论文总字数：20206字

摘 要

磁悬浮轴承技术，很多应用都已经较为成熟。在很多领域中都有了成功的案例。然而，与国外相比，仍然存在很大的水平差距。因此，研究磁悬浮轴承的关键技术，加快实现国内磁轴承在工业等领域的推广应用，在现阶段有很大的现实意义和经济效益。

磁轴承是一种机电一体化的新型轴承,在工作时通过控制电磁铁产生的磁力使得电机转子悬浮在操作所期望的位置,可实现对电机转子的非接触支承。

本文从基本原理出发，分析各部分的运用。在此基础上，又分别对电涡流传感器、STM32F407控制器、PID控制方法、驱动器、磁悬浮电机等系统部件进行了研究。通过实验调试，使磁悬浮轴承稳定。首先使用高精度电涡流位移传感器采集磁悬浮电机的震动；其次输出PWM信号使用COPLEY驱动器控制磁悬浮电机；最后基于STM32F407ZGT6硬件根据传感器的采集信号和当前的输出计算下一步的PWM的输出占空比。

对系统进行测试，测试结果表明该系统在静态时能够使磁悬浮轴承稳定悬浮，但是动态的控制还需要进一步的研究。本文最后提出了设计中的一些不足之处和对今后的一些要求。

关键词:磁悬浮轴承； 电涡流传感器； PID计算； STM32F407

Design of Control System for Magnetic Bearing Based on STM32F407

Abstract

Many applications of magnetic bearing technology have been mature. There have been successful cases in many fields. However, compared with foreign countries, there is still a large level gap. Therefore, it is of great practical significance and economic benefit to study the key technology of magnetic bearing and accelerate its popularization and application in industry and other fields.

Magnetic bearing is a new type of Mechatronics bearing. The motor rotor can be suspended in the desired position by controlling the magnetic force generated by the electromagnet during operation, so that the non-contact support of the motor rotor can be realized.

Based on the basic principles, this paper analyses the application of each part. On this basis, the eddy current sensor, STM32F407 controller, PID control method, driver, Magnetic Levitation Motor and other system components are studied. Through experiment and debugging, the magnetic suspension bearing is stable. Firstly, the high precision eddy current displacement sensor is used to collect the vibration of the magnetic levitation motor; secondly, the output PWM signal is controlled by COPLEY driver; finally, the output duty cycle of the next PWM is calculated based on the acquisition signal of the sensor and the current output of the STM32F407ZGT6 hardware.

The test results show that the system can stabilize the suspension of magnetic bearing in static state, but the dynamic control needs further study. At the end of this paper, some shortcomings in the design and some requirements for the future are put forward.

Key words: magnetic bearing;eddy current sensor;PID calculation;STM32F407

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 磁悬浮轴承技术研究的背景和意义 1

1.2 磁悬浮轴承技术概述 2

1.2.1磁轴承的特点 2

1.2.2磁轴承的分类 2

1.3 磁轴承技术当今发展状况 3

1.3.1国外发展状况 3

1.3.2国内发展状况 3

1.4 本课题研究要解决的问题 4

第二章 磁悬浮轴承系统的总体设计 5

2.1 磁轴承控制系统的简介 5

2.2 磁轴承控制系统的理想模型 7

2.3 高精度电涡流传感器研究 9

2.3.1位移传感器的使用需求 9

2.3.2 位移传感器特点及对其类型的选择 9

2.4控制器研究 10

2.5 COPLEY驱动器研究 11

第三章 位移偏差检测系统研究与设计 12

3.1位移检测的工作原理 12

3.2 传感器探头的分类 13

3.3 位移检测电路的研究与设计 14

3.3.1测量原理的研究 14

3.3.2激励信号源的研究与设计 14

3.3.3全波检波电路的研究与分析 16

3.3.4放大电路的研究与分析 16

3.3.5传感器温度稳定性分析 16

第四章 磁悬浮轴承控制系统的研究与设计 17

4.1 硬件设计 17

4.1.1磁悬浮轴承-转子系统的研究与设计 17

4.1.2 STM32F407控制器的优点 18

4.2软件设计 19

4.2.1系统软件总体结构 19

4.2.2系统软件总体流程 20

4.2.3位移信号检测流程 21

4.2.4 PID计算控制流程 22

第五章 磁悬浮轴承系统测试 24

5.1传感器的安装 24

5.2磁悬浮轴承控制系统接线与调试 24

5.3磁悬浮轴承控制系统测试结果 25

结语 27

致谢 28

参考文献 29

1. 绪论

磁悬浮轴承技术研究的背景和意义

现如今，磁悬浮轴承技术，在国外很多新兴领域中，有很多应用都已较为成熟^[1]。包括在航空航天等领域中，磁轴承也有了很多成功典例。很多国内厂家也已在使用磁轴承，同时也有些厂家在从事磁轴承的开发和研究，然而，与国外相比，仍然存在很大的水平差距。因此，研究磁悬浮轴承的关键技术，加快实现国内磁轴承在工业等领域的推广应用，在现阶段有很大的现实意义和经济效益。

磁悬浮轴承是一种机电一体化的新型轴承^[1],世界各地对磁悬浮轴承的研究已有了不短的历史。一般的磁悬浮轴承在工作时，都需按照以下步骤:由位移传感器检测出位置偏移量，将位置误差送至处理器中进行计算处理，将处理后的结果传至驱动器，驱动器根据不同的输入信号发出不同大小的驱动电流，驱动电流流过电磁铁，改变其磁力大小，电磁铁的磁力将电机转子吸附在期望位置，之后形成闭环，继续检测位置偏差，保持它的悬浮状态。用这种方式可以实现人们所期望的非接触支承，消除摩擦，延长器械使用寿命。简单来说，磁悬浮轴承技术在工作时通过控制驱动电流大小控制磁力进而达到“悬浮”。磁悬浮轴承的出现改进了传统轴承的支承方式,通过消除摩擦，使得机器损耗减少，已广泛地应用在能源、机器人、机械、轨道交通、航空航天等科技领域^[2]。

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