了磁浮主轴单元的工作原理，对电磁力进行了分析。
其次，采用集总参数法建立磁悬浮主轴单元的数学模型，得到该单元的状态空间方程。在此基础上，利用H∞理论的混合灵敏度法，根据系统受干扰的情况选择合适的加权灵敏度函数，设计出能使该系统稳定且提高系统鲁棒性的控制器。通过计算机仿真将H∞控制器和PID控制器的控制效果进行对比。
第三，建立了以DSP为核心包括信号预处理、A／D转换、脉宽调制(PWM)、功放电路在内的数字控制系统。针对我们使用的DSP实际情况，解决了DSP与计数器8254-2时序不匹配的问题；对功放电路加以改进，提高功放电路的稳定性。在单自由度数字控制系统的基础上设计五自由度控制系统。
In this paper,the control effect of H theory used in single degree-of-freedom active magnetic bearing(single DOF AMB) is studied and the digital control system is founded.
Firstly,working principle of AMB is introduced and the magnetic force is analysed in this paper.
Secondly,we found the mathematical model by concentrated parameter and get the state space equation of AMB. On the base of above,we take into account disturbances of AMB and design the controller which can not noly steady the system but also increase robust ability of the system by choosing suitable weighting sensitivity function. We compare the results of simulation of H controller and PID controller.
Lastly,we establish the digital control system which includes signal process circuit,A/D.PWM circuit and amplify circuit,etc. The problem of unsuitable time order between DSP and counter 8254-2 is solved in this paper. We improve the amplify circuit in order to increasing its stability. On the base of the digital control system of single DOF AMB,a digital control system of five degree-of-freedom AMB is designed in this paper.
首先，本文简要介绍了磁浮主轴单元的工作原理，对电磁力进行了分析。
其次，采用集总参数法建立磁悬浮主轴单元的数学模型，得到该单元的状态空间方程。在此基础上，利用H∞理论的混合灵敏度法，根据系统受干扰的情况选择合适的加权灵敏度函数，设计出能使该系统稳定且提高系统鲁棒性的控制器。通过计算机仿真将H∞控制器和PID控制器的控制效果进行对比。
第三，建立了以DSP为核心包括信号预处理、A／D转换、脉宽调制(PWM)、功放电路在内的数字控制系统。针对我们使用的DSP实际情况，解决了DSP与计数器8254-2时序不匹配的问题；对功放电路加以改进，提高功放电路的稳定性。在单自由度数字控制系统的基础上设计五自由度控制系统。
In this paper,the control effect of H theory used in single degree-of-freedom active magnetic bearing(single DOF AMB) is studied and the digital control system is founded.
Firstly,working principle of AMB is introduced and the magnetic force is analysed in this paper.
Secondly,we found the mathematical model by concentrated parameter and get the state space equation of AMB. On the base of above,we take into account disturbances of AMB and design the controller which can not noly steady the system but also increase robust ability of the system by choosing suitable weighting sensitivity function. We compare the results of simulation of H controller and PID controller.
Lastly,we establish the digital control system which includes signal process circuit,A/D.PWM circuit and amplify circuit,etc. The problem of unsuitable time order between DSP and counter 8254-2 is solved in this paper. We improve the amplify circuit in order to increasing its stability. On the base of the digital control system of single DOF AMB,a digital control system of five degree-of-freedom AMB is designed in this paper.
引文
1．《H∞控制理论及应用》 申铁龙著 清华大学出版社 1996年11月
2．《H∞控制理论》 解学书、钟宜生著 清华大学出版社 1994年9月
3．《控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言及应用》 薛定宇著 清华大学出版社 1996年6月
4．《反馈控制系统设计与分析—MATLAB语言应用》 薛定宇著 清华大学出版社 2000年4月
5．《轴承-转子系统动力学》 虞烈、刘恒著 西安交通大学润滑理论及轴承研究所 1996年8月
6．《主动磁轴承基础、性能及应用》 C.施伟策，H.布鲁勒，A.特拉克斯勒著，虞烈、袁崇军译 新时代出版社 1997年3月
7．《计算机反馈系统的鲁棒性设计》 曾铨著 科学出版社 1992年3月
8．《实用微机与单片机控制技术》 陈汝全、林水生著 电子科技大学出版社 1993年11月
9．《微型计算机控制技术》 杨天怡、黄勤著 重庆大学出版社 1996年6月
10．《微型计算机常用器件手册》 李宝琛、吴发文著 福建科学技术出版社 1985年11月
11．《自动控制原理》 吴麒主编 清华大学出版社
12．《机床动力学》Ⅱ杨木肃、唐恒龄、廖伯瑜编 机械工业出版社 1983年6月
13．《单片微机控制技术》 涂时亮、张友德著 复旦大学出版社
14．《微型计算机原理及接口》 张秀琼、吴定荣著 北京科学技术出版社 1992年9月
15．《数字信号处理—理论算法与实现》 胡广书著 清华大学出版社 1997年8月
16．《光电子器件应用基础》 张烽生、龚金宝著 机械工业出版社
17．《新编功率晶体管实用手册—场效应管》电子工业部半导体专业情报网编 电子工业出版社
18．《DSP芯片的原理与开发应用》 张雄伟、曹铁勇编著 电子工业出版社 2000年9月第2版
19．《TMS320C542使用手册》 TI公司编写
20．《H∞鲁棒控制中的加权阵选择》 吴旭东、解学书著 清华大学学报(自然科学版1997年第37卷第一期
21．《DSP与高速ADC接口的几种模式》 杨立群、刘文彦、曹红亚著 《电子技术》1999年第3期
22．《采用H∞控制理论实现的弹性转子系统振动控制》 李大中、刘淑平著 《机械科学与技术》 1999年7月第18卷第4期
23．《主动磁悬浮轴承控制技术综述》 施阳、周凯等著 《机械科学与技术》 1998年7月第17卷第4期
24．《DSP在数字控制中的应用》 郑春龙著《机电工程》 1997年《机电一体化论文集》
25．《磁悬浮轴承研究综述》 刘迎澎，黄田著 《机械工程学报》 2000年11期
26. H∞ Robust Control Design for a Magnetic Suspension System .Masayuki Fujita, Fumio Matsumura, and Masanao Shimizu. 2nd International Symposium on Magnetic Bearing July 12-14,1990, Tokyo, Japan
27. Rotor Disturbance Attenuation Using An H∞ Controller for Active Magnetic Bearings. K. Yamashita, P.E. Allaire, C.R. Knospe. Fifth International Symposium on Magnetic Bearings. Kanazawa, japan, August 1996
28. H∞ Cibtrol of Milling AMB Spindle. Kenzo NONAMI, Hirochika UEYAMA, and Yutaka SEGAWA. JSME International Journal. Series C, Vol. 39, No. 3 1996
29. Robust Control of A Magnetic Bearing System Using Constantly Scaled H Control. Mitsuo Hirata, Tomohiro Ohno, Kenzo Nonamil. Proc. 6th Int. Symp. Magnetic Bearings, 713-722, Virginia, USA, August, 1998
30. H∞ Control Design of Flexible Rotor Magnetic Bearing System. F. Carrere, S. Font, G. Duc. Fourth International Symposium on Magnetic Bearings, August 1994, ETH Zurich
31．《转动惯量测试平台磁悬浮系统的研究》 刘淑琴，西安交通大学
32．《磁浮转子的单片机控制》 何文雪，西安理工大学
33．《基于DSP的磁浮轴承系统的研究》 张永怀，西安理工大学
2．《H∞控制理论》 解学书、钟宜生著 清华大学出版社 1994年9月
3．《控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言及应用》 薛定宇著 清华大学出版社 1996年6月
4．《反馈控制系统设计与分析—MATLAB语言应用》 薛定宇著 清华大学出版社 2000年4月
5．《轴承-转子系统动力学》 虞烈、刘恒著 西安交通大学润滑理论及轴承研究所 1996年8月
6．《主动磁轴承基础、性能及应用》 C.施伟策，H.布鲁勒，A.特拉克斯勒著，虞烈、袁崇军译 新时代出版社 1997年3月
7．《计算机反馈系统的鲁棒性设计》 曾铨著 科学出版社 1992年3月
8．《实用微机与单片机控制技术》 陈汝全、林水生著 电子科技大学出版社 1993年11月
9．《微型计算机控制技术》 杨天怡、黄勤著 重庆大学出版社 1996年6月
10．《微型计算机常用器件手册》 李宝琛、吴发文著 福建科学技术出版社 1985年11月
11．《自动控制原理》 吴麒主编 清华大学出版社
12．《机床动力学》Ⅱ杨木肃、唐恒龄、廖伯瑜编 机械工业出版社 1983年6月
13．《单片微机控制技术》 涂时亮、张友德著 复旦大学出版社
14．《微型计算机原理及接口》 张秀琼、吴定荣著 北京科学技术出版社 1992年9月
15．《数字信号处理—理论算法与实现》 胡广书著 清华大学出版社 1997年8月
16．《光电子器件应用基础》 张烽生、龚金宝著 机械工业出版社
17．《新编功率晶体管实用手册—场效应管》电子工业部半导体专业情报网编 电子工业出版社
18．《DSP芯片的原理与开发应用》 张雄伟、曹铁勇编著 电子工业出版社 2000年9月第2版
19．《TMS320C542使用手册》 TI公司编写
20．《H∞鲁棒控制中的加权阵选择》 吴旭东、解学书著 清华大学学报(自然科学版1997年第37卷第一期
21．《DSP与高速ADC接口的几种模式》 杨立群、刘文彦、曹红亚著 《电子技术》1999年第3期
22．《采用H∞控制理论实现的弹性转子系统振动控制》 李大中、刘淑平著 《机械科学与技术》 1999年7月第18卷第4期
23．《主动磁悬浮轴承控制技术综述》 施阳、周凯等著 《机械科学与技术》 1998年7月第17卷第4期
24．《DSP在数字控制中的应用》 郑春龙著《机电工程》 1997年《机电一体化论文集》
25．《磁悬浮轴承研究综述》 刘迎澎，黄田著 《机械工程学报》 2000年11期
26. H∞ Robust Control Design for a Magnetic Suspension System .Masayuki Fujita, Fumio Matsumura, and Masanao Shimizu. 2nd International Symposium on Magnetic Bearing July 12-14,1990, Tokyo, Japan
27. Rotor Disturbance Attenuation Using An H∞ Controller for Active Magnetic Bearings. K. Yamashita, P.E. Allaire, C.R. Knospe. Fifth International Symposium on Magnetic Bearings. Kanazawa, japan, August 1996
28. H∞ Cibtrol of Milling AMB Spindle. Kenzo NONAMI, Hirochika UEYAMA, and Yutaka SEGAWA. JSME International Journal. Series C, Vol. 39, No. 3 1996
29. Robust Control of A Magnetic Bearing System Using Constantly Scaled H Control. Mitsuo Hirata, Tomohiro Ohno, Kenzo Nonamil. Proc. 6th Int. Symp. Magnetic Bearings, 713-722, Virginia, USA, August, 1998
30. H∞ Control Design of Flexible Rotor Magnetic Bearing System. F. Carrere, S. Font, G. Duc. Fourth International Symposium on Magnetic Bearings, August 1994, ETH Zurich
31．《转动惯量测试平台磁悬浮系统的研究》 刘淑琴，西安交通大学
32．《磁浮转子的单片机控制》 何文雪，西安理工大学
33．《基于DSP的磁浮轴承系统的研究》 张永怀，西安理工大学
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