基于FPGA的磁浮轴承控制系统研究

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第l页摘要磁浮轴承技术是利用电磁力使转轴稳定悬浮起来的一种新型轴承，它具有无接触、无摩擦磨损、转速高、无需润滑和寿命长等优点，受到了工业界、学术界的普遍关注和系统研究。在磁浮轴承的控制器设计上，一般采用数字控制方法，建立基于DSP的控制平台。现场可编辑门阵列(FPGA)作为当前的研究热点，其高性能的并行性、定制化的灵活性和性价比的可行性都使得FPGA成为实现高性能数字信号处理的首选器件之一。本文从可行性和创新性等角度出发，设计并实现了基于FPGA的PID算法，将FPGA用于磁浮轴承控制系统中。论文首先介绍了磁浮轴承的特点

2、、工作原理和国内外的发展状况；接着以立式磁浮轴承为研究对象，推导出了磁浮轴承单自由度的数学模型；然后基于Xilinx公司提供的SystemGenerator开发软件包，用Matlab／Simulink完成了模拟控制系统和数字控制系统的建模仿真。在磁浮轴承系统理论分析和仿真验证的基础上，完成了包括信号调理、模数转换、PID运算、数模转换及斩波器等电路的硬件设计和软件设计。实验表明基于FPGA的数字控制器能够实现轴承悬浮的稳定控制，并具有良好的抗干扰能力。关键词：主动磁浮轴承；PID控制；现场可编程门阵列电磁悬浮西南交通大学硕士研究生学位论文第1I页Ab

3、stractThemagneticbearingsuspendstherotorbycontrolledmagneticforcewithoutanymechanicalcontactbetweenrotorandstator．Ithasbeennoticedwidelyandresearchedinthefieldsofscienceandindustry,foritsadvantagessuchascontact·free，nolubrication，nowear,lownoise，highrotationspeedandlong·life，et

4、c．Usually,digitalcontrolmethodsareusedtOsetuptheDSP-basedcontrolplatformfordesigningthecontrollerofmagneticbearing．FieldProgrammableGateArray(FPGA)iswidelyusedtoachievehi曲-performanceofthedigitalsignalprocessorduetoitshigh-performanceparallelism，customizationflexibilityandfeasi

5、blecost—effectiveness．Intheviewoffeasibilityandinnovation,aFPGA-basedPIDalgorithmisdesignedandimplementedforthemagneticbeatingcontrolapplication．Inthispaper,thefeature，operatingprincipleandresearchstatusofmagneticbeatingareintroducedfirstly．Next，thesingle-freedom-degreemathemat

6、icalmodelofthemagneticbearingisderived．Then,matlab／simulinkandthesystemgeneratorsoftwarepackageareusedtomodelandsimulatetheanalogcontrolanddigitalcontrolsystems．Basedonthetheoreticalanalysisandsimulationverificationofthemagneticbearingsystem，thehardwareandsoftwaredesignsofsomec

7、ircuitsincludingsignalprocessing，analog—tO-digitalconversion，PIDcomputation,digital—to—analogconversion，chopperandSOonarecompleted．Experimentalresultsshowthatthe西南交通大学硕士研究生学位论文第lII页FPGA—basedcontrollerCallachievestabilitycontrolofthesuspensionbearingsandhasagoodanti—interferenc

8、ecapability．Keywords：ActiveMagneticBearing(AMB)，PIDCon