撓性轉子磁浮軸承之系統動態分析,控制研究及DSP控制板之實現(I)

Abstract

本計畫為二年期計劃，整個計劃之目標在完成一撓性轉子磁浮軸承系統之系統動態分析、控制法則研究及DSP控制板之實現。其內容包含磁浮轉子的自然共振頻率分析、撓性轉子特性分析、磁浮轉子撓性模型的建立與結合本實驗室初步發展的Observer-controller compensator設計、並發展適合的DSP及FPGA控制板完成控制系統整合與測試目標。 在第一年計劃中，重點將放在磁浮轉子之自然共振頻率分析與撓性轉子模型的研究，及DSP與FPGA控制板的設計與研發。本計劃的轉子轉速設定在第一共振頻率與第二共振頻率之間，在轉速穩態時，撓性轉子模態約為第一與第二模態之線性疊加。且在加速過程中，撓性轉子經過第一共振頻率，此時轉子因共振產生撓性變形，為使磁浮撓性轉子系統動態穩定，預期利用本實驗室所初步發展之Observer-controller compensator加以回授補償，使主軸在旋轉時能更穩定，以提高系統的可靠度以及符合所設定之控制規格。 第二年計劃中，深入研究撓性轉軸之磁浮軸承系統可能存在之控制問題，如一、高頻動態造成量測Spillover及控制Spillover。二、Right-half plane 的極點及零點造成以output feedback控制上的極限。三、Right-half plane 極點及零點的數目造成parity interlacing property (p.i.p),此p.i.p. 性質將使的output feedback控制器存在strong stabilization 的問題。四、感測器與制動器非同點置放(non-collocated)，使得靠近虛軸附近之極點及零點位置之變動或零點消失，造成穩定系統之控制器設計有一定之難度。五、系統的偏心力或外界干擾如impulse disturbance等以及內部參數之不確定將造成符合規格之控制器存在一定的難度。初步規劃在Observer-controller compensator設計，將採用迴路成型的原理，而設計出來的Observer-controller compensator不但擁有兩個參數（Q和H）並且具有強健性，可對於撓性轉子的問題提供解決方法。再來，將第一年所發展DSP與FPGA控制卡，結合上述控制理論做一個完整的系統整合與實現，予以實驗測試電磁鐵式磁浮轉子的性能與控制理論驗證。