磁轴承控制平台的设计与实现

发布时间：2017-09-14 18:21

  本文关键词：磁轴承控制平台的设计与实现

  更多相关文章： 电磁轴承 OMAP-L137 控制器 PID

【摘要】：主动磁轴承（Active Magnetic Bearing,AMB，以下简称磁轴承）是一种结合传统机械、电子、计算机工程的机电一体化产品。与传统轴承相比，磁轴承在基本机械系统的基础上使用传感器与微处理器进行信息的获取、处理以及反馈，以实现更好的工作性能。磁轴承具有无需润滑、无磨擦损耗等特点，在工业上主要应用于真空及超净室技术、机床、透平机械和离心机等领域。 控制器是磁轴承系统的核心部分，本文首先调研分析了各种磁轴承控制器的设计方法、原理及实现方式，并使用目前实验室现有的基于单核DSP的控制器进行大量磁轴承悬浮测试。实验中发现，单核DSP控制器在数据运算方面可以达到实时控制的要求，但是由于DSP对外设管理功能有限，导致控制器在实时数据传输和在线调整参数方面存在不足。具体地，，控制器在运行时不能与上位机做实时大数据量的传输；在对参数进行修改时，也无法实现在线调节，只能重新编译运行程序。 针对基于单核DSP控制器的这些不足，文中设计并实现了基于DSP与ARM双核芯片OMAP-L137的新型磁轴承控制器，OMAP-L137的主要特点是通过DSP/BIOS LINK模块实现DSP核与ARM核之间的高效数据传输。新控制器使用两片AD7865采集五路传感器信号，通过DSP核使用特定控制算法（如PID）进行数据处理，采用三片AD5344输出十路功放信号，ARM核负责与DSP核或者向上位机传输数据，接受在线参数命令。 文中设计并实现了不同硬件架构的控制器，通过在线测试、比较，确定了最终的版本。新控制器与原控制器相比具有更丰富的数据接口以及更强大的功能。在软件方面，通过分析比较DSP/BIOS LINK组件的各种数据传输模型，选取适当模型以及相关应用程序接口函数（API），并通过对软件架构及程序的一系列优化，发挥了双核芯片优势，增强了控制器的整体性能。 通过在实验室磁悬浮试验平台上测试，表明应用PID控制算法的新控制器可以完成磁轴承五自由度的稳定悬浮。在实验中，以调整转子的悬浮位置为例，验证控制器在线调整控制参数的功能。另外，通过上位机实时从控制器获取转子悬浮位置数据，证明控制器可以在不影响实时控制的情况下实现与上位机的数据传输。
【关键词】：电磁轴承 OMAP-L137 控制器 PID
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.3;TP273
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题背景9
• 1.2 国内外研究现状9-11
• 1.3 课题研究内容与意义11
• 1.4 论文章节安排11-13
• 第2章 主动磁轴承系统与 PID 控制理论13-20
• 2.1 磁轴承系统13-17
• 2.1.1 系统结构与原理13
• 2.1.2 磁轴承受力分析13-17
• 2.2 PID 控制算法17-19
• 2.2.1 PID 控制算法连续域表达式17-18
• 2.2.2 PID 控制算法离散域表达式18-19
• 2.3 本章小结19-20
• 第3章 磁轴承控制平台硬件设计与实现20-46
• 3.1 磁轴承试验平台概述20-22
• 3.1.1 磁轴承机械装置以及转子20-21
• 3.1.2 传感器以及信号调理电路21
• 3.1.3 功率放大器21-22
• 3.2 磁轴承控制平台设计方案22-24
• 3.2.1 磁轴承控制平台系统需求22-23
• 3.2.2 微控制器 OMAP-L137 简介23-24
• 3.2.3 控制器整体设计方案24
• 3.3 微处理器核心电路以及电源模块24-28
• 3.3.1 微处理器核心电路24-25
• 3.3.2 电源电路25-27
• 3.3.3 调试接口与启动模式选择开关27-28
• 3.4 外部存储模块28-31
• 3.4.1 内存 SDRAM 接口电路28-29
• 3.4.2 FLASH 接口电路29-30
• 3.4.3 CPLD 接口电路30-31
• 3.5 数据通讯模块31-33
• 3.5.1 异步串行接口 UART 电路31-32
• 3.5.2 网络接口电路32-33
• 3.6 数据转换模块33-37
• 3.6.1 滤波器与反相电路33-34
• 3.6.2 模拟-数字转换电路34-36
• 3.6.3 数字-模拟转换电路36-37
• 3.7 同步信号获取模块37-38
• 3.8 控制系统硬件实现38-40
• 3.9 之前版本的控制板介绍40-45
• 3.10 本章小结45-46
• 第4章 磁轴承控制平台软件开发环境建立46-59
• 4.1 控制平台软件开发环境概述46-48
• 4.2 DSP 端程序开发48-54
• 4.2.1 DSP 开发环境 CCSv4 简介48-49
• 4.2.2 GEL 文件编写与测试49-51
• 4.2.3 内存、FLASH 读写以及 CPLD 控制信号测试51-52
• 4.2.4 模拟-数字与数字-模拟功能测试52-53
• 4.2.5 串口数据传输测试53-54
• 4.3 ARM 端开发环境的创建54-58
• 4.3.1 Linux 开发环境概述54-55
• 4.3.2 uBoot 与系统引导程序55-57
• 4.3.3 Linux 内核移植57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第5章 磁轴承控制程序实现与实验结果59-75
• 5.1 概述59
• 5.2 基于双核系统的控制程序设计与实现59-72
• 5.2.1 DSP/BIOS 以及 DSP/BIOS LINK 简介59-60
• 5.2.2 控制程序整体设计与文件架构60-64
• 5.2.3 双核数据传输原理与实现方式64-66
• 5.2.4 GPP 端工作流程66-69
• 5.2.5 DSP 端工作流程69-72
• 5.3 实验结果72-74
• 5.4 本章小结74-75
• 第6章 结论75-77
• 6.1 结论75
• 6.2 后续工作展望75-77
• 参考文献77-79
• 致谢79-81
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 王健伟;宋执环;;基于嵌入式系统的神经网络在线训练平台实现[J];传感器与微系统;2010年08期

2 朱懿峰;宋执环;;基于RBF神经网络的软测量算法的SoC实现[J];传感器与微系统;2011年10期

3 朱q

本文编号：851577