文档介绍：基于 CPLD 的磁悬浮数字控制器设计

(工程技术学院,机械电子工程系,自动化专业欧世兴)
(学号:2000112025)

内容提要:本文主要介绍了磁轴承数字控制器的实现方法,采用数字电路技术,对数字
控制器的硬件电路组成与设计进行了讨论,基于 CPLD 器件实现整个数字控制器,并予以
系统仿真及实验验证。这种数字控制系统可作为开发和实施实时控制策略、进行电磁轴承产
品工程化的实用平台,也可以替代传统的模拟控制系统。
关键词:电磁轴承;数字控制器;ALU;MAX+PlusⅡ;CPLD
教师点评:该论文是国家自然科学基金资助工作的一部分内容。作者分析了磁悬浮轴承
控制器的结构,提出了新的基于 CPLD 器件的控制器硬件解决方案,并进行了设计、仿真、
验证,开发了用于磁悬浮轴承系统的新型数字控制器。为实施先进控制算法的磁悬浮数字控
制器提供了一种快速实施方法。是一篇高质量的毕业论文。(点评教师:曹广忠,教授)

1 引言
主动磁悬浮轴承由于具有无接触、无摩擦、高速度、高精度、不需润滑和密封等一系列
优良品质,从根本上改变了传统的支承形式,在能源、交通、超高速精密加工、航空航天、
机器人等高科技领域具有广泛的应用前景。
磁轴承系统的动态性能(刚度、阻尼及稳定性等)的好坏主要取决于所采用控制器的控
制规律。目前采用的模拟控制器虽然在一定程度上满足了磁轴承系统的性能,但难以实现一
些复杂的控制算法,从提高磁轴承性能、提高可靠性、增加控制器柔性和减小体积等角度出
发,应考虑数字控制。plex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑
器件)芯片实现对磁悬浮控制系统的数字控制,其运算单元的乘法和加法由硬件实现,运算
速度非常快;控制脉冲频率得到很大提高,改善了整个系统性能;容易实现信号处理和滤波
电路,减少外围电路。这样用CPLD实现的控制器在成本、可移植性、实时测试修改、运算
速度或体积方面都存在优势。
2 磁轴承数字控制系统模型及架构
系统模型及仿真
1
Input +
P(s) Plant
Disturbance
Output
-
Compensator
Output C(s)
图 1 磁轴承控制系统模型

图 1 为整个磁轴承系统的系统模型,其中 P(s)为被控对象,C(s)为控制器:
() × (106 )
P(s) = (1)
(s + 4545)(s + )(s − )
(s +×104 )(s +1124)
C(s) = (K) × (2)
(s + ×105 )(s + 3226)
我们可以利用 MATLAB 对图 1 所示系统进行验证仿真,可以得到模拟控制器在理想情
况下的闭环响应如图 10(a),它为基于 CPLD 开发的数字控制器提供了一个可供参考的响应
曲线,下面介绍用 CPLD 实现数字控制器后,整个系统性能的变化,并与之比较。
系统的硬件架构
被控对象
P(s)
信号处理信号处理
DAC 数字控制器 ADC
C(z)
图 2 磁轴承数字控制系