（电力电子与电力传动专业论文）硬盘磁力轴承控制系统及其控制算法的研究.pdf

a b s t r a c t a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ( a m b ) h a ss u c hal o to fa d v a n t a g e st h a ti t i sc a l l e dat e c h n o l o g yr e v o l u t i o no ft h eb e a r i n g s a p p l y i n ga 腿t ot h e s u p p o r to fh d d ( h a r dd i s kd r i v e ) ，w h i c hc a na v o i dt h ec o n t a c to fb e a r i n g a n dh d dr o t o r ，i th a sal o to fa d v a n t a g e si nc o m p a r i s o nw i t ho t h e rb e a r i n g t y p e s b u tt h et e c h n o l o g yo fa m bisa na d v a n c e dt e c h n o l o g y ，w h i c hr e l a t e s t om a n ys c i e n c ef i e l d ss u c ha sm e c h a n i c s ，r o t o rd y n a m i c s ，e l e c t r o m a g n e t i c ， e l e c t r o n i c s ，c o n t r o lt h e o r y ，c o m p u t e rs c i e n c ea n ds oo n a m bc a nw o r kw e l i o n l yw i t ht h eh e l po fc o n t r o ls y s t e m s ot h ec o n t r o li sak e yt e c h n o l o g y o fa m b t h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o l l e ra f f e c t st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f a m bs y s t e ma n dt h ec o n t r o lp r e c i s i o no fr o t o r ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n t f o r t h ea p p l i c a t i o no fa m bi nh d d t h i sp a p e rt a k e st h eh d d - a m be x p e r i m e n td e v i c ea sr e s e a r c ho b j e c t ， s t u d i e sa n dd e v e l o p st h ep r o p e rd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mt om e e tt h e r e q u i r e m e n to fa m b i ta l s os t u d i e sc o n t r o la l g o r i t h m so ft h eh d d a m b c o n t r o ls y s t e m r e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r ea sb e l o w ： i td e d u c e st h e 腑t h e m a t i cm o d e lo fs i n g l ed e g r e e o f - f r e e d o m ( 卜d o f ) a m bw i t hp r o p e rp r e d i g e s ta n dh y p o t h e s i sb ya p p l y i n ge l e c t r o m a g n e t i c t h e o r y ，f u r t h e rm o r e ，i tt a k e st h ef i v ed e g r e e o f - f r e e d o m ( 5 一d o f ) a m b s y s t e ma sf i v ei n d e p e n d e n tl d o fa m bs y s t e m sf r o mc o n t r o li m p l e m e n t i t o f f e r st h ea c a d e m i ct h e o r yf o rd e s i g n i n gt h ec o n t r o ls y s t e m i no r d e rt oa c h i e v et h eh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s ec o n t r o li nt h e h d d a m bc o n t r o ls y s t e m t h isp a p e rt a k e st h ec h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa st h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) c o n t r o l l e r ，a n da l s od e s i g n st h eh a r d w a r e c i r c u i to u t s i d et h ed s pc h i p f u r t h e rm o r e ，i td e s i g n st h ea n t i j a m m i n g o ft h es i g n a ls a m p li n gb a s eo nt h ew o r kt h e o r yo ft h ee d d y c u r r e h t d is p l a c e m e n ts e n s o r a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c a n dr e q u i r e m e n to ft h eh d d - a m b c o n t r o ls y s t e m ，t h eh d d a m bp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) p o w e ra m p l i f i e r h a sb e e nd e v e l o p e d w h a t sm o r e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o m p o s i n g t h e o r ya n d t h es t r u c t u r eo fp o w e ra m p l i f i e ru n i t ，p o i n t so u tt h ek e yf a c t o r i nt h er e a l i z a t i o no fp o w e ra m p l i f i e r i no r d e rt oa c h i e v et h a tt h ep a r a m e t e r so ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m c a nm o d i f yo n l i n ea n ds u p e r v i s er e a l t i m e ，t h ec a nb u si n t e r f a c ec a r dh a v e b e e nd e s i g n e dt oc o m p l e t et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dd s p s o m ek e yf a c t o r si nt h ed e s i g no fc a nb u sc o m m u n i c a t i o nh a v eb e e nd i s c u s s e d t o o a c c o r d i n gt ot h eh d d - a m bf e a t u r ea n dd e s i g n i n gd e s i r e ，t h ec o n t r o l a l g o r i t h m st h a ts u i tt ot h eh d d - a m bs y s t e mh a v eb e e np r o p o s e d b a s e do n t h ea n a l y s i so ft h em o d e lo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ea l g o r i t h mo fp i d ， v o l a t il ei n t e g r a lp i da n ds i n g l en e u r o n p i dc o m p o s i t ec o n t r o lh a v eb e e n d i s c u s s e d t h e s ea l g o r i t h m sh a v e b e e ns i m u l a t e da n di m p l e m e n t e d b y s o f t w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a ts i n g l en e u r o n p i dc o m p o s i t ec o n t r o ln o t o n l yh a st h ea d v a n t a g e so ft h ep i dc o n t r o l ，b u ta l s oh a st h ec a p a b i l i t y o fl e a r n i n ga n da d a p t i v i t y i th a sb e t t e r d y n a m i ca n ds t e a d y s t a t e p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h d d - a m b ，d i g it a lc o n t r o l ，p o w e ra m p lif i e r ， s i n g l en e u r o n - p i dd o u b l e - m o d ec o n t r o l i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 由于机械摩擦的存在，现有硬盘转子的转速得不到较大提高。磁悬浮硬盘运 用磁悬浮技术，使转子( 即微型磁力轴承) 在高速旋转的状态下主动地调节磁场， 保持转子工作在自由、稳定的悬浮状态，它能大大提高硬盘转子的转速。作为磁 悬浮硬盘的前期研究，先设计出一套硬盘磁力轴承控制系统，以分析硬盘磁力轴 承的各种性能并解决相关的关键技术。 1 。1 磁力轴承简介 1 1 1 磁力轴承及其分类 磁力轴承( 简称磁轴承) 是一种利用电磁力将转子悬浮于空间，不需要任何 介质而实现承载的非接触式支承装置。磁力轴承技术是- 1 3 复杂的多学科交叉的 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。与传统的滚动轴承和滑动轴承相比，磁轴承明显的特点在 于没有机械接触，不需要传力介质，而且支承力可控。由此它具有无接触、无摩 擦磨损、无需润滑、刚度阻尼可调和寿命长等突出的优点，尤其适合于在高速、 真空、超静的环境中使用，具有良好的转子动力学特性。 按照悬浮磁场的不同，磁轴承可以分为以下几类： 1 按磁场力的来源可分为永久磁铁型、电磁铁和永久磁铁混合型以及纯电磁铁 型； 2 按磁场力是否可以受控分为被动型和主动型； 3 按磁场力类型可分为吸力型和斥力型。 目前，常用的是主动磁轴承( a m b ) ，即利用定子上的电磁线圈与转子上的 铁磁材料之间的吸力来实现支承。 1 1 2 主动磁轴承的特点 主动磁轴承是利用变化的控制电流产生变化的电磁力，使轴承转子稳定地悬 浮在空间的非接触式承载装置。由于电流是主动可控的，故称为主动磁轴承，本 文以后都将其简称为磁轴承，其优点具体表现在以下几个方面 1 ，2 】： 1 转子回转速度高。由于磁轴承支承的转子可以在超临界即每分钟数十万转的 工况下工作，其圆周速度只受转子材料强度的限制，最大线速度可达2 0 0 m s 。 通常在相同的轴径下，磁轴承能达到的转速比滚动轴承大约高5 倍，比滑动 武汉理工大学硕士学位论文 轴承大约高2 5 倍。 2 轴承无磨损、功耗小。在所支承的转子转速为1 0 0 0 0 r m i n 时，磁轴承的功耗 大约只有流体动压滑动轴承的6 ，滚动轴承的1 7 。这对提高机械设备的 效率具有重要的意义。 3 无需润滑和密封。磁轴承是靠电磁力对转子进行悬浮控制，属于无摩擦支承， 也就不需要润滑剂以及配套设备，因而磁轴承不存在润滑剂对环境污染的问 题。在一般工况条件下，磁轴承由于没有润滑油的存储、过滤、冷却和循环 等设施，大大降低了成本和减小所占用的空问，因而可以应用于航空航天、 核技术等特殊的领域。 4 回转精度高。磁轴承动力学参数可以通过调节控制器参数方便地进行调节， 使其回转精度可以达到微米级或更高。 1 1 3 磁力轴承与计算机硬盘 随着信息社会的到来，计算机变得越来越普及，和计算机相关的技术得到了 很大的发展，硬盘、光驱作为计算机的必备部件其技术的发展已越来越重要。将 磁悬浮技术应用于硬盘的支承，完全消除了轴承与硬盘转子的机械接触。不仅可 以大幅度提高硬盘的转速，而且使硬盘转子具有精度高、发热少、功耗低、无噪 音和高洁净等其他轴承制成的硬盘无法比拟的特点。1 9 9 8 年瑞士联邦理工学院 的r v u i l l e m i n 和b a e s c h l i m a n n 等人最先提出了将磁力轴承应用于硬盘驱动器， 并对磁悬浮硬盘从结构到控制进行了研究，瑞士联邦工学院洛桑分部k u m m e r l e 等学者提出了采用加速反馈法来提高计算机硬盘中微型磁轴承的刚度 4 1 l 。目前 各工业发达国家正在大力开展将磁悬浮技术应用于硬盘的支承研究，我国在“十 五”计划中把发展磁悬浮轴承作为了发展的重点。在一系列科技基金如国家重大 基础研究( 9 7 3 ) 项目基金，各省市的科技资金等地支持下，我国也相继在磁悬浮 应用于硬盘、光盘支承方面展开了研究，这些研究有助于我国在磁悬浮硬盘驱动 器方面掌握自主的知识产权【4 2 4 3 1 4 ”，推动磁悬浮技术在硬盘上的应用。 本课题作为磁悬浮硬盘的前期研究，先设计出一套硬盘磁力轴承实验装鼍的 控制系统，以分析硬盘磁力轴承的各种性能并解决相关的关键技术，为磁悬浮硬 盘的应用打下坚实的基础。 1 2 磁悬浮技术的发展概况 英国物理学家e a r n s h a w 在一百六十多年前就提出了磁悬浮的概念，在1 8 4 2 年他就开始研究被动磁力轴承和悬浮系统，他证明：单靠永久磁铁不能将一个铁 磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态”1 。为了使铁磁体实现稳 定的磁悬浮，必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力地大小，即采用可控电 武汉理工大学硕士学位论文 磁铁。真正意义上的磁悬浮研究是从本世纪初利用电磁铁相吸的原理研究磁悬浮 车辆开始的。随着研究的不断深入，逐渐形成了磁悬浮列车和磁悬浮轴承两个主 要研究方向。 稳定磁悬浮技术的实现是对传统支承技术的革命，它作为一种新的支承形 式，其优良的性能和广阔的应用前景引起了众多学者和工程技术人员的浓厚兴 趣。伴随现代控制理论的电子技术的飞跃发展，国际上从上个世纪6 0 年代起， 英国、日本和德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究。世界上第- - y u 磁悬浮列车 小型模型1 9 6 9 年在德国出现，日本是三年后研制成功的。到1 9 7 9 年，磁悬浮列 车技术创造了5 1 7 公里小时的速度纪录。目前技术已经成熟，可进入5 0 0 公里 小时实用运营阶段。2 0 0 3 年采用德国技术的磁悬浮列车在上海成功投入运行， 设计最大时速为4 3 0 公罩。在航天方面，法国于1 9 7 2 年成功地研制出世界上第 一套电磁悬浮系统，并用于通讯卫星导向飞轮的支承上。美国于1 9 8 3 年1 1 月搭 载于航天飞机上的欧洲空间实验舱里采用了磁力轴承真空泵。日本于1 9 8 6 年6 月用h 一1 火箭进行的磁悬浮飞轮空间试验也获得了满意的效果。在民用方面， 1 9 7 6 年法国的s e p 公司和瑞典的s k f 公司联合成立了s 2 m 公司，专门开发工 业应用的磁力轴承。1 9 8 3 年s 2 m 公司在第五界欧洲机床展览会上展示了磁力轴 承主轴部件。1 9 8 4 年s 2 m 公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本磁力轴 承公司，在日本生产销售涡轮分子泵和机床磁力轴承主轴等。同年日本n t n 东 洋公司也推出了高速磁力轴承铣削头，日本还将磁力轴承列为8 0 年代新的加工 技术之一。 在学术研究方面，从1 9 8 8 年起，国际上每两年举行次国际磁力轴承会议 i s l ，交流研讨该领域的最新成果，美国也从1 9 9 1 年起，每隔一年召开一次国际 磁力轴承技术会议川，九十年代初在瑞士成立了国际磁力轴承研究中心。从已发 表的文献资料可以看出，其研究内容涉及电磁学、电子学、控制理论、机械学、 转子动力学、材料学和计算机等学科，而工业应用方面，国外不仅将磁力轴承应 用于宇航部门、核工业部门，而且已迅速应用到军事部门和基础工业部门的数百 种不同的旋转或往复式运动机械上，诸如：高速磨床、铣床、离心机、透平压缩 机、高速电机、斯特林制冷机、航天器姿态控制装置、陀螺仪、搬运系统，飞轮 蓄能装置以及对一些机械系统实施振动主动控制等的仪器。 到1 9 9 4 年9 月第四届磁力轴承国际会议召开时，磁力轴承在国外已作为比 较成熟的工业产品推向用户市场。在国内，磁力轴承的研究始于上个世纪6 0 年 代，由于发达国家的技术封锁以及我国在此领域起步相对较晚，使得我国在磁力 轴承的研究与应用方面比国外先进国家落后二十多年。从7 0 年代末以来，许多 高校及科研院所以自主开发等方式在磁力轴承研究方面投入人力、物力进行深入 武汉理 _ 大学硕士学位论文 研究、致力于投入工程实用。由于种种原因，目前我国的磁力轴承在工业应用方 面尚有许多实际问题亟待解决，有关磁力轴承设计方面的技术参数指标和标准尚 未制定。就目前发展状态而言，它本身也远没达到替代其它轴承的水平，原因除 了磁材料的性能及磁力轴承系统的控制方面尚有许多课题亟待研究和解决之外， 还有设计理论尚未成熟，造价昂贵等原因。目前许多高校和科研单位，如西安交 通大学、哈尔滨工业大学、清华大学、西安理工大学、武汉理工大学、南京航空 航天大学等几十家科研院所均在磁力轴承方面进行深入研究，已取得了一些成 绩。为了同世界先进水平接轨，使这一先进科学技术为生产建设服务，必须将磁 力轴承这项高新技术迅速转化为生产力。 1 3 国内外磁悬浮技术研究现状 目前国内外对磁轴承的研究主要集中在以下几个方面： 1 新材料的研制。磁材料对磁轴承性能产生很大的影响，磁轴承的转速不仅受 磁材料强度限制，而且还与电磁力大小和磁材料的真空磁导率有关。此外， 磁轴承的功耗也受到磁材料涡流损耗的影响。因此新材料的研制已经成为磁 轴承技术突破这些限制的重要途径之一。 2 磁轴承转子系统建模时，不再是基于简单悬浮物体的解耦控制，而是更多的 考虑了整个系统各种状态之间的耦合效应。例如美国的v i r g i n 等学者发现了 几何耦合参数对系统势能的两种影响，通过理论剐度和非线性刚度的引入， 研究了两自由度磁轴承的非线性运动特征； 3 在理论分析时，磁轴承的研究更为重视转子动力学分析，从而能够进一步改 善控制方法。近年来的磁轴承研究考虑了非线性的影响，用非线性理论对磁 轴承转子系统的平衡点和周期解以及稳定性进行判别。比如m o h a m e d 研究了 高速转子由于陀螺效应引起的非线性振动，在临界转速附近的次临界h o p f 分岔将导致一个不稳定的周期解；而c h i n t a 的研究表明，当发生周期解的分 贫后，稳定和不稳定的周期运动将同时存在； 4 在控制策略方面，经典的控制理论与现代控制理论均有广泛的应用。目前， 理论研究应用较多的控制方法有：p i d 、l q g 、h 。 5 1 、模糊控制 6 - 1 0 1 、自适 应控制】、迭代学习控制、t d c ( 时延控制) ”、s m c ( 滑模控制) l 、“一 综合【1 4 1 及各种方法的综合应用等。模拟p i d 控制应用比较普遍，传统的模拟 p i d 控制具有较大的相位和增益裕度，其稳定性好，但也存在着很多缺点， 如当被控对象模型参数发生变化或存在不确定因素时，其控制效果将会变得 很差甚至不再稳定，此时就需要专门的技术人员进行参数整定，针对这种情 况，出现了p i d 参数自调整与优化的研究；由于鲁棒的现代控制算法对模型 武汉理工人学硕士学位论文 的精确度要求比较低，主动磁力轴承系统常用的两类鲁棒控制方法是：h 。控 制与一综合，它们针对模型的不确定性具有良好的控制效果，前者可以控 制外加的不确定因素，后者则针对结构不确定因素。针对非线性主动磁轴承 系统的控制方法主要有自适应控制、模糊控制及滑模控制。第六届磁力轴承 国际会议中还出现了基因算法与神经网络f l s 3 6 1 在磁力轴承中应用的文章，如 多目标基因算法在线优化调整p i d 控制器，基因算法在线调节a m b 控制器， 以及神经网络辅助下的不平衡补偿。并结合高速处理器如d s p 的快速发展以 及商业软件的出现，实现磁轴承控制系统的数字化、集成化、模块化和结构 化，使磁轴承更具有“柔性”，并向多功能、智能化方向发展。 5 将研究的重点转移到磁轴承的工业应用中。例如：瑞士联邦工学院的 s c h w e i t z e rg e r h a r d 等人研究了飞机发动机以及汽轮机里的高温对磁轴承的 影响；瑞士联邦工学院洛桑分部k u m m e r l e 等学者采用了加速反馈法提高计算 机硬盘中微型磁轴承的刚度；德国学者r a i n e rn o r d m a n n 等人则利用磁轴承 对机床加工过程进行故障诊断，同时制造了一种低成本的简易磁轴承，以使 其能在中小企业中进行应用。 1 4 本论文研究的主要内容 磁悬浮硬盘是磁轴承在硬盘方面的应用之一，是由机械、电子和软件三大部 分构成的机电一体化装置。其控制系统性能的好坏影响到磁悬浮硬盘的动态性 能，直接关系到磁轴承能否应用于硬盘，故控制器的设计以及控制策略的选取是 其中相当重要的“环。 本文首先介绍了硬盘磁力轴承控制系统的组成及工作原理，推导出磁轴承系 统的数学模型，并在此基础上设计出了控制器的硬件系统，探讨合适的控制算法。 主要研究内容如下： 1 硬盘磁力轴承控制系统数控部分的硬件设计 数控单元是整个控制系统的核心。以t i ( 美国德州仪器) 公司数字信号处理器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为主控制芯片，扩展相应的外围电路( 数据采集、控制输 出、实时监控在线调试接口等) 构成完整的数字控制系统。 2 硬盘磁力轴承控制系统执行机构的设计 设计了数字功率放大器，它具有动态特性好、静态稳定、线性度好等优点。 它将功率放大器的p w m ( 脉宽调制) 信号同步到数控部分，避免由于开关 噪声影响传感器输出波形而采集到失真的数据。 3 硬盘磁力轴承控制系统通讯接口的设计 设计了基于d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 的c a n 总线接口卡，采用c a n 总线来 武汉理t 大学硕士学位论文 实现上位机( 通用微机或者工控机) 和下位枫( d s p ) 之间的高速通信，以方便 上位机对下位机实时发送的数据进行分析、运算和仿真，整定出合适的控制 参数并发给下位机，达到在线调试的目的。 4 硬盘磁力轴承控制系统控制算法的研究 对p i d 控制、变积分p i d 控制、单神经元一p i d 双模控制在硬盘磁力轴承上 的应用进行研究，在m a t l a b 中进行仿真分析和比较，并在具体的控制系 统硬件平台上实现。 1 5 本论文的课题支撑。 本文课题得到以卜科研项目的直接支撑： 1 国家自然科学基金资助项目“磁悬浮硬盘转子精度控制理论与技术的研究” ( 项目编号：5 0 3 7 5 1 t 3 ) 2 武汉市青年科技晨光计划项目“磁悬浮轴承精度控制系统的研究”( 项目编 号：2 0 0 3 5 0 0 2 0 1 6 - 0 5 ) ： 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章硬盘磁力轴承结构及控制模型 硬盘磁力轴承是一种微型主动磁轴承，它利用可控式电磁铁对导磁体的引力 作用实现对磁力轴承的无接触支撑，具有无磨损、无摩擦、不需要润滑以及寿命 长等突出优点，能够极大的提高现有机械式硬盘的转速。本章主要介绍这种微型 磁轴承系统结构，分析系统的工作原理并建立系统的数学模型，为控制系统的设 计提供依据。 2 1 硬盘磁力轴承系统的工作原理 磁悬浮硬盘微型磁轴承系统的转子有6 个自由度【l8 】，其中绕转轴z 的转动由 机械力控制，可以控制微型电机高速旋转以读取硬盘盘片中的信息。另外5 自由 度，即沿x 、y 轴的平动和转动以及沿z 轴的平动由电磁力控制。磁力轴承要实 现完全的悬浮需要在5 个自由度上施加控制力，即需要2 个径向磁轴承和一个轴 向磁轴承。 磁力轴承系统一般是多磁铁结构，通常忽略传感器和轴承不在同一平面的缺 陷以及绕x 、y 轴转动的陀螺耦合性，将5 个自由度分离开来进行研究。就控制 而言，5 自由度上的结构可完全相同，所以单自由度电磁铁悬浮系统是磁悬浮系 统的基本单元，分析单电磁铁悬浮系统的动态模型和动态特性是分析整个磁力轴 承的基础。本论文的控制器设计也是以单自由度磁轴承系统为基础。 功率放大器 图2 - 1 主动磁力轴承的工作原理 图2 1 是一个典型的主动磁力轴承的工作原理图。由图可知，主动磁轴承系 统是由转子、电磁铁、传感器、控制器和功率放大器组成。传感器检测被悬浮转 7 零p 武汉理工大学硕士学位论文 子的运动状态，并将信息反馈给控制器，控制器根据反馈信号产生相应的控制信 号，然后由功率放大器将控制信号转换为控制电压或控制电流，对电磁铁进行主 动控制，从而使转子向预定的方向运动。 2 2 硬盘磁力轴承系统的结构及主要参数 2 2 1 硬盘磁力轴承系统的机械结构 图2 2 为本文所研究的硬盘磁力轴承系统的总体结构简图。由图可知，转轴 的两端处各有一个保护轴承。在磁轴承正常工作期间，保护轴承与转轴不接触。 当突然断电或者主动磁轴承系统失控时，保护轴承临时支承高速旋转的转轴，防 止转轴与电机定子及主动磁轴承定子相碰撞而损坏整个轴承系统。当磁轴承不工 作时，转轴也落在保护轴承上。保护轴承无论在径向还是在轴向都对转轴起保护 作用，因此保护轴承与转轴之间的气隙应小于转轴之间的气隙。 在本文所设计的硬盘磁力轴承系统中：保护轴承与转轴之间的径向气隙为 0 2 m m ，轴向气隙为0 2 r a m 。磁轴承与转轴之间的径向气隙为0 2 5 m m ，轴向气 隙为0 3 5 m m 。 图2 2 磁力轴承总体机械结构图 1 一顶套：2 一径向轴承定子；3 圆头键：4 一转套：5 一径向轴承转予； 6 一径向转子隔环；7 一轴向轴承定子；8 一螺钉；9 一销；1 0 一中间套； 1 1 一传感器；1 2 一螺钉：1 3 一销；1 4 一固定套筒：1 5 一螺拴；1 6 一螺母； 1 7 一螺栓；1 8 一垫圈：1 9 一电机底座；2 0 一电机转子；2 1 一中心轴； 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 一止动垫圈；2 3 一圆螺母；2 4 一磁铁；2 5 一径向定子隔环；2 6 一推力 盘；2 7 一轴向定子线圈；2 8 一挡圈；2 9 一上套；3 0 一螺钉；3 1 一圆头键； 3 2 一传感器固定轴：3 3 一传感器标定轴；3 4 一轴向固定物 2 2 2 硬盘磁力轴承系统的主要设计参数 论文中所设计的硬盘磁力轴承系统的主要参数如下： 1 轴向线圈匝数1 6 0 匝，轴向线圈电阻7 3 q ，磁极面积3 4 1 2 m m 2 ( 内外环总 面积) 。 2 径向线圈匝数1 3 5 匝，轴向线圈电阻2 1 q ，磁极面积7 8 m m 2 。 3 轴向单边间隙o 3 5 m m 、动子可动间隙o 2 m m ；径向单边间隙0 2 5 r a m ， 动子可动f 日j 隙o 2 m m 。 4 动予质量：1 9 5 克 5 理论设计的传感器测量范围为：轴向0 ，4 5 m m o 8 5 m m ，径向：0 3 5 m m 0 7 5 m m 。 2 3 磁力轴承的数学模型 为研究问题的方便，首先讨论单自由度磁力轴承在主动磁轴承中的运动规 律，并建立单自由度磁力轴承的力学模型，为以后更好地建立五自由度磁力轴承 的力学模型和控制器的没计奠定良好的基础。 下面主要讨论磁力轴承在y 方向的运动，磁力轴承在x 方向的运动完全可以 按照在y 方向上的运动来处理。 2 3 1 电磁铁的吸力方程 如图2 3 所示为一简单的电磁力计算模型示意图，由麦克斯维尔电磁理论可 知，电磁铁吸力公式为： 其中： f ：f l o s o n _ 2 i 2 ( 2 - 1 )。 g l 。2 胁真空或空气中的磁导率s 。空气隙面积 n 一单个磁铁的线圈匝数 i 线圈中的电流 乇空气隙厚度 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 电磁力计算模型图2 - 4 单自由度磁力轴模型 2 3 2 单自由度磁力轴承的数学模型 如图2 - 4 所示为径向磁轴承的单自由度磁力轴承模型。磁力轴承磁铁中两个 磁极的力：和 以与y 轴夹角a 的形式作用于磁力轴承，在y 方向上面形成一 个合力 ，在x 方向的合力为零( 此处假设磁力轴承轴心与磁极腔圆心重合) 。 此时在y 方向上面的合力兀为： 。= l ，七k ? = s 七 c o s o ! ：2 厂c o s 口：2 坐q ! q 罢! ：一c o s 口 8 ，n = t o s o n z c o s a 三 ( 2 2 ) 11。24 其中，口磁极的中心线与垂直方向的夹角： 令k = 鱼竺c o s a ，得到单个磁铁作用于磁力轴承上的电磁引力为： 乃= k 鲁 ( 2 3 ) t 鱼 在磁悬浮系统中，磁轴承_ 般采用差动激磁，所谓差动激磁就是在轴承磁铁 中有两个作用相反的磁铁在工作，这种布局使得系统既能产生正向力，又能产生 反向力“9 1 。当磁力轴承偏离参考位置，传感器测出此时磁力轴承偏离参考位置的 武汉理工大学硕士学位论文 位移，控制器将这一位移信号变换成控制电流，通过功率放大器，一个磁铁的电 流为偏置电流。与控制电流i 之和( 厶+ i ) ，而另一个为偏置电流和控制电流之差 ( i o f ) ，气隙则分别为( 1 0 + ，) 和( f 。一，) ，如图2 - 5 所示( 实际的磁悬浮硬盘系统 中夹角口不为0 ，这里取0 是为了方便讨论) 。将电流( 厶+ 0 和( 厶一i ) 、气隙( ? o z ) 和( n + ，) 代入式( 2 3 ) 计算出两个电磁铁的电磁力，它们的电磁力之差为： 厶一正靠 筹一掰 ( 2 _ 4 ) “等 1 一三+ 三+ ! l ol ol n 1 一二 l o 1 + f， i 口i n l 矗 由于， 。即有l _ 毒 1 + 毒 1 t 上式可简化为： ，= 七等 ( + j + 寺 2 一( t 一去一毒 2 柏等山b 爿 ：掣f + 掣7 ，0 2，0 5 将尼= , u o s 。m 2 c o s 口4 代入上式，得到： = 半r + 学， 令t = 华c 。s 口，称为电流一力系数； 0 令屯= 掣c 。s a ，称为位移力系数。 。0 则磁力轴承在y 方向上的运动微分方程为： = m y = k ，i + k ，y ( 2 5 ) 贿着离平衔占距离的增加，方程f 2 5 1 的精度下降：在某些极限状态，例如 、llj一、 型u 一 一 + ，于、 一 笥一笥，|，、 武汉理1 人学硕士学位论文 当磁力轴承与轴承接触y = y 、强电流( 铁芯磁饱和) 或者线圈电流很小( f 近似 于i 。) 时，方程( 2 5 ) 就绝对不适合了。但是多年来的实践经验及理论都已证实 了简单的线性化方程( 2 5 ) 在很大范围内对控制器的设计具有很好的一致性【2 0 】。 式( 2 5 ) 推导出了则磁力轴承在y 方向上的运动微分方程，同理可以得到磁 力轴承在x 轴方向的运动微分方程( 2 6 ) 。对式( 2 6 ) 进行拉氏变换，得到以位 移x 为输出，电流i 为输入的单自由度磁力轴承的传递函数式但一7 ) 。 工= m x = ，f + kx x ( s )k 。 ，( s )州，一t 。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 由上式可知，控制对象有两个实数极点，且存在一个正实轴上的极点，因而 系统是开环不稳定的二阶对象，只有通过闭环控制才有可能使之稳定地工作。磁 轴承闭环系统的系统框图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 磁轴承闭环系统框图 上述建模分析过程忽略了磁导体的磁阻、漏磁和磁通的边缘效应以及铁心磁 阻的影响，存在一定的误差，并且这些因素的影响随着磁轴承的结构及几何尺寸 的不同而不同。在小气隙且铁心磁路非饱和的情况下，漏磁和边缘效应等均可忽 略，但铁心磁阻的影响总是存在的，在考虑铁心后，磁通将有所变化，相应的磁 力方程的表达式也会有所不同。 2 3 3 五自由度磁力轴承的数学模型 磁悬浮硬盘磁力轴承包含六个运动自由度( 不考虑弹性的影响) ：x 、y 、z 三个方向的平动和三个绕这些轴的转动。硬盘磁力轴承系统结构示意图如图2 7 ， 其中绕转轴z 的转动c o 是由微型变频电机来控制，硬盘磁力轴承控制器的任务是 控制余下的五个自由度：质心在x 、y 、z 三个方向上的平动运动和绕x 、y 两 个轴的转动口、口。 根据转子运动学理论，平动与转动的区别很大。但从控制的实现角度上来讲， 将x - z 平面内的运动与y - z 平面内的运动分开更有利，这样传感器位移和执行 机构的力可以直接用作系统变量而无需进行坐标变换。因此，将磁力轴承的五个 自由度分为轴向方向的平动、左端径向轴承上下方向和左右方向的平动、右端径 向轴承上下方向和左右方向平动，将整个磁悬浮硬盘轴承系统分散成相互独立的 武汉理工大学硕+ 学位论文 5 个子系统加以控制口1 , 2 2 。每个子系统中的控制信号只由其本身的状态变量产生， 与其他子系统没有信号的耦台。这样，从控制的角度将磁力轴承的控制转化为五 个单自由度子系统进行控制，大大简化了磁力轴承控制系统。 传感器传感器 阳i li l 百 下x l上 2 4 本章小结 图2 7 硬盘磁力轴承系统结构示意图 为进一步阐述硬盘磁力轴承的控制系统，本章首先介绍了硬盘磁力轴承系统 的构成和工作原理，并根据电磁学理论推导出单自由度磁力轴承的数学模型，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。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章硬盘磁力轴承控制系统硬件设计 磁悬浮硬盘作为一种新型的硬盘，有着传统硬盘无法比拟的优点，其磁力轴 承控制系统要求不仅能保证微型磁力轴承稳定地悬浮，而且要尽可能地提高硬盘 转子的转速。控制器的硬件设计是本系统中相当重要的一个因素。硬件设计要求 硬件电路安全可靠，功能强大，灵活方便，有利于调试和监控。 3 1 数字控制器的硬件结构 数字控制器由于其功能越来越强大，成本不断降低，近年来广泛应用于各行 业。本系统选用t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为数字控制器主控制芯 片，它主要应用于控制领域，可作为数字信号处理器。对于本控制系统，它主要 具有如下优点： 1 运算速度快，能在很短的时间内实现复杂的控制算法。稳定性好，调节器的 传递函数不受环境的变化影响。 2 接口方便，芯片自带有丰富的接口功能，便于与数字设备连接、同步采集等， 以实现特定的子功能。 3 编程灵活，在开发阶段可以实验各种控制方法和策略。 4 芯片自带c a n 2 0 收发器模块，能够方便地和上位机通过c a n 总线接口卡进 行通信，有利于在线调试，充分发挥上位机的强大计算能力和下位机的实时 控制能力。 5 可重复性好，在大规模生产时，便于测试和调试。 数字控制系统结构如图3 - 1 所示。 图3 - 1 数字控制系统结构 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 在图3 1 中传感器和硬盘磁轴承已经设计完成，本课题硬件设计的主要任务 是设计d s p 主控制板、功率放大器、基于i s a 的c a n 总线接口卡。本章主要介 绍d s p 主控制板的设计，第4 章介绍功率放大器的设计，第5 章介绍基于i s a 的c a n 总线接口卡的设计。 3 2d s p 数字控制器的硬件设计 3 2 1d s p 主控制芯片选型 自上个世纪8 0 年代初期d s p 芯片问世以来，在2 0 多年的时间里，d s p 芯 片得到了极为迅速的发展，世界上生产d s p 芯片的厂家主要有：美国的得克萨 斯仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称t i ) 、美国的模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ，简 称a d ) 、美国的m o t o r o l a 公司等。其中，t i 公司生产的d s p 系列芯片应用最为 广泛。t i 公司在上个世纪8 0 年代初推出第代产品t m s 3 2 0 1 0 以来，相继推出 了定点，浮点两大类别多代产品，目前形成了t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 和 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 三大系列的d s p 芯片。t i 公司的一系列d s p 产品已经成为当今 世界上最有影响的d s p 芯片，也是世界上最大的d s p 芯片供应商，其市场大约 占世界份额的5 0 【2 3 】 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 。m 平台下的一种定点d s p 芯片。几种先进 外设被集成到该芯片内，以形成真正的单芯片控制器。与现存2 4 x d s p 控制器芯 片代码兼容的同时，2 4 0 x 芯片具有处理性能更好( 4 0 m i p s ) ，外设集成度更高， 程序存储器更大，a d 转换速度更快等特点，是电机数字化控制的升级产品。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制器是所有2 4 0 x 控制器中功能最全的一种控制器，其主 要性能指标如下【2 4 ： 1 高性能静态c m o s 技术，使供电电压降为3 ，3 v ，减小了控制器的功耗；4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ( 4 0 m h z ) ，提高了控制器的实时控制能 力。 2 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，1 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4 字双口r a m ( d r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 3 两个事件管理器模块e v a 和e v b 。每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个 1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它们能实现：三相反相器控制；p w m 的对称 和非对称波形；当外部引脚p d p i n t x 出现低电平时快速关闭p w m 通道；可 编程的p w m 死区控制，防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3 个捕获单元： 片内光电编码器接口电路；1 6 通道a f d 转换器。事件管理器模块适用于控制 交流感应电机，无刷直流电机，开关磁阻电机，步进电机，多级电机和逆变 器。 武汉理下大学硕士学位论文 4 可扩展的外部存储器总共19 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器空间；6 4 k 字数 据存储器卒间；6 4 k 字i 0 寻址空间。 5 芯片自带看门狗定时器模块( w d t ) 。 6 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发两 个8 通道输入a d 转换器或者一个1 6 通道输入的a d 转换器。 7 控制器局域网络( c a n ) 2 0 b 模块。 8 串行通信接口( s c i ) 模块。 9 1 6 位的串行外设( s p i ) 接口模块。 i o 基于锁相环的时钟发生器。 1 1 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 。 1 2 5 个外部中断( 两个电机驱动保护，复位和两个可屏蔽中断) 。 1 3 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。 由上可以看出，这款芯片无论是从运行速度、集成度还是功能等方面都完全 符合本系统的需求。 本系统采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为数控系统的主控制芯片，该芯片可以方便 灵活地处理a d 、d a 、c a n 总线收发器、同步信号等接口，使整个控制系统 结构紧凑，集成度高，功能强大，抗干扰性强。基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的d s p 主控制板原理示意图如图3 2 所示。 图3 2d s p 主控制板原理示意图 图3 - 2 中5