基于f2812dsp的磁悬浮组合支承系统数字控制器研究.pdf

南京航空航天大学 硕士学位论文 基于F2812DSP的磁悬浮组合支承系统数字控制器研究 姓名：张景亭 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：谢振宇 20090101 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 本文研究了增益自调整模糊 PID 控制策略对磁悬浮组合支承柔性转子系统静态和动态性能 的影响设计开发了基于 TMS320F2812 定点 DSP 的磁悬浮轴承数字控制器软硬件，并在磁悬 浮组合支承柔性转子系统实验平台上进行了相关试验主要研究内容如下： 首先，简要介绍了磁悬浮组合支承转子系统的机械结构和相关参数，在分析磁悬浮轴承控 制系统工作原理的基础上，建立了五自由度磁悬浮轴承转子系统的数学模型 其次，设计制作了基于 TMS320F2812 定点 DSP 的数字控制器硬件系统，主要包括 DSP 电源模块、外部晶振模块、复位模块、A/D 采样模块、D/A 输出模块、CPLD 逻辑控制模块和 串行通讯模块等，并对各模块电路进行了相应的调试试验另外，还以 TI 公司最新推出的 TMS320F28335 浮点 DSP 为主芯片设计了部分新一代磁悬浮轴承数字控制器硬件电路 再次，根据磁悬浮系统的线性和非线性数学模型，在 MATLAB/Simulink 仿真环境下，对 增益自调整模糊 PID 控制策略进行了仿真分析，并与不完全微分 PID 控制策略进行了比较。

采 用 C 语言与汇编语言混编的方式，设计开发了增益自调整模糊 PID 控制策略软件 最后，通过系统的起浮试验、静态悬浮试验、试验模态分析和高速旋转试验，研究了增益 自调整模糊 PID 控制磁悬浮组合支承柔性转子系统的静态和动态性能实验结果表明，所设计 的数字控制器软硬件能较好地满足系统的性能要求 关键词：关键词：磁悬浮轴承，增益自调整模糊 PID 控制，数字信号处理器，不完全微分 PID 控制，组 合支承系统，临界转速 基于 F2812 DSP 的磁悬浮组合支承系统数字控制器研究 ii ABSTRACT Dynamic characteristics of comlexed magnetic bearing system with gain fuzzy self-tuning PID control algorithm are studied in the paper. The digital control program and hardware based on TMS320F2812 fixed-point DSP are developed for the comlexed magnetic bearing system. The main contents are as follows: Firstly, the mechanical structure of the experimental setup is introduced. Mathematical model is established on the basis of detailed analysis of the system. Secondly, the digital control hardware based on TMS320F2812 DSP is designed and manufactured for the system. The digital control circuit based on TMS320F28335 DSP is also partially designed. Thirdly, dynamic characteristics of the magnetic bearing system with gain fuzzy self-tuning PID control algorithm are studied by the Simulink of Matlab and compared with the system with incomplete differential PID control algorithm.The program of gain fuzzy self-tuning PID control algorithm is developed by C and assembly language. Finally, the dynamic characteristics of the system with gain fuzzy self-tuning PID control algorithm are studied by the static and dynamic suspension experiments, experimental modal analysis and actual operation of the setup. The experimental results show that the digital control program and hardware can satisfy the damands of dynamic characteristics of the system. Key Words: Active Magnetic Bearing, gain fuzzy self-tuning PID control, digital signal processor, incomplete differential PID control, complexed system, critical speed 基于 F2812 DSP 的磁悬浮组合支承系统数字控制器研究 vi 图清单 图 1.1 全文组织结构图8 图 2.1 磁悬浮轴承闭环控制系统原理图9 图 2.2 磁悬浮组合支承系统转子机械结构图10 图 2.3 径向磁悬浮轴承图10 图 2.4 轴向磁悬浮轴承图10 图 2.5 金属橡胶磁悬浮轴承组合支承实物图11 图 2.6 磁悬浮轴承转子组件轴向尺寸图11 图 2.7 磁悬浮轴承转子受力示意图14 图 3.1 磁悬浮组合支承数字控制系统结构图.18 图 3.2 TMS320F2812 DSP 片内片外资源图20 图 3.3 输入信号抗混叠滤波和限幅电路图.21 图 3.4 TMS320F2812 DSP 片内 A/D 模块结构图.22 图 3.5 DAC7625UB 内部结构图23 图 3.6 MAX7064SLC44-10 引脚分配图.26 图 3.7 F2812 DSP 电源模块原理图27 图 3.8 磁悬浮组合支承系统数字控制器实物图.28 图 3.9 F28335 DSP 芯片内核资源与外部接口图29 图 3.10 F28335 DSP 电源模块图29 图 4.1 S 函数实现过程图.32 图 4.2 磁悬浮轴承模糊控制系统原理图.33 图 4.3 单变量模糊控制器结构图.34 图 4.4 增益自调整模糊 PID 控制系统原理图34 图 4.5 标准 PID 控制器结构图37 图 4.6 磁悬浮系统不完全微分 PID 控制器结构图 38 图 4.7 电磁力线性化时系统响应图.39 图 4.8 电磁力未线性化时系统响应图39 图 4.9 电磁力线性化时系统响应图.40 图 4.10 电磁力未线性化时系统响应图40 图 4.11 两种控制策略仿真比较图.40 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 图 5.1 JTAG 仿真端口各引脚定义图.42 图 5.2 仿真器链接出错提示界面.43 图 5.3 CCS 集成开发环境界面.45 图 5.4 输入三角波时输入输出波形比较图.46 图 5.5 输入方波时输入输出波形比较图46 图 5.6 程序下载到 FLASH 时的流程图47 图 5.7 控制算法主程序流程图.50 图 5.8 磁悬浮组合支承系统五路定时中断流程图.51 图 5.9 各通道参数初始化模块图.53 图 5.10 增益自调整模糊 PID 控制实现流程图.53 图 5.11 增益自调整模糊 PID 控制策略编程步骤图 54 图 5.12 磁悬浮组合支承柔性转子系统实验平台图.55 图 5.13 磁悬浮组合支承系统稳定区域图.56 图 5.14 径向起浮特性图.56 图 5.15 轴向起浮特性图.56 图 5.16 径向静态悬浮特性图.57 图 5.17 轴向静态悬浮特性图.57 图 5.18 磁悬浮组合支承柔性转子测点分布图58 图 5.19 磁悬浮组合支承柔性转子前四阶模态振型图59 图 5.20 径向高速旋转特性图.59 图 5.21 轴向高速旋转特性图.59 图 5.22 旋转试验磁悬浮组合支承柔性转子同频振幅图60 基于 F2812 DSP 的磁悬浮组合支承系统数字控制器研究 viii 表清单 表 2.1 磁悬浮轴承转子轴向尺寸表.11 表 2.2 磁悬浮轴承转子组件与转动惯量参数表.12 表 2.3 磁悬浮轴承参数列表.12 表 2.4 磁悬浮轴承转子受力图中各参数列表.15 表 3.1 TMS320C2000 系列 DSP 芯片性能列表.19 表 3.2 DAC7625UB 输出控制真值表.24 表 3.3 DAC7625UB D/A 通道 I/O 口访问地址设置表24 表 3.4 MAX7841 DAC 地址译码表30 表 3.5 MAX7841 DAC 接口真值表30 表 4.1 flag 参数列表32 表 4.2 p K模糊自整定规则表.35 表 4.3 i T模糊自整定规则表.36 表 4.4 d T模糊自整定规则表36 表 5.1 JTAG 引脚功能说明表.43 表 5.2 磁悬浮组合支承柔性转子激振试验测点信息表.58 表 5.3 磁悬浮组合支承柔性转子前四阶模态频率与阻尼表.59 南京航空航天大学硕士学位论文 ix 注释表 符号名称 代表含义 符号名称 代表含义 L 转子总长 Fxa 转子在a端x轴方向的受力 l 两端径向电磁铁中心距离 Fxb 转子在b端x轴方向的受力 c l 转子质心与a端面的距离 Fya 转子在a端y轴方向的受力 a l a端磁悬浮轴承与质心距离 Fyb 转子在b端y轴方向的受力 b l b端磁悬浮轴承与质心距离 xa 转子在a端x轴方向的位移 s l 两端径向位移传感器中心距离xb 转子在b端x轴方向的位移 m 转子质量 xc 转子在质心处x轴方向的位移 p J 转子极转动惯量 ixa a端x轴方向电磁铁的电流 d J 转子直径转动惯量 ixb b端x轴方向电磁铁的电流 n 径向磁级数 iya a端y轴方向电磁铁的电流 r N 径向磁悬浮轴承单极线圈匝数iyb b端y轴方向电磁铁的电流 z N 轴向磁悬浮轴承单极线圈匝数iz 转子轴向电磁铁的电流 0r I 径向磁悬浮轴承偏置电流 ya 转子在a端y轴方向的位移 0z I 轴向磁悬浮轴承偏置电流 yb 转子在b端y轴方向的位移 p K 比例系数 yc 转子在 C 处y轴方向的位移 i T 积分时间常数 ω 转子绕z轴的转动角速度 d T 微分时间常数 θx 转子绕质心处x轴的转角 a A 功率放大器放大倍数 θy 转子绕质心处y轴的转角 xr K 径向位移－力刚度系数 CPLD 复杂可编程逻辑器件 xz K 轴向位移－力刚度系数 S-FunctionS 函数 ir K 径向电流－力刚度系数 CCS Code Composer Studio iz K 轴向电流－力刚度系数 DSP Digital Signal Processing ( ) m Gs 电磁铁传递函数 JTAG Joint Test Action Group ( ) am Gs 功率放大器传递函数 SOC System On Chip s A 传感器放大倍数 ( ) s G s 传感器传递函数 s w 采样频率 a T 功率放大器滞后时间常数 h w 输入信号最高频率。