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          基于FPGA的磁浮軸承控制系統(tǒng)的設計與研究

          作者: 時間:2010-01-14 來源:網(wǎng)絡 收藏

            由于有電磁力F∝i(t)2/x(t)2,其中i(t)為激磁電流,x(t)為對應氣隙,因此,要使轉子穩(wěn)定懸浮在平衡位置,必須滿足f=F-mg=0。假設輸入初始電流為i0,轉子與電磁鐵間的氣隙為x0,如將轉子作為單質點總集中質量來處理,那么,當轉子質心在Y方向上有向上的偏移量X時(轉子僅存在平移,無干擾力存在),其轉子的中心運動方程可表示為:

          公式

            事實上,軸向磁鐵和徑向磁鐵具有相同的線性化數(shù)學模型,只是電流剛度和位移剛度不同,因此,軸向和徑向可采用相同的控制方法。

            在模擬控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制是PID控制,PID控制由于其自身的優(yōu)點,在工業(yè)生產(chǎn)過程中仍然得到了廣泛的應用。模擬PID控制器主要由三個典型的環(huán)節(jié)組成,即比例環(huán)節(jié)(P)、積分環(huán)節(jié)(I)、微分環(huán)節(jié)(D)。根據(jù)上述磁軸承系統(tǒng)的數(shù)學模型,可在Matlab環(huán)境下采用Simulink仿真工具對磁浮軸承軸向系統(tǒng)進行仿真,以觀察其輸出響應曲線。仿真數(shù)據(jù)取自實際磁浮軸承實驗裝置。由于電磁軸承本身要應用到實際生產(chǎn)當中去,因此,和普通的電機一樣,在工作過程中經(jīng)常會遇到負載變化的情況。如風機、沖床和銑床等應用中存在軸向徑向的加載和減載等。下面以軸向軸承為例來分析加載和減載對系統(tǒng)的影響。為了方便進行模擬和數(shù)字的對比,首先可建立如圖3所示的頂層模塊,其中模擬控制系統(tǒng)仿真框圖如圖4所示,數(shù)字控制系統(tǒng)的仿真框圖如圖5所示。

          頂層模塊

          模擬控制系統(tǒng)仿真框圖

          數(shù)字控制系統(tǒng)的仿真框圖

            在本系統(tǒng)的仿真中,其數(shù)字PID使用xilinx提供的模塊集(blockset)構建而成,如圖6所示。

          數(shù)字PID使用xilinx提供的模塊集

            上述仿真中,偏磁電流i0為3.3 A(為仿真方便,取3.3 A并擴大1 000倍),平衡氣隙x0為1mm,磁極的截面積S為10 500 mm2,電磁線圈匝數(shù)為150匝,真空磁導率μ0為4π×10-7 Vs/Am,另外,?。簃g=733 N,1/m=0.013(為仿真方便,擴大1000倍),kp=8 800,ki=18.5,kd=1 000 000,kp1=9 000,ki1=220 000,kd1=50,T=2×10-5。

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