硬盘磁力轴承控制系统及其控制算法的研究

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1、摘要磁力轴承由于具有一系列独特的性能，被称为是支承技术的一场革命。将磁力轴承应用于硬盘的支承，完全消除了轴承与硬盘转子的机械接触，使硬盘具有其它轴承支承的硬盘无法企及的优点。然而由于磁悬浮轴承技术是--N复杂的多学科的高新技术，其研究领域涉及到机械学、转子动力学、电磁学、电子学、控制理论和计算机科学等学科。磁力轴承必须在控制系统的协助下才能正常工作，因此，控制问题成为磁力轴承的一项关键技术，控制器性能的好坏影响到磁力轴承的动态性能和转予的控制精度。直接关系到磁力轴承能否在硬盘上面的应用。本文以硬盘磁力轴承实验装置为研究对象，研究开发适用于硬盘磁力轴承的数字控制系统，并对硬盘磁力

2、轴承控制系统的控制算法进行了较深入的研究。其主要研究成果如下：运用电磁学理论，经过合理的简化和假设，推导出硬盘磁力轴承单自由度的数学模型，并从控制实现的角度进一步将五自由度磁力轴承分散成相互独立的五个单自由度磁力轴承子系统，为控制系统的设计提供了理论依据。为实现硬盘磁力轴承系统的快速和高精度控制，本文选用DSPTMS320LF2407A作为数字控制系统的主控制芯片，进行了数字控制系统的硬件设计。在介绍电涡流传感器工作原理的基础上进行了信号采集的抗干扰设计。针对硬盘磁力轴承控制系统的特点和要求，本文设计了PWM型功率放大器，介绍了其组成原理和功率单元的结构，指出了功率放大器实现的

3、关键因素。为实现数字控制系统参数的在线整定和实时监控，设计了基于ISA的CAN总线接口卡，完成微型计算机和DSP之间的通信。并指出了CAN总线通信实现中的几个关键问题。根据硬盘磁力轴承的特点和设计要求，探讨了适应于硬盘磁力轴承系统的控制算法。在对控制系统模型分析的基础上，对PIt)控制、变积分PID控制、单神经元一PID双模控制等算法在硬盘磁力轴承中的应用进行了分析，并对其进行仿真和软件实现，结果表明单神经元一P10双模控制不仅具有Pin控制的优点，且具有自学习和自适应功能，具有好的动态性能和稳态性能。关键词：硬盘磁力轴承，数字控制，功率放大器，单神经元．PID双模控制Abst

4、ractActiveMagneticBearing(AMB)hassuchalotofadvantagesthatitiscalledatechnologyrevolutionofthebearings．ApplyingA腿tothesupportofHDD(harddiskdrive)，whichcanavoidthecontactofbearingandHDDrotor，ithasalotofadvantagesincomparisonwithotherbearingtypes．ButthetechnologyofAMBisanadvancedtechnology，whic

5、hrelatestomanysciencefieldssuchasmechaniCS，rotordynamics，electromagnetic，electronics，controltheory，computerscienceandSOon．AMBcanworkwelionlywiththehelpofcontrolsystem．SothecontrolisakeytechnologyofAMB．TheperformanceofcontrolleraffectsthedynamicperformanceofAMBsystemandthecontrolprecisionofro

6、tor，whichisveryimportantfortheapplicationofAMBinHDD．ThispapertakestheHDD-AMBexperimentdeviceasresearchobject，studiesanddevelopstheproperdigitalcontrolsystemtomeettherequirementofAMB．ItalsostudiescontrolalgorithmsoftheHDD—AMBcontrolsystem．Researchachievementsareasbelow：Itdeducesthe腑thematiCmo

7、delofsingledegree—of-freedom(卜DOF)AMBwithproperpredigestandhypothesiSbyapplyingelectromagnetictheory，furthermore，ittakesthefivedegree—of-freedom(5一DOF)AMBsystemasfiveindependentl—DOFAMBsystemsfromcontrolimplement．Itofferstheacademictheoryfordesigni