DSP在磁悬浮轴承数字控制系统中的应用
基于DSP的磁悬浮轴承数字控制器
其 转 换 成 数 字 信 号 ， 换 完 成 之 后 以 中 断 的 方 式 通 知 转 Ｃ Ｕ， 时 Ｃ Ｕ 将 位 置 数 字 信 号 读 入 存 储 器 进 行 控 制 Ｐ 此 Ｐ 算 法 的计‘ ， 得 出 的 结 果 传 给 Ｄ Ａ 转 换 器 ， 其 输 算 将 ／ 让 出对应 的模 拟量 来 驱 动 开 关 功 放 ， 转 子保 持 在 平 衡 让 位 置 。 同 时 算 得 的 各 个 参 数 可 通 过 串 口传 给 上 位 机 进
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文章编号 ：Ｏ １ ２ ６ （０ ６ ０ ０ ９ ０ ｌＯ — ２５ ２ ０ ）９— ００— ４
基于 Ｄ Ｐ的磁悬浮轴承数字控制器 Ｓ
刘祥 李 玉霞 ， ，李敏 花
（ ． 州职 业学 院 ， １滨 山东 滨 州 ２６２ ； ． ５６４ ２ 山东科技 大 学 信 电学院 ， 山东 青 岛 ２ ６ １ ） ６ ５０
摘 要 ： 章 以 Ｔ ３０ ３ 文 ＭＳ ２ ＶＣ ３为 核 心 ， 计 了磁 悬 浮 轴 承 数 字 控 制 器 ， 出 了 各 部 分 的 硬 件 连 接 图 和 软 件 设 给 流 程 图 ， 制 算 法 采 用积 分 分 离 Ｐ Ｄ。 实 验 结 果 表 明 ， 于 Ｄ Ｐ的 磁 悬 浮 轴 承 数 字 控 制 系 统 具 有 稳 定 性 控 Ｉ 基 Ｓ
过 定 时 器 控 制 Ａ／ 转 换 器 的 采 样 时 间 ， 定 时 时 间 到 Ｄ 当 达 时 ， Ｄ转 换 器 采 样 五 路 位 置 传 感 器 的 模 拟 信 号 ， Ａ／ 将
精 密 加 工 机 床 、 源 、 通 及 机 器 人 等 高 科 技 领 域 具 有 能 交
磁悬浮轴承数字集成控制器的研究
磁悬浮轴承数字集成控制器的研究赵 静 谢振宇 杨红进 王 晓南京航空航天大学,南京,210016摘要:研制了以数字信号处理器(TM S 320F 28335D S P )为核心的磁悬浮轴承数字集成控制器,取代了一般的位置控制器和部分功率放大器环节,编制了相应的控制算法,采用试验方法研究了该数字集成控制器的静态和动态性能㊂将该数字集成控制器应用于五自由度磁悬浮轴承柔性转子系统,实现了转子的静态稳定悬浮和高速旋转㊂研究结果表明,采用数字集成化的设计方法,能够优化磁悬浮轴承的电控系统,且具有成本低㊁程序的可移植性强㊁可靠性高㊁体积小等优点㊂关键词:磁悬浮轴承;数字信号处理器;集成控制;控制器;功率放大器中图分类号:T P 273 D O I :10.3969/j .i s s n .1004132X.2015.13.021I n v e s t i g a t i o no nD i g i t a l I n t e g r a t e dC o n t r o l l e r o fA c t i v eM a g n e t i cB e a r i n gs Z h a o J i n g X i eZ h e n y u Y a n g H o n g j i n W a n g Xi a o N a n j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s ,N a n j i n g,210016A b s t r a c t :Ad i g i t a l i n t e g r a t e d c o n t r o l l e r o f a c t i v em a g n e t i c b e a r i n g w a s d e v e l o p e db a s e do nd i gi t a l s i g n a l p r o c e s s o r (TM S 320F 28335D S P ).T h ec o n t r o l l e rc o u l dt a k e t h e p l a c eo f t h e g e n e r a ld i s p l a c e -m e n t c o n t r o l l e r a n d s o m e p a r t s o f t h e p o w e r a m p l i f i e r .T h e c o r r e s p o n d i n g c o n t r o l a l g o r i t h m w a s p r o -g r a mm e d ,a n dt h es t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e so ft h ec o n t r o l l e r w e r ei n v e s t i g a t e db y e x p e r i -m e n t s .T h e d i g i t a l i n t e g r a t e d c o n t r o l l e rw a s a l s o i n t r o d u c e d i n t o f i v e d e g r e e ‐o f ‐f r e e d o ma c t i v em a g n e t -i cb e a r i n g f l e x i b l e r o t o r s y s t e m ,a n dt h es y s t e mc o u l do p e r a t ea th i g hr o t a t i o ns p e e d s s a f e l y .T h e r e -s u l t s s h o wt h a td i g i t a l i n t e g r a t e d m e t h o d p o s s e s s e s l o wc o s t ,t r a n s p o r t a b i l i t y ,h i g hr e l i a b i l i t y,s m a l l s i z e ,a n d i sh e l p f u l t oo p t i m i z e t h e p e r f o r m a n c e o f e l e c t r o n i c c o n t r o l s ys t e m.K e y wo r d s :a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ;d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ;i n t e g r a t e dc o n t r o l ;c o n t r o l l e r ;p o w e r a m pl i f i e r 收稿日期:20140807基金项目:国家自然科学基金资助项目(51275238)0 引言磁悬浮轴承(简称磁轴承)是利用电磁铁产生的可控电磁力对转子进行支承以实现其稳定悬浮的㊂同传统机械轴承相比,它具有无机械摩擦㊁无需润滑㊁精度高等优点[1]㊂在高速机床㊁储能飞轮㊁航空航天等领域有着广阔的应用前景㊂磁轴承转子控制系统通常是由位置环和电流环组成的一个双闭环控制系统㊂位置环的主要功能是根据转子位置变化确定电磁铁所需电流值;电流环的主要功能是根据位置控制器运算结果输出电磁铁所需的合适电流,使转子维持在指定悬浮位置[2‐3]㊂位置控制器和功率放大器是磁悬浮电控系统的关键元件,它们的性能和可靠性直接影响到整个系统的静态和动态性能[4‐6]㊂磁悬浮轴承的位置控制器和功率放大器通常有模拟和数字两种类型㊂近年来,随着数字信号处理芯片(如D S P ㊁F P G A ㊁C P L D 等芯片)的广泛应用,电路形式逐步向着数字化㊁小型化及集成化方向发展㊂国内外学者在磁悬浮轴承数字控制系统方面开展了很多研究工作㊂在国内,文献[7]研究了数字功率放大器,采用T M S 320F 2407D S P 芯片作为核心器件,实现电流控制器功能和P WM 波产生功能,可实现转子轴向自由度的稳定悬浮㊂文献[8]研究了基于T M S 320F 2812D S P 芯片的数字功率放大器,系统在空载情况下可稳定加速至40120r /m i n,在此过程中,转子的径向振动小于11μm ㊂文献[9]研究了三电平数字功率放大器,采用T M S 320F 28335D S P 芯片实现电流控制器功能和P WM 波产生功能,并采用F P G A 芯片对P WM 波进行180°移相,系统可实现稳定悬浮㊂文献[10]研究了基于F P G A 芯片的磁悬浮轴承数字集成控制器,该集成控制器包含了位置控制器和部分功率放大器功能,可实现单自由度磁悬浮球的稳定悬浮㊂文献[11]采用C P L D 芯片A C E X 1K 30取代模拟芯片T L 494,实现P WM 波产生功能,以降低功率放大器损耗㊂在国外,文献[12]研究了数字控制器在主动磁悬浮轴承中的应用,实现了磁悬浮转子的稳定悬浮和高速旋转㊂㊃0281㊃中国机械工程第26卷第13期2015年7月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.文献[13]将基于F P G A的嵌入式控制器应用于磁悬浮轴承转子系统中,结果表明该控制器具有高转换率㊁高精度等优点㊂文献[14]研制了基于鲁棒控制算法的数字功率放大器,结果表明该功率放大器具有良好的动态性能和抗干扰能力㊂TM S320F28335D S P芯片不仅能实现复杂的控制算法,且具有重要的片内外设E P WM模块,可直接产生驱动功率电路的P WM波㊂因此,笔者选择该芯片作为核心器件,研制了数字集成控制器㊂1 数字集成控制器工作原理本研究中数字集成控制器为五自由度控制器㊂由于转子的振动主要是弯曲振动,故可忽略转子轴向自由度的影响㊂此外,为简化控制策略,转子的径向控制系统可采用2个二自由度多输入/多输出或4个独立的单自由度单输入/单输出控制系统构成[15]㊂本研究将5个自由度分别看成5个独立的单自由度系统㊂图1为单自由度磁悬浮轴承转子系统的工作原理示意图㊂系统主要由转子㊁电磁铁㊁传感器㊁位移控制器和功率放大器组成㊂其工作原理如下:当被悬浮体偏离平衡位置x r e f时,传感器检测到偏离位移信号,并将该位移信号转换为电压信号E送入位置控制器中,位置控制器通过特定的控制算法计算出相应的控制信号,通过功率放大器将该控制信号转化为负载线圈中的控制电流I c,使一个电磁铁中的电流为I0+I c,而相对的另一个电磁铁中电流为I0-I c,从而产生差动电磁力,使转子回到设定的平衡位置㊂其中控制电流I c的正负与规定的转子位移的正负有关[16]㊂在图1中,规定转子位移向上为正,向下为负;当转子向上偏移时,I c为负,反之,I c为正㊂单自由度磁轴承转子系统的工作原理不仅适用于水平放置的转子,同样适用于竖直放置的转子㊂图1 单自由度磁悬浮轴承转子系统工作原理图本文研制的数字集成控制器集成了位置控制器和功率放大器中的电流控制器和P WM波产生等环节,可通过一片D S P芯片来实现,其框图如图2所示㊂图2 磁悬浮轴承数字集成控制器框图选用T M S320F28335D S P作为核心处理芯片㊂其主频为150MH z,1.9V内核供电,3.3V I/O设计㊁内置16个12位模/数转换器(A D C)的通道,具有专门产生P WM波的E P WM 模块,具有集成的W a t c h d o g㊁P L L㊁时钟等电路[17]㊂本文通过对T M S320F28335D S P相应寄存器的编程实现位移环控制㊁电流环控制及驱动电路P WM波产生功能,即仅通过对一片D S P的编程来实现位移控制器和部分功率放大器环节的功能㊂其中位移控制器采用不完全微分P I D控制策略;电流控制器采用抗积分饱和的P I调节,利用D S P中的E P WM模块产生占空比实时变化的P WM波,从而控制磁悬浮轴承负载线圈中的电流大小㊂2 硬件电路的设计2.1 A/D转换调制电路的设计TM S320F28335D S P芯片有内置的A/D模块,转换速度快,可以满足系统的需要㊂在使用D S P的A/D模块对输入信号进行采样时,采样信号里面往往含有多种频率成分的电磁干扰信号㊂因此,本文采用了截止频率为2.84k H z的一阶低通R C滤波器,对采样信号进行滤波处理,以提高系统的信噪比㊂此外,由于A/D模块输入电压为0~3V,根据系统设计需要对其进行电平转换㊂图3为位移采样电平转换和滤波电路,图4为电流采样电平转换和滤波电路㊂2.2 C P U主电路的设计数字集成控制器的主电路主要包括TM S320F28335D S P芯片㊁电源电路㊁复位电路㊁时钟电路㊁J T A G仿真接口电路㊂㊃1281㊃磁悬浮轴承数字集成控制器的研究 赵 静 谢振宇 杨红进等Copyright©博看网. All Rights Reserved.图3位移采样电平转换和滤波电路图4 电流采样电平转换和滤波电路TM S 320F 28335D S P 芯片采用双电源供电(3.3V 的I /O 电压和1.9V 的内核电压)㊂由于该芯片对供电电源很敏感,本系统选用电压精度比较高的电源芯片T P S 76801和T P S 75533分别提供1.9V 和3.3V 电压㊂复位电路的作用是:上电过程中在内核电压与I /O 电压没有达到设定值之前,确保D S P 为复位状态㊂本系统时钟电路的设计是利用D S P 内部所提供的晶体振荡器电路,即在D S P 的X 1和X 2引脚之间连接一个30MH z的无源晶振,由于D S P 内部有一个可编程的锁相环,故用户可以根据系统所需时钟频率来进行编程设计㊂为了提高J T A G 下载口的抗干扰性,在与D S P 相连接的端口处均采用上拉设计㊂2.3 驱动电路的设计当磁悬浮轴承采用差动结构时,五自由度的磁悬浮轴承系统共有10组电磁铁线圈,需要10路独立的P WM 波㊂本文在硬件电路设计中,利用一块TM S 320F 28335D S P 中的5个E P WM 模块来产生驱动半桥换能电路5个自由度所需的10路独立的P WM 波㊂图5为磁悬浮轴承功率放大器原理图,T 1和T 2是相同的P WM 波,以保证上下桥壁功率器件同时导通和关断㊂图5 功率放大器原理图为了隔离强电对弱电的影响,防止半桥电路的干扰通过地线影响到控制电路,本文选用光耦隔离驱动芯片T L P 250驱动半桥换能电路㊂考虑到T L P 250所需要的驱动能力主要是由输入电流决定,其需要的驱动输入电流大于由D S P 芯片产生的P WM 波的驱动电流㊂本文利用74H C T 244芯片来增强P WM 的驱动能力,该芯片将3.3VC MO S 电平转换为5V C MO S 电平,有8路驱动转换通道,供电电源为+5V ㊂3 软件算法的实现由于数字集成控制器取代了位置控制器和部分功率放大器的功能,因此D S P 芯片的软件部分主要用于实现位移的不完全微分P I D 控制算法㊁电流的P I 算法及P WM 波的产生㊂对于磁轴承这样的开环不稳定系统,通常采样频率至少应高出外载荷频率的5倍以上㊂因此本文的A D 内核时钟信号选为1.25MH z ,五自由度A D 采样时间最多约为80n s ,通过调理C o n f i g C p u T i m e r 的参数,设定D S P 的C P U 定时中断的周期为30μs ㊂图6为控制程序的主程序结构图,图7为控制程序的定时中断程序流程图㊂3.1 位置控制器的设计由于实际工业生产过程中系统往往具有非线性㊁时变不确定性㊁难以建立精确数学模型等特点,因此标准P I D在实际应用中不能达到理想的㊃2281㊃中国机械工程第26卷第13期2015年7月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图6主程序流程图图7 中断程序流程图控制效果㊂从稳定性的角度出发,微分环节对高频干扰的响应很敏感,存在放大噪声的缺点,本文在微分环节串联上一阶低通滤波环节,以减小高频振荡,并在不完全微分P I D 控制器后串联超前校正环节,构成带超前校正环节的不完全微分P I D 控制器,如图8所示㊂图中,m i 为转子第i 自由度当量质量,k i b 为转子第i 自由度在磁悬浮轴承处的x 位移系数,K s 为位移传感器的传递函数㊂图8 不完全微分P I D控制器结构图位置控制器的传递函数为G c (s )=(K p +K p T is +K p T d s T f s +1)T L s +1αT L s +1(1)式中,K p 为比例系数;T i 为积分时间常数;T d 为微分时间常数;T f 为滤波器系数;α为超前校正角;T L 为超前校正系数㊂为实现数字编程,本文采用一阶向后差分的方法进行离散化处理,得到下面离散化表达式㊂比例通道输出:U p (k )=K p E (k )(2)积分通道输出:U i (k )=K i E (k )+U i (k -1)(3)微分通道输出:U d (k )=K d 1(E (k )-E (k -1))+K d 2U d (k -1)(4)不完全微分P I D 环节总输出为U N (k )=U p (k )+U i (k )+U d (k )(5)带超前校正的不完全微分P I D 总输出为U P I D (k )=U N (k )T L s +1αT L s +1(6)式中,K i 为积分系数;K d 为微分系数㊂3.2 电流控制器的设计3.2.1 P I 调节为防止P I 调节后积分饱和,本文采用抗积分饱和的P I 调节算法,其原理如图9所示㊂图中,K c 为抗积分饱和系数㊂比例调节的作用是消除偏差,提高系统的响应速度;积分调节的作用是消除静态误差,提高系统的稳态精度㊂图9 抗积分饱和P I 调节系统原理图抗积分饱和P I 控制器的控制算法为U e n d (t )=U p (t )+U i (t )U p (t )=K p E (t)U i (t )=K p T i ∫tE (t )d t +K c (U -U e n d üþýïïïï)(7)离散化后得到:U e n d (k )=U p (k )+U i (k )U p (k )=K p E (k)U i (k )=U i (k -1)+K pT T iE (k )+K c (U -U e n d üþýïïïï)(8)在D S P 的P I 程序中,本文是将霍尔电流传感器的反馈信号与固定偏置电流的和作为P I 调节器的反馈信号,将位移控制器的输出信号作为㊃3281㊃磁悬浮轴承数字集成控制器的研究赵 静 谢振宇 杨红进等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.P I调节器的参考信号㊂输出信号为经过P I运算的输出值,将此输出值作为E P WM模块的比较寄存器的值,通过配置E P WM模块产生所需占空比的P WM波㊂3.2.2 P WM波的产生一个E P WM模块可输出两路独立的P WM 信号:E P WM x A和E P WM x B,E P WM模块可产生对称和非对称的P WM波㊂当产生非对称的P WM波形时,定时器设定为连续递增模式,其周期寄存器被赋予一个与所需P WM周期相对应的值㊂在每个周期内, E P WM模块内比较寄存器的值与对应的定时器的值相比较,产生所需占空比的P WM波,如图10所示㊂图10 非对称P WM波形产生原理当E P WM模块产生对称的P WM波形时,定时器设定为连续增减计数模式,此时定时器的周期为P WM开关周期的1/2㊂在每个周期内,定时器先递增再递减,会发生两次比较匹配事件,产生所需占空比的P WM波,如图11所示[18]㊂图11 对称P WM波形产生原理TM S320F28335D S P内部共有6个E P WM 模块,本设计中采用其中5个E P WM模块共产生10路P WM波形,每个E P WM模块配置成单边控制的两路独立的P WM输出,所有的P WM 模块采用同步时钟技术级联在一起㊂考虑到采用非对称的锯齿波作为载波时,电平从高电平向低电平切换时会产生毛刺(即开关管的导通与关断时间不对称,会导致较大电流纹波的产生),因此,本设计中将E P WM模块配置为连续增减计数模式,产生对称的P WM波形,载波工作频率为25k H z㊂4 数字集成控制器的性能设置功率电压为40V,磁悬浮轴承的偏置电流为2.5A㊂在数字集成控制器位移反馈信号输入接口处依次输入直流电压信号,幅值分别为0V㊁1V㊁2V㊁3V㊁4V㊁5V,利用数字万用表测量对应磁轴承负载线圈的输出电流,结果如图12所示㊂由图12可以看出,数字集成控制器的静态输入量与输出量呈线性关系,说明控制器的静态线性度好,同时证明了硬件调理电路及软件换算对应关系的正确性㊂图12 数字集成控制器的静态特性曲线采用信号发生器在数字集成控制器位移反馈信号输入接口处输入峰峰值为0~5V的不同频率的正弦电压信号,采用数字示波器测量对应磁轴承负载线圈的输出电流,通过对比实验,并对所得数据用O r i g i n软件进行处理分析,可得数字集成控制器的相频特性曲线,如图13所示㊂图13 数字集成控制器的相频特性曲线由图13可以看出,当功率电压为40V㊁磁悬浮轴承的偏置电流为2.5A时,数字集成控制器的截止频率为1.35k H z,可以满足系统高速旋转时动态性能的要求㊂5 高速旋转试验将设计的数字集成控制器应用于磁悬浮轴承柔性转子系统㊂系统的机械结构如图14所示㊂其中,每个径向磁轴承组件包括径向磁轴承和差动安装的4个对应的自制的电涡流传感器㊂根据设计参数,转子总长为828mm,径向和轴向磁悬浮轴承单边气隙均为0.25mm,功率电压为40V,五自由度磁悬浮轴承的偏置电流均为2.5A,最高转速为12000r/m i n㊂在电流控制器中,设置P I的比例系数为0.3,积分时间常数为0.5,防积分饱和系数为㊃4281㊃中国机械工程第26卷第13期2015年7月上半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.1.轴向传感器 2.左径向磁悬浮轴承组件 3.系统基座4.轴向磁悬浮轴承 5.电机组件 6.实心组合转子7.右径向磁悬浮轴承组件图14 转子系统机械结构图0.02㊂根据起浮试验和锤击试验,可得到径向磁悬浮轴承的稳定区域如图15所示,轴向磁悬浮轴承的稳定区域如图16所示㊂图15左径向磁悬浮轴承的稳定区域图16 轴向磁悬浮轴承的稳定区域根据控制参数的稳定区域,选取控制参数如表1所示㊂表1 高速旋转试验P I D 的控制参数K pT iT d左径向磁悬浮轴承1.410.7轴向磁悬浮轴承211.2基于以上控制参数,将转子稳定悬浮,并利用内置电机带动转子高速旋转㊂本文采用自制的电涡流传感器作为位移传感器,其通带截止频率为10k H z ,灵敏度为4.843V /mm ,可满足高速旋转电机振动情况的检测㊂在系统运行过程中,转子的振动情况由电涡流传感器实时监测,并通过数字示波器实时显示㊂采用动态信号分析仪H P 35670采集径向自由度及轴向自由度转子的同频振动,分别如图17㊁图18所示㊂图17 转子左径向自由度的同频振动位移曲线图18 转子轴向自由度的同频振动位移曲线由图17可知,在3180r /m i n (53H z)和8700r /m i n (145H z )处转子振动存在两个明显的峰值,对应振幅分别约为9.6μm 和7.4μm ㊂根据已有激振试验结果,可以认为系统已稳定越过前两阶弯曲临界转速[19]㊂由图18可知,在3480r /m i n (58H z)处转子存在明显的峰值,对应振幅为3.8μm ,轴向振幅较小㊂6 结论(1)本文研制的数字集成控制器可取代一般的位移控制器和部分功率放大器环节,产生的P WM 波精度高,电路简单且集成度高㊁成本低㊁程序的可移植性好㊂(2)该数字集成控制器静态输入输出线性度较好,通带截止频率为1.35k H z ,能够满足磁悬浮轴承转子系统高速旋转的需要㊂(3)试验结果表明,该数字集成控制器可实现磁悬浮轴承柔性转子系统的稳定悬浮和高速旋转,系统可安全稳定地越过前两阶弯曲临界转速㊂参考文献:[1] L i u H u ,F a n g J i a n c h e n g ,L i uG a n g .I m pl e m e n t a t i o n o fA c t i v eM a g n e t i cB e a r i n g D i g i t a l C o n t r o l l e r [C ]//S i x t hI n t e r n a t i o n a lS y m po s i u m o nI n s t r u m e n t a t i o n a n d C o n t r o lT ec h n o l o g y .B e l l i n g h a m ,U S A :S P I E ,㊃5281㊃磁悬浮轴承数字集成控制器的研究赵 静 谢振宇 杨红进等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.2006:63851Z.[2] K a n g H O,N aUJ,L e eDD,e t a l.D e s i g na n dC o n-t r o lo fE n e r g y E f f i c i e n t M a g n e t i c B e a r i n g s[C]//T h e I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nC o n t r o l,A u t o m a-t i o na n dS y s t e m s,I C C A S2008.S e o u l,2008:1220‐1223.[3] F a n g J i a n c h e n g,R e nY u a n.S e l f‐a d a p t i v eP h a s e‐l e a dC o m p e n s a t i o n B a s e d o n U n s y mm e t r i c a l C u r r e n tS a m p l i n g R e s i s t a n c eN e t w o r k f o rM a g n e t i cB e a r i n gS w i t c h i n g P o w e rA m p l i f i e r[J].I E E E T r a n s a c t i o n so n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s,2012,5(2):1218‐1227.[4] C h e nSC,N g u y e nVS,L eD K,e t a l.A N F I SC o n-t r o l l e r f o r a nA c t i v eM a g n e t i c B e a r i n g S y s t e m[C]//2013I E E EI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nH y d e r a b a d,F u z z y S y s t e m s(F U Z Z).H y d e r a b a d,2013:1‐8.[5] 谷会东,赵鸿斌,赵雷.电磁轴承功率放大器参数设计[J].机械工程学报,2006,42(2):208‐211.G u H u i d o n g,Z h a o H o n g b i n,Z h a o L e i.P a r a m e t e rD e s i g no fA c t i v eM a g n e t i cB e a r i n g’sP o w e rA m p l i-f i e r[J].C h i n e s eJ o u r n a lo f M e c h n i c a lE ng i n e e r i n g,2006,42(2):208‐211.[6] W u Q i n g h a i,N i W e i,Z h a n g T a o.R e s e a r c h o nD i g i t a lC o n t r o lS y s t e m f o rT h r e e‐d e g r e eF r e e d o mH y b r i d M a g n e t i c B e a r i n g w i t h B i l a t e r a l M a g n e t i cP o l eF a c e s[C]//C o n t r o l a n d D e c i s i o nC o n f e r e n c e.X u z h o u,C h i n a,2010:2893‐2897.[7] 余宇翔,胡业发.磁悬浮主轴数字功率放大器的设计及研究[J].武汉理工大学学报,2005,27(5):230‐233.Y uY u x i a n g,H uY e f a.R e s e a r c ho fD e s i g no fD i g i t a l P o w e r A m p l i f i e rf o r M a g n e t i c L e v i t a t i n g B e a r i n gS y s t e m[J].J o u r n a lo f W u h a n U n i v e r s i t y o fT e c h-n o l o g y,2005,27(5):230‐233.[8] 郑仲桥,姜大军,张建生.一种电磁轴承智能化功率放大器的研究[J].电气技术,2013,32(24):46‐49.Z h e n g Z h o n g q i a o,J i a n g D a j u n,Z h a n g J i a n s h e n g.R e-s e a r c h o n I n t e l l i g e n t P o w e r A m p l i f i e r o f M a g n e t i cB e a r i n g[J].E l e c t r i cT e c h n o l o g y,2013,32(24):46‐49.[9] 常肖,徐龙祥,董继勇.磁悬浮轴承数字功率放大器[J].机械工程学报,2010,46(20):9‐14.C h a n g X i a o,X u L o n g x i a n g,D o n g J i y o n g.D i g i t a lP o w e rA m p l i f i e ro f A c t i v e M a g n e t i c B e a r i n g[J].J o u r n a l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2010,46(20):9‐14.[10] 金超武,徐龙祥.基于F P G A的磁悬浮轴承电控系统设计[J].江苏大学学报,2011,32(5):578‐582.J i nC h a o w u,X u L o n g x i a n g.E l e c t r i cC o n t r o lS y s-t e m D e s i g no fM a g n e t i cB e a r i n g sB a s e do nF P G A[J].J o u r n a l o f J i a n g s uU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n),2011,32(5):578‐582.[11] 王大鹏,刘刚,房建成.基于C P L D的飞轮磁悬浮轴承低功耗开关功率放大器研究[J].微计算机信息,2005,21(7‐2):142‐144.W a n g D a p e n g,L i uG a n g,F a n g J i a n c h e n g.R e s e a r c ho nS w i t c h i n g P o w e rA m p l i f i e r o fM a g n e t i cB e a r i n gf o rF l y w h e e lB a s e do nC P L D[J].M i c r o‐c o m p u t e rI n f o r m a t i o n,2005,21(7‐2):142‐144.[12] S a b i r i nC R,B i n d e rA.R o t o rL e v i t a t i o nb y A c t i v eM a g n e t i c B e a r i n g U s i n g D i g i t a lS t a t e C o n t r o l l e r[C]//P o w e rE l e c t r o n i c sa n d M o t i o nC o n t r o lC o n-f e r e n c e.P o z n a n,2008:1625‐1632.[13] J a s t r z e b s k iR,P o l l a n e nR,P y r h o n e nO.A n a l y s i s o fS y s t e m A r c h i t e c t u r eo fF P G A‐b a s e d E m b e d d e dC o n t r o l l e r f o rM a g n e t i c a l l y S u s p e n d e dR o t o r[C]//I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n S y s t e m o n C h i p.T a m p e r e,2005:128‐132.[14] H i g u c h i K o h j i,N a k a n o K a z u s h i,A r a k i K u n i y a,e t a l.D e s i g no fa R o b u s tP WM P o w e r A m p l if i e rU s i n g A p p r o x i m a t e T w o‐d e g r e e‐o f‐f r e e d o mI n t e g r a l‐t y p eC o n t r o l[J].E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g i nJ a p a n:2003,86(6):1‐12.[15] 胡业发,周祖德,江征风.磁力轴承的基础理论与应用[M].北京:机械工业出版社,2006. 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应用DSP技术的磁悬浮系统的研究
图 ２Ｔ Ｓ ２ Ｆ４ 结构 框 图 Ｍ ３０ ２０
关 键 词：磁 悬浮；Ｄ Ｐ Ｉ Ｓ ；ＰＤ控制；数字控制；事件管理器 （ Ｖ） Ｅ 中图分 类号 ：Ｔ ３ １ 文 献标识码 ：Ａ Ｐ ９， ９
０ 引言
磁悬浮 以其无摩擦 、无磨损的优 点正在受到各个方 面的重视 ，由于磁悬浮 系统控制需要进行 实时控制 ， 对浮体偏 移随时进行检测 ， 以使浮体维持其悬浮位置不变 ． 磁悬浮系统 的动态性 能 （ 刚 度 、阻尼及稳定性）取决于所使用 的控制器 ，采用较 好的控制器 可使动态 性能大大 改善．传统 的
学
报
２０ 年第 １ ０２ 期
优势是：１ ）采用 了精筒指令处理器结构和四级 流水线技术 ，定点运 算能力最高可达每秒 ２ Ｍ ｓ Ｏ ， 绝大多数指令 能够在流水线上并行执行 ，从而实现 ５ ｓ的单周期指令 ．２ ０ｎ ）强大 的处理能力可 以
完成现代控制理论或智能控 制理论 的一些复杂算法 ，如 自适 应控制 ，Ｋ ｍ ｎ ￣ ａ 滤波 ，神经 网络甚至 遗传算法等．３ ）在一块 芯片上集成 中央处理单元 Ｃ Ｕ，存储器和各种外围 电路 （ 串１等 ） Ｐ 如 ３ ．用 它构成数字信号 处理系统 ，可以用较 少的硬件成本获得较高 的性能 ，并能降低 系统的复杂性 ，从 而提 高设计效率 ．强大的实时处理能 力和使 用的方便灵 活，为 Ｔ ３０ ２０开发 各种 实时数字信 Ｍｓ ２Ｆ ４ 号系统提供 了强有力的支持 ． 本系统主要利用 Ｄ Ｐ的 Ａ Ｄ模块和 Ｓ ／
现如 图 ３ 所示 ． 从图中可 以看出， 个全 比较单 元中 ３ 的任何一个都 可以与 Ｅ Ｖ模块中 的 Ｇ Ｐ定 时器死区单元 和输 出逻 辑一起用于产 生
一
１位 Ｉ 位Ｔ 存 ６ １ 寄 器 ６移位 Ｉ ２ 位寄存器 ３源自寄存 １１ 位乘 法器 ６６
基于DSP的电磁轴承控制系统的设计与应用
Ｅｅｔｃｌ ｎ ｎｅ ｎ ， ｈｎｈ ｉ ｉ ｔ ｇＵ ｖｒ ￣，Ｓａ ｇｈｉ ０ ０ ０ Ｃ ｉａ ｌｃ ａ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ Ｓ ａｇ ａ Ｊ ｏ ｎ ｎ ｅ ｉ ｉ ｒ ｉ ｉ ａ ｏ ｉ ｓ ｈｎ ａ ２ ０ ３ ，ｈｎ ）
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｂ ｓ ｏ ｏ ｉ ｏ ｎ ｈ ｒｎ ｉ ｌ ｆ ｌｃ ｒ ｍａ ｎ ｔ ｅ ｒ ｇ ｃ ｎ ｒ ｌ ｙ ｔｍ ｓ ｉｔｏ ｕ ｅ ｓｒ ｃ ： ｈ ａ ｉ ｃ ｍｐ ｓｔ ｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｃｐ ｅ ｏ ｅ ｔｏ ｇ ｅ ｉ ｂ ａ ｎ ｏ ｔｏ ｓ ｃ ｉ ｉ ｅ ｃ ｉ ｓ ｅ ｉ ｎ ｒｄ ｃ ｄ；ｔ ｅｎ ｍｅ ． ｈ ｕ ｒ ｉ ｃ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ａ ｉ ｇ Ｔ ３ ０ ５ ０ ｓ ｔ ｅ ｃ ｒ ａ ｔ ｌ ａ ｃ ｎ ｒｌｓ ｓ ｅ ｉ ｅ ｉ ｄ ｔｋ ｎ ＭＳ ２ ＶＣ ４ ９ ａ ｈ ｏ ｅ ｐ ｒ ，ｍａｎ ｙ ａ ａｙ ｉ ｇ ｔｅ ｈ ｒ ｗ ｒ ｙ ｔ ｍ ｅ ｉｎ ｎ ｉｌ ｎ ｌ ｚｎ ｈ ａｄ ａ ｅ ｓ ｓｅ ｄ ｓｇ ｐ ａ ｄ ｓ ｆ ａ ｅ ｓ ｓ ｍ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｍｏ ｕ ａ ｏ ｇ ｔ ｎ ｒ ｄ ｃｎ Ｓ ｏ ｎ ｃｉ ｎ ｐａ ａ ｅ ｎ ＣＨ３ ２ ｉ ｅｍ１ ｌ ａ ｏｔ ｒ ｙ ｔ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｄ ｌ ｒｔ ｕ ｈ ，ｉ ｔ ｕ ｉ ｇ Ｕ Ｂ ｃ ｍｉａ ｔ ｌ ｎ ｂ ｄ ｏ ｎ ｎ ｗ ｅ ｈ ｏ ｏ ｓ ７ ｎｄ ｔ ．
Ｔ ｅｄｇ ａ ＰＤ ａ ｏ ｔｍ ｔ ｃｒ ｎｔｅｄ ｂｇｉｇｃｎｉ ａ ｏ ｔｉ ｄｔ ａｚ ｅｅ ｃｒｍ ｇｅ ｃｂａ ｎ ａｌ ｈ ｉ ｔ Ｉ ｇｒｈ ａｒ ｏ ｅｕｇ ｏｆ ｔｎｉ ｕｉｚ ｒ ｌ ｅｔ ｌ ｔ ａｎｔ ｅｔ ｇｓ ｂｙ ｉｌ ｌ ｉ ｏ ｙ ｈ ｎ ｍ ｒ ｉ ｓ ｌｅ ｏ ｅ ｉ ｈ ｅ ｏ ｉ ｉ ｔ
基于DSP的主动磁轴承数字控制器的设计与实现
2.3 控制器软件结构
根据采样定理来考虑系统采样周期，针对转子转速为54000rpm设计数字控制器，采样周期T选100μs，满足香农定理。系统中采用内部定时器中断结构，时间常数取十进制1000，保证T=100μs。主程序完成对寄存器初始化，设置中断方式及中断时间常数，四个通道的PID控制系数的计算，然后开中断及等待中断。中断处理程序完成四个自由度独立的PID控制算法参数的采样输入、运算及D/A转换输出过程。在此采样和输出有多种方案，如:①四路A/D同时采样，运算完成后，四路D/A同时输出;②转子两端各两个自由度为一组，即两路A/D同时采样，两路D/A同时输出;③单路分别流水作业。具体采用何种形式，主要取决于所采用的硬件条件，本实验系统中采用流水作业的方式进行编程。系统中A/D和D/A转换时间一次为7μs左右，对一个自由度控制器来说，实现采样、运算处理、输出等一系列活动，60条指令左右即可，包含输入/输出转换时间，完全可以控制在20μs内，所以对四自由度的磁轴承来说，采样周期100μs完全可以满足54000rpm转速的实时采样控制的要求。另外，为了减少系统响应的超调量，使得控制器的性能更为满意，编程时必须同时采用积分分离和遇限削弱积分PID控制思想来综合开发程序[1～4]。
关键词: 磁轴承 控制器 数字信号处理器(DSP) 硬件 软件
主动磁悬浮轴承(简称磁轴承)系统主要由被悬浮物体(即转子)、位移传感器、控制器和功率放大器等组成。位移传感器检测转子偏移参考点(平衡位置)的位移量，控制器将检测到的位移变换成控制信号，功率放大器将控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而使转子维持其悬浮位置不变[1～2]。磁轴承是在转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承，它从根本上改变了传统的支承形式，在能源、交通、超高速超精密加工、航空航天、机器人等高科技领域有着广泛的应用前景[2]。
基于DSP的混合磁悬浮轴承数字控制器的设计与实现_徐龙祥
基于DSP 的混合磁悬浮轴承数字控制器的设计与实现X徐龙祥 朱火晃秋 曾学明 刘正埙(南京航空航天大学机电工程学院 南京,210016)摘要 研究了混合磁悬浮轴承系统(HM B )的工作原理及其控制器,讨论了以定点数字信号处理器T M S320C25为核心的数字控制硬件系统的构成以及A /D,D /A 等外围电路的设计。
控制方法采用抗积分饱和与微分突变的P ID 控制规律,并用汇编语言编制了相应的数控软件。
和传统的磁悬浮轴承相比,这种轴承可以显著减小控制系统的功耗和体积,在航空领域具有广阔的应用前景。
用自主研制的数字控制软件和硬件系统实现了对混合磁悬浮轴承的控制。
实验表明,以T M S 320C 25为核心的数字控制硬件系统不仅能够满足高速磁悬浮轴承控制器的要求,而且易于实现各种先进的控制策略。
关键词:混合磁悬浮轴承;数字控制器;硬件;软件;数字信号处理器中图分类号:T P703.3Design and Realization of Digital Controller of HMB Based on DSPX u L ongx iang Zhu H uangqiu Zeng X ueming L iu Zhengx unDepar tment o f M echanical Eng ineering ,N anjing U niv ersity of A er onautics &A str onautics N anjing ,210016Abstract The w orking principle and the str ucture of a hy brid m agnetic bearing (HM B)are investigated.T he hardw are of a dig ital controller system based on a fix ed poind dig ital singal pr ocessor T MS 320C 25,as w ell as an A /D and D /A co n-verter is presented.A PID prog ram is developed o n T M S320C25in the assem ble lang uag e.T his kind of mag netic bearing is much better than the tradional m ag netic bearing because of its lightw eight and lo w pow er consumption ,w hich has a w ide application in aviatio n field .It realizes the control of the HMB system by means o f the software and the har dw are developed by us.T he ex periment show s that the har dw are based on TM S320C25can meet the requirements o f a hig h-speed m ag netic bearing system ,and it is ver y convenient to use in any advanced control layout .Key words :hybrid magnetic bearing (HMB );digital co ntroller ;hardware;soft-w ar e;DSP X 航空科学基金(编号:96C52034,98C52025)资助项目。
基于DSP的磁悬浮轴承数字控制系统硬件设计
Ｚ ＨＡＮ Ｊ －ｉ ＱＵＡＮ ｈ － ａ Ｗ ＡＮＧ ｎ －ｈ ｎ Ｇ ｕ ｘｕ Ｓ ｕｈ ｉ Ｙｏ ｇｓ ｅ ｇ
Ａ ｕ ｏ ａ ｉｎ Ｓｃ ｏ Ｗ ｕｈ ｎ Ｕ ｎｖｅｓｔ ｆＴｅ ｈｎ ｌｇｙ Ｗ ｕｈ ｎ ４３ ０７ ｔ ｍ ｔｏ ｈｏ ｌ ａ ｉ ｒ ｉｙ ｏ ｃ ｏｏ ａ ０ ０
１ 集 中数 字 式控 制 方 案 和 系统 结构
磁悬 浮轴 承控 制系统 的控 制方 案可 以分模 拟
＊国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 编号 ：０ ７０ ４ ５ １５ ８ ）
式控 制 和 数 字 式 控 制 两 种 。在 早 期 的磁 悬 浮 轴 承控制 系 统 大 多 采 用 了前 者 ， 随 着 现 代 控 制 而
计 算 机 工 程 与设 计 ，０２ ２ （ ）３—７ ２０ ，３ ４ ：４３ ．
参 考 文献 ［ ］ＬｎＦ ｌａ Ｌ ｎＹ ｃＤ ｖｌ ｉ ｒ ａ ｅｖｒｎ ｎｓ ５ ｉ ｎｗ ， ａ ｅ ｔ． ｅｅ ｐｎ Ｖｉｕｌ ｎ ｉ ｍｅｔ ｅ ｏ ｇ ｔ ｏ
Ｄ Ｐ芯 片 ＴＭＳ２ Ｆ ８ ２为 核 心 的 控制 系统 硬 件 结 构 图 ， 对 其 中的 关 键 电路 进 行 了分 析 及 描 述 。该 硬 件 系 Ｓ ３０ ２１ 并 统 已 经成 功地 应用 在 磁 悬 浮 轴 承 控 制 系 统 中 ， 得 了较 好 的控 制 效 果 。 取
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第３卷 ６
第 ２期
船 海 工 程
ＳＨ Ｉ Ｐ＆ ０ＣＥＡ Ｎ ＥＮＧ Ｉ ＥＥＲＩ Ｇ Ｎ Ｎ
ＶＯ ． ６ ＮＯ． １３ ２ Ａｐ ． ０ ｒ ２ ０７
基于DSP的磁力轴承控制系统的研制
为 给 定 的 参 考 位
置 ， ｏ 分 别 为 Ｕ、
功 率 放 大 器 输 出
电 流 ／、 的给 ｏ ｉ时
定 电 压 ，厂 外 扰 为 动 力 ， 和 分
别 为 电 磁 铁 １和 电磁 铁 ２对 转 子 的电 磁 吸 力 。 图 １ 单 自由 度磁 轴 承 系统 工作 原 理 图
１ 系 统 的 组 成 及 其 工 作原 理
刚性 的转 子模 型一 共 包 括 六 个 自由度 ： 个 平 动 ｘ 三 ，Ｙ和 ｚ以
转 子处 于 平衡 位 置 （ 考 位 置 ） ， 过 电磁 铁 １和电 磁铁 ２的 参 时 流 电 流均 为偏 置 电 流 ， 两个 电磁铁 对 转子 的吸力 Ｆ 和 也 相等 。 ０ ， ｌ 如 果 转 子 在 外 扰 动力 厂 的作 用 下 相 对 于 平 衡 位 置 向电 磁铁 １ 移 偏
实 验 曲线 。
关 键 词 ： 动 磁力 轴 承 主
Ｄ Ｐ 滤 波器 Ｓ
数 字 控 制
ห้องสมุดไป่ตู้
Ａｂ ｔａ ｔ Ａ ｄ ｇｔｌｃ ｎ ｒｌｓ ｓｅ ｆＡ ｓｒ ｃ ： ｉ ｉ ｏ ｔ ｙ ｔ ｍ ｏ ＭＢ ｂ ｓ ｄ ｏ Ｓ ｓｄ ｖ ｌ ｐ ｄ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓｓａ ｌ ｕ ｐ ｎ ｅ ．Ｉ ｈ ｙ ｔｍ， Ｔ ３ ０ Ｆ ４ ７ ｆＴ ａ ｏ ａ ｅ ｎ Ｄ Ｐ ｉ ｅ ｅｏ ｅ 。ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｔ ｒ ｔ ｂ ｙ ｓ ｓ ｅ ｄ ｄ ｎ ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｉ ＭＳ ２ Ｌ ２ ０ Ａ ｏ Ｉ
Ｄｅ ｅｌｐ ｅ ｔｏ ｇｔ ｌ ｎ ｒ ｌ ｓｅ ｏ ｖ ｏ ｍ ｎ ｆＤｉｉ ａ Ｃｏ ｔｏ Ｓｙ ｔ ｍ ｆＡＭ Ｂ Ｂａ ｅ ｎ ＤＳＰ ｓ ｄｏ
基于DSP的磁悬浮轴承控制系统
第２ １卷 第 ４期 ２０ ０ ６年 １ ２月
北 京 机 械 工 业 学 院 学 报
Ｊｕｎ ｌ ｆ ｅ ｉｇＩｓｔｔ ｏ Ｍａｈｎｒ ｏｒａ ｏ Ｂ ｉｎ ｎｔｕｅ ｆ ｃｉｅｙ ｊ ｉ
Ｖｏ ． Ｎｏ ４ １ ２１ ． Ｄｅ ． ｏ０ ｃ２ ６
电磁 悬浮主 轴要 求 。 关 键 词 ： 悬浮 轴承 ； 字信 号处 理器 ； ／ 磁 数 Ａ Ｄ转换 器 文 献标 识码 ： Ａ 中图分 类 号 ：Ｐ １ ； Ｈ １ ３ ３ Ｔ ３ Ｔ ３ ． １
Ｃｏ ｒ ｌｓ ｓｅ ｆａ ｔｖ ａ ｎｅｉ ａ ｉ ｇ ｂ ｓ ｄ ｏ ｎｔｏ ｙ ｔｍ ｏ ｃ ｉｅ ｍ ｇ ｔｃ ｂｅ ｒｎ ａ ｅ ｎ ＤＳＰ
文 章 编 号 ：０ ８—１５ （ ０ ６ ０ ０ ０ ０ １０ ６ ８ ２ ０ ）４— ０ ５— ５
基 于 Ｄ Ｐ的磁 悬 浮轴 承 控 制 系统 Ｓ
孙晓颖 ， 高锦 宏 ， 小 力 徐
（ 京 机 械 工业 学 院 北 机 电系 统 测 控北 京 市重 点 实验 室 ， 京 １０ ８ ） 北 ００ ５
ｃ ｍｐ ｅ ｙ ｔｍ ｎ ｉｈ ｃ ｓ ． ｅ ｃ ｎ ｒ ｌｓ ｆｗａ ｅ ｗａ ｒ ￣ ａ ｏ ｌｘ ｓ ｓｅ ａ ｄ ｈ ｇ ｏ ｔ Ｔｈ ｏ ｔｏ ｏｔ ｒ ｓｐ ｏ ｍｍｅ ｙ ｍａ ｉ ｇ ｕｓ ｆＦｕ ｚ ｄ ｂ ｋ ｎ ｅ ｏ ｚ ｙ—ＰＩ ａｇ — Ｄ ｌｏ ｒｔ ｉ ｈｍ．Ｃｏ ｉｕ ｕ ｕ ｎ ｎ ｘ ｅ ｉ ｎ ｎ ｃ ｔ ｈ ｔｔ ｅ ｓ ｐｅ ｓｏ ｔ ｔ ｓｓａ ｌ Ｔｈ ｏａ ｙ ｓ ｅ ｄ ａ ｔｉ ｓ ｎｔ ｏ ｓｒ ｎ ｉ ｇ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｉｄｉａ ｓｔ ａ ｈ ｕｓ ｎ ｉｎ ｓａ ｅｉ ｔｂ ｅ． ｅ ｒ ｔｒ ｐ ｅ ｔ ｎ ｎ ａ ４ ×１ ｒ ０ ／ｍｉ ｈ ｉ ｃ ｎｔｏ ｙ ｔｍ ｓ ｉｅ ｐ ｎ ｉｅ ａ ｄ ｇ ｏ ｎ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｎ ｔｃａ ａ ｉｆ ｈ ｅ ｎｄ ｎ．Ｔ ｓ ｏ ｒ ｌｓ ｓｅ ｉ ｎ ｘ ｅ ｓｖ ｎ ｏ ｄ ｉ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ａ ｄ ｉ ｎ ｓ ｔｓｙ ｔ ｅ ｄ ｍａ ｏ ｇ ａ ｅ ｍｉ ｉ ｇ ｓ ｉ ｄ ｅ ｆｈｉｈ ｒ ｔ ｌ ｎ ｐ ｎ ｌ ． ｌ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ： ｃｉｅ ｍａ ｎ ｔ ｅ ｒｎ ｄｉｉａ ｉｎ ｌｐ ｏ ｅ ｓｎ Ａ／ ｃ ｎ ｅｔ ｒ ｄｓ ａ ｔｖ ｇ ｅ ｉ ｂ ａ ｇ； ｇ ｔｌｓｇ ａ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ； Ｄ ｏ ｖ ｒｅ ｃ ｉ
基于双DSP的磁轴承数字控制器容错设计(精)
基于双DSP的磁轴承数字控制器容错设计基于双DSP的磁轴承数字控制器容错设计类别：传感与控制摘要：本文介绍了应用于磁轴承的双DSP热备容错控制方案，该方案采用时钟同步技术，由总线表决模块实现系统的容错处理，硬件判决模块实现硬件故障判断。
由中心仲裁模块根据两判决模块的结果进行复杂的仲裁，并完成切换和完善的报警逻辑，从而提高了磁轴承控制系统的可靠性。
 关键词：容错；磁轴承；控制器； CPLD；DSP  引言 电磁轴承(AMB)是利用可控电磁吸力将转子悬浮起来的一种新型高性能轴承，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特点，在交通、超高速超精密加工、航空航天等高科技领域有着广阔的前景。
 由于磁悬浮系统本征不稳定，控制系统的好坏将会直接决定磁轴承的性能。
近年来国内外在数字控制方面发展很快，数字控制器将是未来的磁轴承控制的主流，图1为数字磁轴承控制系统结构框图。
本文从工业应用的要求和成本考虑，对图1虚线方框内的控制器进行了容错设计，提出了双DSP容错控制器的方案，而对于传感器、线圈和功率放大器部分的容错设计本文不进行讨论。
 磁悬浮控制器的容错设计分析 冗余是实现容错和提高可靠性的一种有效方法，对于磁轴承DSP控制系统来说，其本身的时间余量和程序空间余量都非常有限，故主要是采用硬件冗余，即采用多DSP冗余设计来提高系统的可靠性。
 在多机冗余系统设计中，关键问题是多机的重构策略、多机的仲裁切换逻辑及多机运行的同步等。
小规模的终端系统相对于功能强大的中央控制系统有四个明显的特点：系统结构较简单、成本较低；软硬件资源比较缺乏；必须具备很好的实时性能；运行时间余度太小。
通过以上分析与对成本的考虑，本文提出了针对工业应用的双机热备冗余控制系统设计方案。
 设计原理 本控制系统结构如图2所示，其中冗余核心控制功能是通过CPLD来实现的。
基于DSP和CPLD的主动磁悬浮轴承数字控制器
（ 南科 技 大 学 电 子信 息 工程 学院 ， 南 洛 阳 河 河
摘
４１０） ７ ０ ３
要 ： 计 了一 种 新 型 的基 于 Ｄ Ｐ和 Ｃ Ｌ 的 主动 磁 轴承 控 制 器 ， 设 Ｓ ＰＤ 它以 Ｄ Ｐ为 主 处理器 ， 所 有控 制 电路 、 Ｓ 把
Ｐ ＷＭ 信 号等 在 Ｃ Ｌ 中 实现 。 同时 ， 制器 软 件 采用 改进 型 的 Ｐ Ｄ 控 制算 法 ，以提 高系统控 制精 度 和动 态性 Ｐ Ｄ 控 Ｉ 能。 实验 结果 表 明 ， 该控 制器 实现 了磁 悬浮轴 承控 制 系统的 高速 率 实时控 制 ， 强 了系统的 鲁棒 性 和抗 干扰 能 力 ， 增
ｍａ ｅ ｉ ｕｓ ｎｓｏｎ ｂｅ ｒｎｇ ｃ ｎ ｒ ， ａｓ ｈｅ ｓ ｔ ｍ ｏ ｇｎ ｔｃ ｓ ｐｅ ｉ ａ ｉ ｏ ｔ ｏｌ ｒ ｉｅ ｔ ｙｓ ｅ ｒ ｂｕｓ ｎｅ ｓ ａ ｎｔ ～ ｉ ｅ ｆ ｒ ｎｃ ａ ｃｔ ｎｄ ｇｅ ｉ ｅ ｔ ｓ ｎｄ ａ ｉ ｎｔ ｒ ｅ ｅ ｅ ｃ ｐａ ｉｙ ａ ｔ ｆｎ
运行 条件 ， 在交 通 、 冶金 、 机械制 造 、 料及 航天 等方 面 材
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《电气 开 关 ｝ ２ ０ ． ． ） （ ０ ７ Ｎｏ ５
２７
文章编号 ：０４ ８Ｘ（０ ７０ －０２ －０ １０ —２９ ２０ ） ５ ０ ７ ３
基于DSP与FPGA的主动磁悬浮轴承控制系统设计
其中，r0 为快速因子，h 为仿真步长，h0 为滤波因子， v 等价于设定目标值 r，x1 为跟踪信号，x2 为 x1 的微分。
该系统的软件主要为 DSP 与 FPGA 的程序。系统上
电，先进行时钟使能、I/O 配置、定时器初始化、中断
初始化等操作。上位机发送“开始”命令触发 A/D 启动并
开始同步采集 15 路位移和电流信号。FPGA 读取数据并
功率放大器 功率放大器 控制器
图 1 主动磁悬浮轴承控制原理 Fig.1 Control principle of active magnetic bearing
2 主动磁悬浮轴承控制系统硬件设计 根据本文实验对象的结构特点，为实现 10 路线圈的
同步控制，控制系统需包含 5 路差分位移采样通道、10 路 电流采样通道及 20 路 PWM 输出通道。若后续转子处于 高速旋转状态，每转采样 100 个点并输出 1 次控制信号， 则相邻采样点时间间隔应小于 20μs，精度至少为 0.1%， 从开始采样到输出控制的时间应小于 2ms。根据要求设 计的控制系统硬件如图 2 所示，包括主控模块、电源模 块、传感器及测量电路模块和隔离与功率放大模块。
磁悬浮轴承由定子支撑，磁力使转子在定子的固定 范围内运动，两者之间无机械接触。相较于传统轴承， 主动磁悬浮轴承 AMB 具有无摩擦、低功耗、速度快以 及可控制等优点，被广泛应用于真空泵、飞船制动器、 人造心脏等场合 [1]。控制系统是 AMB 中最关键的部分， 其软硬件设计决定了磁悬浮能否实现，还影响到承载能 力等关键性能指标。
干扰，仿真结果如图 3 所示。可以看出，改进的 LADRC
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第 41 卷
基于DSP2812磁悬浮轴承控制系统设计及其展望
２１ ０ ０年第 １ 期
福
建 电
脑
８ ７
基 于 Ｄ Ｐ ８ ２磁 悬 浮 轴 承 控 制 系统 设 计 及 其 展 望 Ｓ ２ １
郭 文 良．王佳兴
（武 汉科 技 大 学 计 算 机 学 院 湖 北 武 汉 ４ ０ ６ ） ３０５
【 摘 要】 磁悬 浮轴 承是一种 可以 由控制 系统控制的新 型轴承 ， ： 因而控制 系统 的好坏 决定 了其性 能的好 坏 ． 本文采 用
在 偏 置 电 流Ｉ 作 用 下 ， 子 处 于平 衡 位置 ， 某 一 时刻 出 ３２Ａ／ 换 电 路 ｎ 的 转 设 ． Ｄ转 由于 Ｔ ３ ． ２ １ 内部 集 成 了 １ 通 道 的 １ ｂｔ Ｄ ． 无 须 ＭＳ ２０ ８ ２ Ｆ ６ ２ｉ Ｃ 故 Ａ 现 一 扰 动 力 Ｆ， 其 偏 离 平 衡 位 置 并 向 下 偏 移 距 离 为 ｘ为 使 转 子 － 使 ， 再 外 扩Ａ Ｃ。ＡＤ 样 通 道 是 将 传 感 器 信 号 数 字 化 的关 键 ， 设 Ｄ ／采 其 回到 平 衡 位 置 ， 须 加 一 控 制 电 流 Ｉ 电 磁 铁 ｌ 磁 力 Ｆ增 加 ， 必 使 的 ． 电 计 首 先 要 选 择 采 样 频 率 ．对 于 数 字 控制 而 言 ，采 样 频 率 越 高 越 磁 铁 ２ 磁 力 减 小 ． 时转 子 所 受 的力 为 ： 的 此 好 ．这 样更 接 近 真 实 情 况 ．但 是 采 样频 率 太 高 会 带 来 更 大 的干 扰 ． 磁 轴 承控 制 中 ， 样 频 率 的取 值 为 磁 轴 承 转 子 转 速 基 频 的 在 采 ［ 一 ］ ＋ （） １ １ 倍 。２ １上 自带 一 个 采 样 ， 持 （， ） １位 模 数 转 换 （Ｄ ） Ｏ ８２ 保 ＳＩ 的 ２ ｛ Ａ Ｃ 内 （ ｘ ｘ ） 核 ． 前 端 为 ２ ８ １ 路 切 换 器 和 ２ 同 时 采 样 ， 持 器 ， 成 其 个 选 多 路 保 构 其中 ： 为真空 导磁率 ； 为磁极 面积 ； 电磁铁 线圈 的匝数 。 Ａ Ｎ为 １ 个 模 拟 输 入 通 道 ． 拟 通 道 的 切 换 由 硬 件 自动 控 制 ， 将 模 拟 ６ 模 并 将 式 （ ） 平 衡 点 处 线 性 化 ， 据 牛 顿 第 二 定 律 ， 不 考 虑 其 他 通 道 的转 换 结 果 顺 序 存 入 ｌ个 结果 寄 存 器 中 。 １在 根 在 ６ 作 用 于物 体上 的力 时 ． 方 向 上 的 力 学 方 程 为 ： 在Ｘ
基于 DSP 的磁悬浮列车控制系统设计
基于 DSP 的磁悬浮列车控制系统设计磁悬浮列车是当今世界上最先进的高速铁路交通工具之一。
它基于磁悬浮原理，具有高速、平稳、能耗低等优点，被广泛应用于国内外的高速铁路建设中。
其中，磁悬浮列车控制系统是保证磁悬浮列车运行安全、可靠、高效的关键技术之一。
磁悬浮列车控制系统主要包括车辆控制系统和供电系统两部分。
其中，车辆控制系统是实现列车自主控制、运行、安全保障等的核心部分。
目前，在车辆控制系统中，数字信号处理器（DSP）的运用已成为当今国际上磁悬浮列车控制系统的主流技术之一。
磁悬浮列车控制系统的设计需要对列车的运动参数进行准确的计算和控制。
其中，列车的运动状态包括速度、加速度、位置等多个参数。
通过对这些参数的测量和控制，可以对磁悬浮列车进行准确的控制和驾驶，保证其安全、平稳、高效地运行。
DSP的优点是精确、实时、高速地处理信号数据。
它不仅可以实现数据采集、滤波、放大、变换等基本处理功能，还能够支持复杂的算法实现、数据分析及诊断等高级数据处理技术，实现对列车运动状态的实时监测和控制。
在磁悬浮列车控制系统中，DSP技术的运用可以实现列车的自动驾驶、速度控制、制动监测、列车调度等多个功能。
为了更好地应用DSP技术，磁悬浮列车控制系统需要精确的运动控制算法和控制模型。
这些算法和模型可以不断地优化和改进，以更好地满足列车运营的各种复杂场景。
例如，在列车进入弯道、通过衡器、刹车等特殊场景时，需要优化和改进磁悬浮列车控制系统，提高其适应性和灵活性。
此外，在磁悬浮列车控制系统的设计中，还需考虑其他多个方面的要素。
例如，列车的车体设计、供电系统、应急安全系统等都会对控制系统的设计产生一定的影响。
因此，在进行磁悬浮列车控制系统设计时，需要全面系统地考虑各个方面的要素，避免出现失误或者不安全的情况。
综上所述，基于DSP技术的磁悬浮列车控制系统设计具有很大的潜力和远景。
它可以实现列车的自动驾驶、高速运行、平稳安全、高效节能等多个功能，大大提升列车的运营效率和质量。
DSP在磁悬浮上的应用
基于电力电子技术的DSP磁悬浮系统设计罗妮娜，王立德，王亮（北京交通大学，电气工程学院北京 100044）摘要：本文主要讨论由DSP为核心构建的磁悬浮系统，并详细分析控制系统的两个关键要素：主控器和悬浮驱动器。
在设计中，这两部分我们分别采用数字处理芯片TMS320LV5402和两象限桥式悬浮斩波器。
最后分析了具体数字实现中应注意的问题。
关键词：悬浮系统，DSP，TMS320LV5402，两相限桥式斩波器。
Design Suspension System Based on DSP and Electrical&ElectronLuo Nina, Wang Lide， Wang Liang（School of Electrical Engineering，Northern Jiaotong University，Beijing 100044，China）Abstract: Suspension System centered on DSP is discussed in this paper. It also analizes two key factors of the control system-the main controller and the suspension drivers. Digital signal processor chip TMS320LV5402 and two-quadrant bridge suspension chopper are applied to this system,respectively.At last,the paper analizes the problems worthy of consideration in digital implement.Key Words: Suspension System , DSP，TMS320LV5402，two-quadrant bridge chopper1．控制系统的构建：图一为单电磁铁控制系统的结构图。
基于DSP动力磁悬浮轴承悬浮控制系统研究的开题报告
基于DSP动力磁悬浮轴承悬浮控制系统研究的开题报告1. 研究背景和意义磁悬浮轴承技术是一种应用电磁原理使转子悬浮于磁场中的轴承技术，具有零摩擦、无磨损、高速等优点，被广泛应用于高速电机、风力发电机、离心压缩机等领域。
在磁悬浮轴承系统中，悬浮控制系统是至关重要的组成部分，它能够实现转子悬浮、定位和控制，是实现高精度、高效率运转的关键。
目前，国内外学者对于磁悬浮轴承的悬浮控制系统研究较为深入。
一些传统的控制方法如PID控制、模糊控制、神经网络控制等被广泛应用。
然而，这些方法难以满足控制系统对于高精度、高动态响应的要求。
因此，近年来以数字信号处理器（DSP）为核心的控制方法被越来越多地应用于磁悬浮轴承悬浮控制系统中，具有计算速度快、控制精度高等优点。
本研究旨在基于DSP的控制方法，设计并实现一种高精度、高性能的磁悬浮轴承悬浮控制系统。
在此基础上，探索磁悬浮轴承悬浮控制系统的优化方法，提升其运行效率和控制精度，为相关领域的发展做出贡献。
2. 研究目标和内容（1）研究DSP控制技术在磁悬浮轴承悬浮控制系统中的应用，建立基于DSP的悬浮控制系统原型，探索其控制原理和设计方法。
（2）研究陀螺仪、加速度传感器等传感器在磁悬浮轴承悬浮控制系统中的应用，提高控制精度和运行效率。
（3）分析磁悬浮轴承的控制模型，研究系统的响应特性和稳定性，探索改进控制策略的方法。
（4）对系统进行仿真和实验验证，测试其控制效果和精度，验证研究成果的可行性和有效性。
3. 研究方法（1）文献调研：对磁悬浮轴承悬浮控制系统的基本原理、传统控制方法、DSP控制技术等方面进行深入的文献调研，并总结和分析现有研究成果和发展趋势。
（2）系统设计：根据磁悬浮轴承悬浮控制系统的控制模型和性能要求，设计基于DSP的悬浮控制系统原型，并应用陀螺仪、加速度传感器等传感器进行系统优化。
（3）控制策略：分析控制系统的稳定性、响应特性等因素，在此基础上探索并改进相应的控制策略，提高系统的稳定性和控制精度。
基于DSP的磁悬浮轴承控制系统的研究的开题报告
基于DSP的磁悬浮轴承控制系统的研究的开题报告
一、研究背景及意义：
磁悬浮轴承控制系统作为一种新型的轴承系统，具有无接触、无磨损、无噪音、高速、高精度等优势，在航空、航天、高速列车等领域有
着广泛的应用。
而DSP（数字信号处理器）技术作为一种高性能、低功
耗的数字信号处理器，在磁悬浮轴承控制系统中具有很大的潜力和优势。
因此，基于DSP的磁悬浮轴承控制系统的研究具有重要意义。
二、研究内容和方法：
本文将研究基于DSP的磁悬浮轴承控制系统的设计与实现，并进行
理论分析和仿真实验，主要包括以下内容：
1.磁悬浮轴承的工作原理和控制策略的研究；
2.DSP技术在磁悬浮轴承控制系统中的应用研究；
3.基于DSP的磁悬浮轴承控制系统的设计与实现，包括硬件设计和
软件设计；
4.系统测试和仿真实验，验证系统控制性能和稳定性；
5.实际应用案例分析和研究。
本文主要采用文献调研和实验研究相结合的方法，通过对相关文献
的分析和总结，了解国内外在该领域的研究现状与进展，同时设计相关
实验，并对实验数据进行分析和归纳。
三、预期研究成果：
通过本文的研究，预期能够实现基于DSP的磁悬浮轴承控制系统的
设计与实现，并进行仿真实验，得到控制系统的性能和稳定性指标，为
磁悬浮轴承控制系统的实际应用提供基础的理论和技术支持，具有重要
的应用价值和推广意义。
基于DSP磁悬浮轴承控制系统的硬件研究的开题报告
基于DSP磁悬浮轴承控制系统的硬件研究的开题报告1. 研究背景随着现代制造业的发展，各种高速转子的运转变得越来越普遍。
而这些高速转子的运转一般都需要使用轴承。
然而传统的机械轴承往往会引起机械磨损和摩擦产生的热量等问题，降低了轴承的寿命和效率。
为了解决这些问题，磁悬浮轴承便应运而生。
磁悬浮轴承是一种采用电磁力代替机械轴承的轴承形式，具有无接触、无磨损、低噪音、高速等特点，被广泛应用于高速列车、重型机器等领域。
为了实现磁悬浮轴承的控制，需要一套完整的硬件系统进行实现。
而现有的磁悬浮轴承控制系统往往使用传统的控制器，其控制精度和稳定性相对较差，限制了磁悬浮轴承的发展。
因此，本研究旨在探究使用DSP控制器实现磁悬浮轴承控制系统的可行性和效果，提高磁悬浮轴承的性能和使用价值。
2. 研究内容和目标本研究的主要内容包括以下两个方面：硬件系统设计和DSP程序开发。
硬件系统设计方面，本研究将主要研究磁悬浮轴承系统的控制器硬件，包括功率放大器、传感器、信号调理器等。
考虑到系统的稳定性和可靠性，需要对硬件系统进行严格的设计和测试，保障其性能符合磁悬浮轴承的使用要求。
DSP程序开发方面，本研究将使用TI公司的DSP控制器，编写程序实现磁悬浮轴承的控制。
具体来说，将进行磁浮轴承稳态调节、转子振荡的控制、转子运动模式的实现、转子位移检测等方面的开发和测试。
本研究将基于MATLAB/Simulink进行仿真，进一步优化程序实现过程，提高程序的稳定性和性能。
研究目标为：设计并实现一套基于DSP磁悬浮轴承控制系统的硬件系统，实现磁悬浮轴承的高精度、高稳定性的控制，提高磁悬浮轴承的使用效率。
3. 研究方法和技术路线研究方法：本研究将采用实验和仿真相结合的方法，针对磁悬浮轴承的相关问题进行实验室测试、仿真分析和数据统计、对比。
同时以上述方法对DSP程序进行优化和测试。
技术路线：本研究的技术路线主要涉及以下几个方面：首先对磁悬浮轴承的控制原理、硬件系统的工作原理进行研究分析；其次，进行硬件系统的设计和制作，完成系统的组装与测试；然后编写并优化DSP控制器程序，完成仿真和实验测试；最后针对测试结果进行分析和总结，得出结论并提出下一步的研究方向。
磁悬浮轴承控制器MAX115与DSP的接口设计
磁悬浮轴承控制器MAX115与DSP的接口设计引言在五自由度主动磁悬浮轴承控制系统中，采用由工控PC+DSP 控制器的架构是一种较好的方法，而DSP 核心控制器则是磁悬浮轴承控制系统中非常重要的一部分，对主轴位置信号的精确采集是DSP 控制器的首要任务。
在本控制器中采用MAX115 对主轴位置的模拟信号进行采集。
磁悬浮控制器中的ADC 选择在磁悬浮主轴控制器的设计中，对主轴位置的测量是至关重要的。
位置传感器的信号经过适当的信号调理电路处理后被传送到A/D 采样通道，ADC 把得到的模拟信号转换成相应的数字信号，芯片采样的精度和分辨率以及采样转换时间是非常重要的技术参数，它们直接决定着控制速度和控制精度。
本控制器中采用的传感器是一种电涡流位移传感器。
它是一种高精度无接触式传感器。
本系统要求能分辨1mm 位置信号，根据传感器的传感特性，必须要求有至少为12 位的分辨率。
同时本系统中要求绝对精度不低于±1LSB。
由于磁力轴承系统要求的控制周期很短(一般小于200ms),故要求ADC 的采样时间也必须很快(一般在20ms 内)。
综上考虑选用Maxim 公司的MAX115 作为ADC 来完成主轴位置信号的采集。
MAX115 是12 位2×4通道同步采样逐次比较型ADC，其具有两组ADC，每组4 通道连续采集保持；单通道转换时间为2ms；转换精度±1/2LSB；4 通道传输率为16ksps；并且内部具有2.5V 参考电压和10MHz 时钟，极大地精简了外部附加电路；其高速的并行接口可以方便地与DSP 相连。
MAX115 与TMS320F240 的接口电路图1 是磁悬浮轴承DSP 控制器的结构简图。
图中4 路主轴位置信号经由MAX115 进行A/D 转换后，采集结果通过中断方式输入到DSP 内。
DSP 经过滤波算法处理后，将采集数据写到双口RAM 内，计算机通过ISA 总线访问双口RAM 并将其中的数据取走，进行上位机的图形显示、数据分析等功能。
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7沙杰,刘战术,陈国防.中小径管爬行器控制系统设计[J].测控技术,2000,19(4):27~298张晓华,殷德军,邓宗全.一种基于视觉模糊推理的管道机器人自主定位控制方法[J].微计算机信息,2002,18(2):10~11国家863计划经费资助项目(编号:2001AA602021),上海市教委发展基金(编号:020K02)。
收稿日期:2003-05-02。
第一作者程启明,男,1965年生,1984年毕业于苏州大学,1988年于浙江大学获硕士学位,1997~1998年在东南大学仪器系博士课程班学习,教授;研究方向为智能控制、自动化仪表、语音/图象处理等,发表论文100余篇,主编教材、专著8部。
DSP在磁悬浮轴承数字控制系统中的应用The Application of DSP in Digital M agnetic Levitating B earing C ontrol System张建生1谢建华2汪希平2张钢2杨新州2罗诗旭3(常州工学院1,常州212003;上海大学2,上海200072;深圳群茂科技有限公司3,深圳518031)摘要介绍了磁悬浮轴承的组成及其工作原理。
分析了磁悬浮轴承的控制精度和可控转速两个重要性能指标与A/D转换器、传感器、功率放大器及控制算法之间的相互关系。
以TMS320F240为核心设计了电磁轴承控制系统。
实验结果表明,基于DS P的磁悬浮轴承数字控制系统具有稳定性好、响应快及低噪声等优点。
关键词DSP数字控制磁悬浮轴承可控转速A bstract The compositi on and operation al pri nciple of magnetic levitati ng bearing are introduced.The correlation bet ween two major specification s of magnetic Levitati ng bearin g,i.e.,control accuracy and controllable rotatin g sp eed,and A/D converter,transducer,power am plifier as well as control algori th m is anal yzed.The electromagnetic bearin g control sys tem based on TMS320F240is designed.The experi mental result shows that the DSP based di gital magnetic Levitatin g bearing control syste m features advantages of hi gh s tability,fast response and low noise.Key w ords DS P Di gital control Magnetic levitati ng bearing C on trollable rotati ng s peed0引言主动磁悬浮轴承(AMB,以下简称磁轴承)集电磁学、电子技术、转子动力学、控制理论以及计算机科学于一体,是代表性的机电一体化产品,具有无接触摩擦、高速度、高精度、不需润滑和密封等一系列优点,在交通、超高速超精密加工、航空航天等高科技领域有着广阔的应用前景。
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,但存在着参数调整不方便、硬件结构不易改变以及难以实现先进的控制算法(如非线性控制、模糊控制)等缺点。
从提高磁轴承性能、可靠性、增加控制器柔性和减小体积等角度出发,应考虑采用数字控制。
1磁轴承系统的组成和工作原理磁轴承系统由控制器、转子、电磁铁、位移传感器和功率放大器等组成。
对于这样一个复杂的机电磁综合系统,要精确地描述其数学模型是相当困难的。
通常的做法是在转子的平衡点附近线性化,也就是常用的单自由度磁轴承系统的分析方法[1],其结构图如图1所示。
图1单自由度磁轴承结构图工作原理:在偏置电流I的作用下,转子处于平衡位置x,设某一时刻出现一扰动力F x,使其偏离平衡位置,向下偏离距离为x,为使轴承能回到原来的平衡位置,必须加一个控制电流ic使电磁铁Ñ的磁力F1增加,电磁铁Ò的磁力F2减小。
此时转子所受的力为F=F 2-F 1+F x =L 0AN 24(I 0-i c )2(x 0-x )-(I 0+i c )2(x 0+x )2+F x (1)式中:L 0为真空导磁率;A 为磁极截面积;N 为电磁铁线圈的匝数。
若向相反方向偏,x 为负,i c 也为负,结果相仿。
将式(1)在平衡点处线性化,根据牛顿第二定律,在不考虑其他作用于物体上的力时,在x 方向上的力学方程为:m &x =C 1x -C 2#i c +F x(2)式中:C 1=L 0AN 2I 20/x 30,C 2=L 0A N 2I 0/x 20,它们分别为位移刚度系数和电流刚度系数。
对式(2)两边作Laplace 变换得:ms 2X (S)=C 1X(S)-C 2#I c (S)+F x (S)(3) 闭环传递函数结构框图如图2所示,其中U r (S )为参考位置设定信号的Laplace 变换函数,G c (S )为控制器(本文为PID)的传递函数,G p (S)为功率放大器的传递函数,G s (S )为传感器的传递函数,F x (S)为扰动力F x 的Laplace 变换函数,X (S)为位移x 的Laplace 变换函数。
图2 磁轴承闭环传递函数结构框图2 控制精度和可控转速的确定控制精度和转速是磁轴承系统的两个重要性能指标。
设A/D 转换器的位数为j 以及转换时间为t s (L s),系统的最高控制精度为E (L m),转子的可控转速为n k (r/min),功放的频响为f ,控制程序的指令数为m I ,单条指令的执行时间为t I ,传感器的灵敏度系数为K (mV/L m),输出为0~-24V,并假设每一自由度采用1个位置传感器,A/D 转换器对n 个自由度依次采样,根据采样定理,转子每转一周各个自由度须采样两次,推导它们之间的相互关系可得最高控制精度为E =24@1032j K(L m)(4)若用于转动控制,则最高可控转速为n k =30(t s +1/f +m I #t I )n@106(r/min )(5)可见系统控制精度E 与A/D 转换器的位数j 和传感器的灵敏度系数K 有关,要提高控制精度,可选用字长较长的A/D 转换器(如12位A/D 转换器)和高灵敏度的传感器;转子的最高可控转速与A/D 采样转换时间、控制程序的指令数目、功放的频响等因素有关,采样转换周期、程序运行时间越短,功放频响越高,可控转速越高。
3 系统的硬件设计本文采用美国德州仪器公司的TMS320F 240作为控制器的核心部件,其主要特性为¹主频为20MHz,单指令周期为50ns,且大部分指令在一个机器周期完成;º该芯片集成了2个8选1的10位A/D 转换器,最小转换时间为611L s;»具有6个完全比较单元可用于脉宽调制PW M 输出;¼带有16K 的Flash RO M 和544字的DARAM;½集成PLL 时钟、Watchdog 、EV 事件管理器等电路,这样可简化系统的硬件复杂度,提高系统的可靠性。
由于TMS320F 240共有6个完全比较单元,而5自由度磁轴承每个自由度有2组线圈,所以共需10个完全比较单元来控制P WM 输出。
有3种办法可以解决:¹采用2块DSP 进行分散控制,1块控制3个自由度,另一块控制2个自由度;º采用一个D/A 转换器和多路开关进行5个自由度输出切换;»每块DSP 控制1个自由度(共需5块DSP)。
本文的主要工作是采用D SP 技术对1个自由度的磁悬浮系统实施控制,其中利用TMS320F240集成的A/D 转换器和2个完全比较单元P WM 输出送至开关功放控制两个线圈的控制电流。
这样做无须将A/D 、D/A 和存储器扩展,便于编程。
同时TMS320F240的另一个A/D 转换器用来对同一个点采样,这样每个采样时刻均有两个值,误差信号可取其平均值,起到数字滤波作用。
设P WM 输出频率为10000Hz,控制程度等效指令为100~200条(等效指令是指按一定的比例,把调用、转移和返回指令折算成多条顺序执行的指令),传感器的灵敏度系数为8mV/L m,则根据式(4)和式(5)可得出最高控制精度为219L m 。
磁轴承的功率放大器目前采用的形式主要有开关功率放大器和模拟功率放大器两种形式。
其中,开关形式的功率放大器主要用在功率放大器的功率损耗大于016kVA 的条件下[2],适大功率场合,效率较高。
本磁轴承数字控制系统采用开关功率放大器,其电路图如图3所示,其中大功率管的指标为400V/20A 。
功放开关频率f k 应大于控制信号的上限截止频率f c 的5~10倍,即:f k \(5~10)f c考虑本系统的实际应用情况,功放的上限截止频率在1500~2000Hz,则开关频率设为20kHz较合适。
图3 开关功率放大器电路图4 系统的软件设计软件设计包括系统初始化、控制算法以及特殊状况(如溢出、掉电等)处理。
由于TMS320F240是基于C2000平台的,其软件设计支持ANSIC 或汇编语言编写。
比较而言,C 语言编写的程序可读性、可移植性强,且大大缩短了开发周期;缺点是执行效率低,程序出错时不易诊断。
汇编语言编写比较烦琐,以TMS320F240为例,它有3种寻址方式、86条基本指令,二者组合可多达200多条有效指令,因此对于用户来说,要掌握已不是一件易事,更谈不上灵活运用。
通常的做法是程序核心部分(即经常调用部分)采用汇编语言编写,以提高整个系统的执行效率,对实时性要求不高部分采用C 语言编写以降低程序的复杂度,并提高可读性和可修改性。
控制算法采用微分先行的实际微分PID [3],结构图如图4所示。
图4 微分先行的实际微分PID对应的增量算式:u d (n)=a 1u d (n -1)+a 2e(n)+a 3e(n -1)u i (n)=u i (n -1)+a 4u d (n)$u d (n)=u d (n)-u d (n -1)$u i (n)=u i (n)-u i (n -1)$u(n)=K p $u d (n)+$u i (n)u(n)=u(n -1)+$u(n)(6)式中:a 1=T d /(K d T +T d );a 2=K d /(T d +T )/(K d T+T d );a 3=-K d T d /(K d T +T d );a 4=K p T /T i ;T d 和T i 为微分和积分环节的时间常数;T 为采样周期;K d 和K p分别为微分和比例环节的增益。