两自由度混合磁轴承控制系统设计软件子系统(附件)
磁悬浮技术是将被支撑的物体无接触的悬浮于支撑平台上，不存在任何摩擦和磨损，更不需要润滑，因此以磁悬浮技术为基础的系统有着较长的使用寿命。这技术将在工业生产，科学研究以及日常生活中得到广泛的应用，发展前景广阔。本设计将设计一个基于IAP15W4K58S4单片机的二自由度混合磁轴承控制系统，根据磁悬浮轴承的结构特点，使用C语言编写PID控制程序，并用PWM信号控制功率放大器调整线圈输出磁力大小，并且能实时将转子的的悬浮位置与输出数据通过串口发送到电脑上位机，根据输出曲线调节PID控制参数，最后达到较好的控制效果关键词 磁悬浮系统，51开发板，PID 控制，脉宽调制
目录
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 磁悬浮轴承的综述 2
1.3 国内外磁悬浮轴承发展概况 2
1.4 本设计的依据与意义 3
1.5 本设计的主要任务 4
2 二自由度磁悬浮轴承系统的结构 4
2.1 磁悬浮轴承的工作原理 4
2.2 磁悬浮轴承系统的组成 5
2.3 磁悬浮轴承的结构特点 6
2.4 磁悬浮轴承系统的主要参数 7
3 磁悬浮轴承软件设计 7
3.1 软件开发环境介绍 7
3.2 软件设计思想与程序流程图 10
3.3 位移信号采集 11
3.4 PID调节控制 16
3.5 PWM输出 22
3.6 定时器 27
3.7 功率放大器控制 29
3.8 串口通讯 32
4 软件调试 35
4.1 位移程序调试 35
4.2 PID参数调试 36
4.3 PWM输出调试 36
4.4 调试结果 36
结 论 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
附录A 程序 41
1 引言
磁悬浮是一种利用磁力将一个物体无接触，无摩擦，无润滑悬浮在空中的技术，磁悬浮由于没有摩擦，使机械零部件之间的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
磨损完全消除，延长的零部件的使用寿命，降低了运行过程中的噪音，并且作为轴承或者轨道时，被控物体可以达到很高的运转速度以及动作精度，磁悬浮以其低磨损，低能耗，低噪音，高寿命，高速度，无污染的独特优点，使其适用在高速，超净，真空的特殊环境，广泛应用于能源，交通，机械加工，航空航天，真空技术等领域，并且在日常生活中也经常应用到该技术，因此磁悬浮被公认为极具发展前景的高新技术，受到了众多国家和领域的广泛研究，因此对磁悬浮技术的进行进一步研究，对推动其发展具有重要意义。
磁悬浮技术通过传感器感知物体位移距离，控制器根据位移量给出相应的控制信号调整电磁铁的电流或者电压大小，从而改变对物体吸引力的大小使其悬浮，其中涉及到众多项学科的知识，诸如：机械设计，控制理论，电磁学，电力电子，计算机技术，信号处理等。是典型性的机械工程和自动化结合的高科技产品。随着电子技术以及计算机技术的高速发展，磁悬浮技术向小型化，高速化，智能化发展。磁悬浮技术基于自动控制原理，随着自动控制技术的发展算法更加成熟可靠。采用先进的控制算法对磁悬浮系统进行控制，可以使整个装置有更好的鲁棒性。
国外开始对磁悬浮技术研究的时间较早，尤其是欧洲，英国物理学家Earnshow在1842年就提出了磁悬浮的概念，而国内从20世纪80年代才开始研究磁悬浮技术，虽然起步较晚，但也取得了一定的研究成果，从本质上看，磁悬浮技术的原理并不难，但将其真正实用化却是十分复杂的，涉及到系统的可靠性和经济性，所以也只是近几年才将磁悬浮技术应用到生产生活中，主要有磁悬浮列车和磁悬浮轴承两种应用场合，目前磁悬浮轴承在国外已经应用到工业生产中，而国内应用磁悬浮技术较多的是磁悬浮列车。
1.1 课题背景
随着现代工业的发展突飞猛进，在航空航天，生产制造等一些特殊的工业领域，传统滚珠轴承和滑动轴承已经无法满足其速度，精度以及耐久度的要求，因此磁悬浮轴承技术应运而生，其利用磁力将旋转的转子悬浮于定子中间，使转子无接触，无摩擦运转的一种新型高性能轴承，区别与传统接触式轴承，磁悬浮轴承在运行过程中，对转子的位移进行实时控制，使其不存在机械摩擦，因此悬浮的转子可以达到很高的运行速度，由于没有摩擦，转动所需要的能耗降低，降低了运行时的噪音，增加了轴承的寿命，并且无需润滑，没有油污染，因此，磁悬浮技术特别适用高速，真空，超净的特殊环境。在航空航天、能源、交通、生命科学、真空技术、涡轮机械及机床等领域具有广泛的应用前景。
1.2 磁悬浮轴承的综述
磁悬浮轴承与普通轴承的主要区别在于没有机械接触，正是这一特性使其拥有普通轴承无法比拟的特点：
由于磁悬浮轴承处于悬浮状态，不存在接触和磨损，因此它可以应用在真空环境，超净工作间以及腐蚀介质等场合。
转子不受到摩擦阻力的限制，只受到转子材料强度的限制，因此在运行时可以达到较高的转速。
磁悬浮轴承在悬浮时，转子转动所需要克服的阻力与普通滚珠轴承和滑动轴承相比大大减小，降低了运行所需要的功耗。
由于磁悬浮轴承没有机械磨损，转子的寿命增长，整套设备的寿命取决于控制电路的使用寿命。
目前，按工作原理可将磁悬浮轴承分为三种类型：一是利用电磁铁产生的磁力将转子悬浮的有源磁悬浮轴承，又称主动磁悬浮轴承；二是利用永磁体或超导体产生的磁场力将转轴悬浮的无源磁悬浮轴承，又称为被动磁悬浮轴承；三是利用电磁铁和永磁体或超导体将载荷悬浮，其结构中含有有源和无源控制，所以被称为混合磁悬浮轴承。
以上三种结构中第一种和第三种应用最多，虽然被动磁悬浮轴承结构简单，无需控制即可悬浮，但正是因为没有控制所以无法形成闭环结构，使其抗干扰能力较差，无法稳定在较小的区间内，并且缺少阻尼，而主动磁轴承和混合磁轴承可以通过电磁线圈对转子的位置进行不断调节，使整个系统维持动态平衡。
1.3 国内外磁悬浮轴承发展概况
随着电力电子技术，计算机技术的发展以及控制理论的不断成熟，各国对磁悬浮轴承技术的研究有了较大的进展，瑞士MECOSR Traxler AG[1]生产的磁悬浮轴承主要应用于透平鼓风机、分子泵、气体膨胀/压缩机以及纺织锭子。2003年1月，美国麦克维尔McQuay公司经过持续两年的研发工作，在美国正式向全球发布了世界上第一台采用磁悬浮离心式压缩机的150吨水冷式冷水机组WMC[1]，转速在两万到三万转每分钟，该机组提高了换热器的效率，摒弃了传统冷水机组复杂而庞大的辅助系统，机组机械传动声、气流声等噪声非常低，实现了超低噪音运行。在外太空，由于环境恶劣，卫星姿态控制动量轮轴承润滑比较困难，且轴承维护周期较长，因此急切需要一种无须润滑寿命较长的轴承，20世纪60年代初，美国德雷伯实验室[2]就将磁悬浮轴承成功地使用在空间制导和惯性轮上，从1969年起[2]法国的科研专家便开始对磁悬浮轴承进行研究，并在1972年发射的地球观测卫星Spot上成功应用了磁悬浮动量轮。
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1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 磁悬浮轴承的综述 2
1.3 国内外磁悬浮轴承发展概况 2
1.4 本设计的依据与意义 3
1.5 本设计的主要任务 4
2 二自由度磁悬浮轴承系统的结构 4
2.1 磁悬浮轴承的工作原理 4
2.2 磁悬浮轴承系统的组成 5
2.3 磁悬浮轴承的结构特点 6
2.4 磁悬浮轴承系统的主要参数 7
3 磁悬浮轴承软件设计 7
3.1 软件开发环境介绍 7
3.2 软件设计思想与程序流程图 10
3.3 位移信号采集 11
3.4 PID调节控制 16
3.5 PWM输出 22
3.6 定时器 27
3.7 功率放大器控制 29
3.8 串口通讯 32
4 软件调试 35
4.1 位移程序调试 35
4.2 PID参数调试 36
4.3 PWM输出调试 36
4.4 调试结果 36
结 论 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
附录A 程序 41
1 引言
磁悬浮是一种利用磁力将一个物体无接触，无摩擦，无润滑悬浮在空中的技术，磁悬浮由于没有摩擦，使机械零部件之间的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
磨损完全消除，延长的零部件的使用寿命，降低了运行过程中的噪音，并且作为轴承或者轨道时，被控物体可以达到很高的运转速度以及动作精度，磁悬浮以其低磨损，低能耗，低噪音，高寿命，高速度，无污染的独特优点，使其适用在高速，超净，真空的特殊环境，广泛应用于能源，交通，机械加工，航空航天，真空技术等领域，并且在日常生活中也经常应用到该技术，因此磁悬浮被公认为极具发展前景的高新技术，受到了众多国家和领域的广泛研究，因此对磁悬浮技术的进行进一步研究，对推动其发展具有重要意义。
磁悬浮技术通过传感器感知物体位移距离，控制器根据位移量给出相应的控制信号调整电磁铁的电流或者电压大小，从而改变对物体吸引力的大小使其悬浮，其中涉及到众多项学科的知识，诸如：机械设计，控制理论，电磁学，电力电子，计算机技术，信号处理等。是典型性的机械工程和自动化结合的高科技产品。随着电子技术以及计算机技术的高速发展，磁悬浮技术向小型化，高速化，智能化发展。磁悬浮技术基于自动控制原理，随着自动控制技术的发展算法更加成熟可靠。采用先进的控制算法对磁悬浮系统进行控制，可以使整个装置有更好的鲁棒性。
国外开始对磁悬浮技术研究的时间较早，尤其是欧洲，英国物理学家Earnshow在1842年就提出了磁悬浮的概念，而国内从20世纪80年代才开始研究磁悬浮技术，虽然起步较晚，但也取得了一定的研究成果，从本质上看，磁悬浮技术的原理并不难，但将其真正实用化却是十分复杂的，涉及到系统的可靠性和经济性，所以也只是近几年才将磁悬浮技术应用到生产生活中，主要有磁悬浮列车和磁悬浮轴承两种应用场合，目前磁悬浮轴承在国外已经应用到工业生产中，而国内应用磁悬浮技术较多的是磁悬浮列车。
1.1 课题背景
随着现代工业的发展突飞猛进，在航空航天，生产制造等一些特殊的工业领域，传统滚珠轴承和滑动轴承已经无法满足其速度，精度以及耐久度的要求，因此磁悬浮轴承技术应运而生，其利用磁力将旋转的转子悬浮于定子中间，使转子无接触，无摩擦运转的一种新型高性能轴承，区别与传统接触式轴承，磁悬浮轴承在运行过程中，对转子的位移进行实时控制，使其不存在机械摩擦，因此悬浮的转子可以达到很高的运行速度，由于没有摩擦，转动所需要的能耗降低，降低了运行时的噪音，增加了轴承的寿命，并且无需润滑，没有油污染，因此，磁悬浮技术特别适用高速，真空，超净的特殊环境。在航空航天、能源、交通、生命科学、真空技术、涡轮机械及机床等领域具有广泛的应用前景。
1.2 磁悬浮轴承的综述
磁悬浮轴承与普通轴承的主要区别在于没有机械接触，正是这一特性使其拥有普通轴承无法比拟的特点：
由于磁悬浮轴承处于悬浮状态，不存在接触和磨损，因此它可以应用在真空环境，超净工作间以及腐蚀介质等场合。
转子不受到摩擦阻力的限制，只受到转子材料强度的限制，因此在运行时可以达到较高的转速。
磁悬浮轴承在悬浮时，转子转动所需要克服的阻力与普通滚珠轴承和滑动轴承相比大大减小，降低了运行所需要的功耗。
由于磁悬浮轴承没有机械磨损，转子的寿命增长，整套设备的寿命取决于控制电路的使用寿命。
目前，按工作原理可将磁悬浮轴承分为三种类型：一是利用电磁铁产生的磁力将转子悬浮的有源磁悬浮轴承，又称主动磁悬浮轴承；二是利用永磁体或超导体产生的磁场力将转轴悬浮的无源磁悬浮轴承，又称为被动磁悬浮轴承；三是利用电磁铁和永磁体或超导体将载荷悬浮，其结构中含有有源和无源控制，所以被称为混合磁悬浮轴承。
以上三种结构中第一种和第三种应用最多，虽然被动磁悬浮轴承结构简单，无需控制即可悬浮，但正是因为没有控制所以无法形成闭环结构，使其抗干扰能力较差，无法稳定在较小的区间内，并且缺少阻尼，而主动磁轴承和混合磁轴承可以通过电磁线圈对转子的位置进行不断调节，使整个系统维持动态平衡。
1.3 国内外磁悬浮轴承发展概况
随着电力电子技术，计算机技术的发展以及控制理论的不断成熟，各国对磁悬浮轴承技术的研究有了较大的进展，瑞士MECOSR Traxler AG[1]生产的磁悬浮轴承主要应用于透平鼓风机、分子泵、气体膨胀/压缩机以及纺织锭子。2003年1月，美国麦克维尔McQuay公司经过持续两年的研发工作，在美国正式向全球发布了世界上第一台采用磁悬浮离心式压缩机的150吨水冷式冷水机组WMC[1]，转速在两万到三万转每分钟，该机组提高了换热器的效率，摒弃了传统冷水机组复杂而庞大的辅助系统，机组机械传动声、气流声等噪声非常低，实现了超低噪音运行。在外太空，由于环境恶劣，卫星姿态控制动量轮轴承润滑比较困难，且轴承维护周期较长，因此急切需要一种无须润滑寿命较长的轴承，20世纪60年代初，美国德雷伯实验室[2]就将磁悬浮轴承成功地使用在空间制导和惯性轮上，从1969年起[2]法国的科研专家便开始对磁悬浮轴承进行研究，并在1972年发射的地球观测卫星Spot上成功应用了磁悬浮动量轮。
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