6DOF磁悬浮轴承同步数据采集系统设计
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庆鼎（１９，９－），男，辽宁盖县人，教授，博士生导师。
万方数据
第１期
关新等：６－ＤＯＦ磁悬浮轴承同步数据采集系统设计
·７９·
力进行了论述。系统由控制器、转子和定子、传感 器、功率放大器组成。转子位置由传感器测得，并 将其偏差信号反馈给控制器，改变电磁铁吸引力， 从而使转子保持在平衡位置。
为简化计算，忽略了机械变形，视磁悬浮平台 为刚体。图中驱动三自由度平台的三个永磁直线电 机装置的定子为ｕ形结构的三边，动子为Ｔ形，并 在ｕ形空间中运动。工作平台与Ｔ形动子连接ｂ Ｊ。
大行程舅×Ｙ为１６０ ｍｉｌｌ×１６０ ｍｍ，‰＝５０ Ｖ， Ｌ＝２ Ａ，ａ＝２．１ ＩＩＩ，孑，Ｊ＝０．０５７ ５ ｋｇ·ｍ２，凡＝
７ Ｎ。ｍ＝３．３７ ｋｇｏ
在ｔ＝０．５ ｓ，给定石？＝３ ｍｉｌｌ，ｙ？＝０，妒？＝０ 时的ｘ方向位置响应曲线，如图５所示。
№．５
图５ Ｘ方向的晌应曲线 Ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ＯＬＩｉ＇Ｖｅ ｏｆ Ｘ ｄｉｒｅｍｏｎ
ｔｈｅ姗ｐｌｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ蛐．Ｔｈｅ ｎｏｕｓ．Ａｆｔｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ
ｄａｔｕｍ，ｔｈｅ ＤＳＰ ｓｉｖｅｓ Ｄ／Ａ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｔｒａｎｓｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｈｅｘａｄｅｃｉｍａｌ ｄａｔｕｍ ｔｏ ａｎａｌｏｇ
ｐ瞰ｍ懒ｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｇｏｆｔｗｓ．１℃ｉｓ ｄｏｗｎｌｏａｄｅｄ ｔｏ ａ １６ Ｋ ｆｌａｓｈ ＲＯＭ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎ ＤＳＰ ｗｉｔｈ ａ ＪＴＡＧ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｗｒｉｔｅ
产ｒ。由。 Ａ）（４）
由服磁能㈤方程式ｕ：＝吉等＝｛舄㈣
耻一掣ｈ。…＝ 能够计算出磁阻力：
一乏一１２貉Ａ‰：一。， ａ２由产ｏ。户ｒ‘。‘’２㈣‘）
（、６”）７
Ｆ№一ｉ１南． （７）
将式（２），式（３）代入式（７），得：
Ｆ埔２菰去习（‰峄一‰～ （８）
各参数值可参考文献［３］选择得到。Ｍ和，方 程如下：
Ｋｅｙ Ｗ０１血：ｐｌａｎａｒ ａｃｔｉｖｅ
ｓ培ｒｌｄ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；６ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ；ｓｙｎｃｈｒｏｍｍ柏ｍｐｉｌｅ
１引 言
主动磁悬浮轴承在国外的研究有较长的历史， 目前已进入应用阶段，而磁悬浮平台的研究，在国 外只有少数发达国家如法国、荷兰、美国等进行了 这方面的研究和设计，并取得了一定的成果。现在 磁悬浮技术已经成功应用于精密的运动控制中，但 对于这种具有较高运动速度、加速度的磁悬浮定位 平台，为了实现高精度的控制，它的机械耦合、速 度耦合及悬浮力耦合等不可忽略，必须采用复杂的 控制算法，如解耦控制等…，这就需要对多个传感 器信号进行同步采集，并实时运算，输出控制信 号，这说明实际应用时运算量较大、成本高。
为了便于观察，给出其稳态值附近的局部放大
曲线，如图６所示。
在ｔ＝Ｏ．５ ８时，给定Ｐ？＝０，菇：＝０，），：＝
１５ ｌｎｎｌ时的ｙ方向响应曲线，如图７所示。
万方数据
第１期
关新等：６－ＤＯＦ磁悬浮轴承同步数据采集系统设计
１６
●
１２
ｌ
、
奢ｓ
嚣 ｋ
４
·８１·
图６ ｘ方向响应曲线的局部放大
ｒ，ｇ．６ Ｔｈｅ ｐａｒｔｉａｌ ｅｎｌａｒｇｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｘ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
２００８年１月 第１５卷第１期
控制 工程 Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｒ西ｎｅｅｒｉＩｌｇ ｏｆ Ｃｈｉｎａ
Ｊａｎ．２ ０ ０ ８ Ｖ０１．１５，Ｎｏ．１
文章编号：１６７１．７８４８｛２００８）０１－００７８－０４
６－ＤＯＦ磁悬浮轴承同步数据采集系统设计
关新，郭庆鼎
（沈阳工业大学电气工程学院。辽宁沈阳１１００２３）
磁悬浮轴承系统由受控的电磁铁、检测转子位 移的传感器、控制器和功率放大器５个主要部分组 成。这个平台的关键是三套永磁直线悬浮电机驱Байду номын сангаас 装置，文献［２］中对磁场力提供悬浮力和水平驱动
收稿日期：２００６－１１．１３； 收修定稿日期：２００６－１１－２８ 基金项目：辽宁省教育厅基金资助项目（２００４１７０１４） 作者简介：关新（１９６６－）。女，辽宁丹东人，讲师，博士，主要从事电机与电器、鲁棒控制、智能控制等方面的教学与科研工作；郭
４软件设计思想
开机后系统正常工作，软件流程，如图４所 示。
鲎．
ｉ五
将采集刭的数据保存在片外ＲＡＭ
—寓—Ｔ一 数据回送ＰＣ机
图４软件流程图
ｒｉｇ．４ １１蟹ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ
一旦需要参数调整，就将ＣＯＭ口与通讯线连 接，运行调试软件，ＤＳＰ接到控制参数和运行命令 后就运行，且将传感器采集的信号存人数据存储 器。存满后，系统停止运行将数据传回计算机。计 算机对采集的现场信号分析、处理，工作人员进行 修改，为下次运行准备。本系统用汇编语言编写 ＤＳＰ系统软件，现场参数调试软件用Ｃ＋＋编写。
稳态值附近的局部放大曲线，如图８所示。
．图７ ｙ方向的响应曲线
魂·７ Ｔｉｌｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｌｌｒｖｅ ｏｆ Ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：
图８１ ｙ方向响应曲线的局部放大 Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｒａｒａａｉ ｅｎｌａｒｇｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
ＴＭＳ３２０Ｆ２４０有６个完全比较单元，而６自由度 磁悬浮轴承采用两块ＤＳＰ进行分散控制，一块控制 ３个自由度。由于应用了ＤＳＰ芯片，本文所设计的 磁悬浮系统外围电路得到了简化，提高了可靠性， 同时运算速度、控制精度也得到了较好改善。
２）Ｄ／Ａ转换模块 位置传感器采用磁涡流传 感器，用来检测Ｔ形动子三个端部的位置。’然后将 运算结果送Ｄ／Ａ转换为控制电压信号。
（、１３～）
ＬＹ＝Ｃｘ
式中，工＝（互声妒堡ｃｇｔ粥ａｔ孙ｒ；Ａ＝０ｒ。．Ｋ：）；
肚Ｉ．，‘Ｋ Ｊ。
ｍ料∽翥一斟㈢
３硬件设计
块‘４｜。 控制传感器信号的采样、运算。它集成了两个８选 个完全比较单元可用于脉宽调制ＰＷＭ的输出。带
·８０·
控制 工程
第１５卷
片将３个定时器、４个事件捕获单元、双１０位ＭＤ 转换器、１６个多路开关、１６ Ｋ的ＲＯＭ、ＳＣＩ与ＳＰＩ 接口集合成一体，简化了外围电路，提高了可靠 性、运算速度和控制精度ｂ］。
三边工作原理是相同的，因此只讨论模型左边 悬浮情况，如图２所示。
Ⅵ伍一
二回飓；一
（∞两边
图２ ＰＡＭＢ的左轴承
№．２ Ｔｈｅ ｌｅｆｔ ｂｅａ衄０ｆＰＡＭＢ
由图２可知：
Ｆ№＝Ｆ由．１．叩一，血．ｆ，曲。
（１）
声血．ｆ＇砷＝一‰＇ｊ．呻一屯，ｆ
（２）
庐酬，曲吼＝‰．ｊ．ｈ一声别
（３）
声＝Ⅳ．，，（南Ｐｏ＋赤Ｐｏ 用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ法则，得： 产，，岫。＾
ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，ｔｈｅ
ＤＳＰ ｓｙｓｔｅｆｎ ａｎｄ ＰＣ ｉｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂｙ ａ ＲＳ２３２Ｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ８ｃｈｅｌｌｌｅ ｈａｖｅ ｂｅｔｔｅｒ ｄｙ·
ｍ理脚ｂｅａｒｉｎｇ；ｄｉｓｉｔａｌ ｎ枷ｃ ｌｍｄ ｓｔａｌｉｃ ｃｈａｒ锄ｃｔｅ蒯ｃｓ．
软件采用ＪＴＡＧ接口下栽到ＤＳＰ的内部闪存。为了方便实时改写参数，还设计了ＤＳＰ与计算机
通讯接口。仿真结果表明，这种控制方案有较好的动态和静态特性。
关键词：主动磁悬浮轴承平台；数字信号处理；６自由度；同步采样
中图分类号：ＴＰ ７０３
文献标识码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ６一ＤＯＦ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｂｅａｒｉｎｇ
ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ，ａ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＰＡＭＢ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｄｉｇ眦ｓｉｇＩｌａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ
ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｏ ｓａｍｐｌｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ骶鹏。礴吕ｉｇｎａｌｓ．Ｔｗｏ ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｓ ａ砖ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎ ＤＳＰ ｔｏ ｓａｍｐｌｅ ｄａｍｎ ｓｙｎｅｈｒｏ·
摘
要：以６自由度磁悬浮定位平台控制系统为研究对象，结合被控对象的实际特点，在
平面磁悬浮平台（ＰＡＭＢ）数学模型的基础上。介绍了一种用于磁悬浮轴承实时控制的数据采集
与处理系统。采用ＩＹＳＰ作为主控单元，对传感器信号高速采集。由于Ａ／Ｄ集成在ＤＳＰ内部，
可以对两路信号精确同步采样。对数据进行运算后。实现Ｄ／Ａ转换输出控制电压信号。控常４
Ｄ／Ａ转换器采用的是ＤＡＣｌ２１０芯片。它具有１２ 位数据输入端，一个８位输入寄存器，一个４位输 入寄存器共同组成１２位数据输入寄存器。两个输 入寄存器的输入允许控制都要求ｃｓ和ＷＲ。为低电 平，其中８位输入寄存器的数据输入还要求Ｂｌ／Ｂ２ 端为高电平怕Ｊ。
３）通讯、存储器模块通讯模块包括一个 ＪＴＡＧ接口和一个ＲＳ２３２Ｃ串行通讯接口。其中 Ｊ’ｒＡＧ接口用于将程序从计算机下载到ＤＳＰ芯片的 闪存中；串行通讯接口用于在线测量磁悬浮轴承控 制参数。
同步数据采集与实时处理系统，如图３所示。
上
—删功率放大器｝＿ 叫Ａ／Ｄ卜－ 转换电路
、／／／／ 、
／ ／ｆ
位
▲。
机
ＤＳＰ
从Ｗ 控
苴
制
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－圆；）翰传冀掣 系
硝功率放大器匕－ 统
）
ｔｌｌ
／毫子．
，
Ｌ———一。。。
Ｆｉｇ．３
图３同步数据采集系统 Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ
采用ＡＴＭＥＬ公司生产的ＣＭＯＳ ＦＬＡＳＨ ＥＰＲＯＭ 芯片，即两片８位３２ Ｋ的ＡＴ２９Ｃ２５６组成１６位３２ Ｋ 存储器。由于它的扇区写特点，可使其中的１６ Ｋ 为片外程序存储器，用于ＤＳＰ系统的开发；另一部 分作为数据存储器保存磁悬浮轴承系统状态参数。
４）功率放大器模块 采用开关功率放大器， 其中大功率管的指标为４００ Ｖ／２０ Ａ。功率开关频率 Ｒ应大于控制信号上限截止频率Ｒ的８倍。
ａ２＝
ａ２
Ｋ·［三］＋五·［兰］＋Ｇ：．，·
ａ２拳 ａ２
（１２）
血
ａ２
ｒ ９．０３×ｌＯ＇０
式中，Ｋ＝ｌ ０
４．８２×ｌＯ＇
【一２２．１×１０３ ｏ 一 姗。碱
ｆ，ｌｏ·６
墨＝Ｉ一１．３４
Ｉ ｏ．５４
１ １０·６ ４２·５
１．３４ ０ ＩＯ ｏ．５３—４．２０Ｊ
所以ＰＡＭＢ的状态空间方程为
ｆ扛Ａｘ＋砌
５仿真结果
模型所表达的是转子重心的运动，且三个轴承 都有一个控制器［７］。控制器的主要目的是获得无接
触悬浮。当不考虑其他影响时，系统均为二阶系 统，各轴为ＰＤ调节器。其传函为Ｇ（ｓ）＝ｋ（嚣＋ １），其中，ｋ＝２ ５００，ｒ＝０．０２８ ３ ｓ。
选取特征方程为
ｓ２＋２洳。ｓ＋∞２。＝０
（１６）
选善＝０．７０７，ｃｃ，。＝５０，采用模型参数包括最
Ｍ＝
（、一‘。０‘． １２７０５＋ｙ’“一‘。０’１２７０５一，，’一一（Ｏ．（。．０。一９髫９一），髫））×Ｆ ．
（９）
Ｆ＝一以＋Ｆ№＋Ｆ鳓＋，ｕ
（１０）
式中，Ｌ＝３４．３４ Ｎ，为作用在转子上的重力。
将方程式（９），式“０）整理得：
万方数据
Ｍ岍Ｇ＝，争
…）
·不考虑磁路的影响，则三个端部的力Ｆ分别 可做如下线性化处理得：
ＣＡ／ＡＮ Ｘｉｎ，ＧＵＯ Ｑｉｎｇ－ｄｉｎｇ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ聊Ｉｌ嗍吨，Ｓｈｅｎｙａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ０ｆ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ《Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１（１Ｙ２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂ武嘣：６－ＤＯＦ ｐｌａｎａｒ ａｃｔｉｖｅ ｎｌａｇｌｌ胡Ｃ ｂｅａｒｉｎｇ（ＰＡＭＢ）ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｋ哦ＩｃｔｅＩｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｂｊｅｃｔ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ａｃ－
为解决这些问题，提高伺服系统性能，并在被 控对象的参数变化时快速处理并保证系统稳定，顺 利实现复杂控制算法，以６自由度磁悬浮平台为研 究对象，设计了同步数据采集与实时处理系统。
２磁悬浮平台系统（ＰＡＭＢ）结构 磁悬浮平台的系统结构，如图１所示。
图１磁悬浮系统结构图
№．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ￥１１￥ｐｅ戚ｏａ ｓｙｓｔｅｍ
万方数据
第１期
关新等：６－ＤＯＦ磁悬浮轴承同步数据采集系统设计
·７９·
力进行了论述。系统由控制器、转子和定子、传感 器、功率放大器组成。转子位置由传感器测得，并 将其偏差信号反馈给控制器，改变电磁铁吸引力， 从而使转子保持在平衡位置。
为简化计算，忽略了机械变形，视磁悬浮平台 为刚体。图中驱动三自由度平台的三个永磁直线电 机装置的定子为ｕ形结构的三边，动子为Ｔ形，并 在ｕ形空间中运动。工作平台与Ｔ形动子连接ｂ Ｊ。
大行程舅×Ｙ为１６０ ｍｉｌｌ×１６０ ｍｍ，‰＝５０ Ｖ， Ｌ＝２ Ａ，ａ＝２．１ ＩＩＩ，孑，Ｊ＝０．０５７ ５ ｋｇ·ｍ２，凡＝
７ Ｎ。ｍ＝３．３７ ｋｇｏ
在ｔ＝０．５ ｓ，给定石？＝３ ｍｉｌｌ，ｙ？＝０，妒？＝０ 时的ｘ方向位置响应曲线，如图５所示。
№．５
图５ Ｘ方向的晌应曲线 Ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ＯＬＩｉ＇Ｖｅ ｏｆ Ｘ ｄｉｒｅｍｏｎ
ｔｈｅ姗ｐｌｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ蛐．Ｔｈｅ ｎｏｕｓ．Ａｆｔｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ
ｄａｔｕｍ，ｔｈｅ ＤＳＰ ｓｉｖｅｓ Ｄ／Ａ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｔｒａｎｓｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｈｅｘａｄｅｃｉｍａｌ ｄａｔｕｍ ｔｏ ａｎａｌｏｇ
ｐ瞰ｍ懒ｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｇｏｆｔｗｓ．１℃ｉｓ ｄｏｗｎｌｏａｄｅｄ ｔｏ ａ １６ Ｋ ｆｌａｓｈ ＲＯＭ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎ ＤＳＰ ｗｉｔｈ ａ ＪＴＡＧ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｗｒｉｔｅ
产ｒ。由。 Ａ）（４）
由服磁能㈤方程式ｕ：＝吉等＝｛舄㈣
耻一掣ｈ。…＝ 能够计算出磁阻力：
一乏一１２貉Ａ‰：一。， ａ２由产ｏ。户ｒ‘。‘’２㈣‘）
（、６”）７
Ｆ№一ｉ１南． （７）
将式（２），式（３）代入式（７），得：
Ｆ埔２菰去习（‰峄一‰～ （８）
各参数值可参考文献［３］选择得到。Ｍ和，方 程如下：
Ｋｅｙ Ｗ０１血：ｐｌａｎａｒ ａｃｔｉｖｅ
ｓ培ｒｌｄ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；６ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ；ｓｙｎｃｈｒｏｍｍ柏ｍｐｉｌｅ
１引 言
主动磁悬浮轴承在国外的研究有较长的历史， 目前已进入应用阶段，而磁悬浮平台的研究，在国 外只有少数发达国家如法国、荷兰、美国等进行了 这方面的研究和设计，并取得了一定的成果。现在 磁悬浮技术已经成功应用于精密的运动控制中，但 对于这种具有较高运动速度、加速度的磁悬浮定位 平台，为了实现高精度的控制，它的机械耦合、速 度耦合及悬浮力耦合等不可忽略，必须采用复杂的 控制算法，如解耦控制等…，这就需要对多个传感 器信号进行同步采集，并实时运算，输出控制信 号，这说明实际应用时运算量较大、成本高。
为了便于观察，给出其稳态值附近的局部放大
曲线，如图６所示。
在ｔ＝Ｏ．５ ８时，给定Ｐ？＝０，菇：＝０，），：＝
１５ ｌｎｎｌ时的ｙ方向响应曲线，如图７所示。
万方数据
第１期
关新等：６－ＤＯＦ磁悬浮轴承同步数据采集系统设计
１６
●
１２
ｌ
、
奢ｓ
嚣 ｋ
４
·８１·
图６ ｘ方向响应曲线的局部放大
ｒ，ｇ．６ Ｔｈｅ ｐａｒｔｉａｌ ｅｎｌａｒｇｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｘ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
２００８年１月 第１５卷第１期
控制 工程 Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｒ西ｎｅｅｒｉＩｌｇ ｏｆ Ｃｈｉｎａ
Ｊａｎ．２ ０ ０ ８ Ｖ０１．１５，Ｎｏ．１
文章编号：１６７１．７８４８｛２００８）０１－００７８－０４
６－ＤＯＦ磁悬浮轴承同步数据采集系统设计
关新，郭庆鼎
（沈阳工业大学电气工程学院。辽宁沈阳１１００２３）
磁悬浮轴承系统由受控的电磁铁、检测转子位 移的传感器、控制器和功率放大器５个主要部分组 成。这个平台的关键是三套永磁直线悬浮电机驱Байду номын сангаас 装置，文献［２］中对磁场力提供悬浮力和水平驱动
收稿日期：２００６－１１．１３； 收修定稿日期：２００６－１１－２８ 基金项目：辽宁省教育厅基金资助项目（２００４１７０１４） 作者简介：关新（１９６６－）。女，辽宁丹东人，讲师，博士，主要从事电机与电器、鲁棒控制、智能控制等方面的教学与科研工作；郭
４软件设计思想
开机后系统正常工作，软件流程，如图４所 示。
鲎．
ｉ五
将采集刭的数据保存在片外ＲＡＭ
—寓—Ｔ一 数据回送ＰＣ机
图４软件流程图
ｒｉｇ．４ １１蟹ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ
一旦需要参数调整，就将ＣＯＭ口与通讯线连 接，运行调试软件，ＤＳＰ接到控制参数和运行命令 后就运行，且将传感器采集的信号存人数据存储 器。存满后，系统停止运行将数据传回计算机。计 算机对采集的现场信号分析、处理，工作人员进行 修改，为下次运行准备。本系统用汇编语言编写 ＤＳＰ系统软件，现场参数调试软件用Ｃ＋＋编写。
稳态值附近的局部放大曲线，如图８所示。
．图７ ｙ方向的响应曲线
魂·７ Ｔｉｌｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｌｌｒｖｅ ｏｆ Ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：
图８１ ｙ方向响应曲线的局部放大 Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｒａｒａａｉ ｅｎｌａｒｇｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
ＴＭＳ３２０Ｆ２４０有６个完全比较单元，而６自由度 磁悬浮轴承采用两块ＤＳＰ进行分散控制，一块控制 ３个自由度。由于应用了ＤＳＰ芯片，本文所设计的 磁悬浮系统外围电路得到了简化，提高了可靠性， 同时运算速度、控制精度也得到了较好改善。
２）Ｄ／Ａ转换模块 位置传感器采用磁涡流传 感器，用来检测Ｔ形动子三个端部的位置。’然后将 运算结果送Ｄ／Ａ转换为控制电压信号。
（、１３～）
ＬＹ＝Ｃｘ
式中，工＝（互声妒堡ｃｇｔ粥ａｔ孙ｒ；Ａ＝０ｒ。．Ｋ：）；
肚Ｉ．，‘Ｋ Ｊ。
ｍ料∽翥一斟㈢
３硬件设计
块‘４｜。 控制传感器信号的采样、运算。它集成了两个８选 个完全比较单元可用于脉宽调制ＰＷＭ的输出。带
·８０·
控制 工程
第１５卷
片将３个定时器、４个事件捕获单元、双１０位ＭＤ 转换器、１６个多路开关、１６ Ｋ的ＲＯＭ、ＳＣＩ与ＳＰＩ 接口集合成一体，简化了外围电路，提高了可靠 性、运算速度和控制精度ｂ］。
三边工作原理是相同的，因此只讨论模型左边 悬浮情况，如图２所示。
Ⅵ伍一
二回飓；一
（∞两边
图２ ＰＡＭＢ的左轴承
№．２ Ｔｈｅ ｌｅｆｔ ｂｅａ衄０ｆＰＡＭＢ
由图２可知：
Ｆ№＝Ｆ由．１．叩一，血．ｆ，曲。
（１）
声血．ｆ＇砷＝一‰＇ｊ．呻一屯，ｆ
（２）
庐酬，曲吼＝‰．ｊ．ｈ一声别
（３）
声＝Ⅳ．，，（南Ｐｏ＋赤Ｐｏ 用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ法则，得： 产，，岫。＾
ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，ｔｈｅ
ＤＳＰ ｓｙｓｔｅｆｎ ａｎｄ ＰＣ ｉｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂｙ ａ ＲＳ２３２Ｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ８ｃｈｅｌｌｌｅ ｈａｖｅ ｂｅｔｔｅｒ ｄｙ·
ｍ理脚ｂｅａｒｉｎｇ；ｄｉｓｉｔａｌ ｎ枷ｃ ｌｍｄ ｓｔａｌｉｃ ｃｈａｒ锄ｃｔｅ蒯ｃｓ．
软件采用ＪＴＡＧ接口下栽到ＤＳＰ的内部闪存。为了方便实时改写参数，还设计了ＤＳＰ与计算机
通讯接口。仿真结果表明，这种控制方案有较好的动态和静态特性。
关键词：主动磁悬浮轴承平台；数字信号处理；６自由度；同步采样
中图分类号：ＴＰ ７０３
文献标识码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ６一ＤＯＦ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｂｅａｒｉｎｇ
ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ，ａ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＰＡＭＢ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｄｉｇ眦ｓｉｇＩｌａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ
ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｏ ｓａｍｐｌｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ骶鹏。礴吕ｉｇｎａｌｓ．Ｔｗｏ ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｓ ａ砖ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎ ＤＳＰ ｔｏ ｓａｍｐｌｅ ｄａｍｎ ｓｙｎｅｈｒｏ·
摘
要：以６自由度磁悬浮定位平台控制系统为研究对象，结合被控对象的实际特点，在
平面磁悬浮平台（ＰＡＭＢ）数学模型的基础上。介绍了一种用于磁悬浮轴承实时控制的数据采集
与处理系统。采用ＩＹＳＰ作为主控单元，对传感器信号高速采集。由于Ａ／Ｄ集成在ＤＳＰ内部，
可以对两路信号精确同步采样。对数据进行运算后。实现Ｄ／Ａ转换输出控制电压信号。控常４
Ｄ／Ａ转换器采用的是ＤＡＣｌ２１０芯片。它具有１２ 位数据输入端，一个８位输入寄存器，一个４位输 入寄存器共同组成１２位数据输入寄存器。两个输 入寄存器的输入允许控制都要求ｃｓ和ＷＲ。为低电 平，其中８位输入寄存器的数据输入还要求Ｂｌ／Ｂ２ 端为高电平怕Ｊ。
３）通讯、存储器模块通讯模块包括一个 ＪＴＡＧ接口和一个ＲＳ２３２Ｃ串行通讯接口。其中 Ｊ’ｒＡＧ接口用于将程序从计算机下载到ＤＳＰ芯片的 闪存中；串行通讯接口用于在线测量磁悬浮轴承控 制参数。
同步数据采集与实时处理系统，如图３所示。
上
—删功率放大器｝＿ 叫Ａ／Ｄ卜－ 转换电路
、／／／／ 、
／ ／ｆ
位
▲。
机
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Ｆｉｇ．３
图３同步数据采集系统 Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ
采用ＡＴＭＥＬ公司生产的ＣＭＯＳ ＦＬＡＳＨ ＥＰＲＯＭ 芯片，即两片８位３２ Ｋ的ＡＴ２９Ｃ２５６组成１６位３２ Ｋ 存储器。由于它的扇区写特点，可使其中的１６ Ｋ 为片外程序存储器，用于ＤＳＰ系统的开发；另一部 分作为数据存储器保存磁悬浮轴承系统状态参数。
４）功率放大器模块 采用开关功率放大器， 其中大功率管的指标为４００ Ｖ／２０ Ａ。功率开关频率 Ｒ应大于控制信号上限截止频率Ｒ的８倍。
ａ２＝
ａ２
Ｋ·［三］＋五·［兰］＋Ｇ：．，·
ａ２拳 ａ２
（１２）
血
ａ２
ｒ ９．０３×ｌＯ＇０
式中，Ｋ＝ｌ ０
４．８２×ｌＯ＇
【一２２．１×１０３ ｏ 一 姗。碱
ｆ，ｌｏ·６
墨＝Ｉ一１．３４
Ｉ ｏ．５４
１ １０·６ ４２·５
１．３４ ０ ＩＯ ｏ．５３—４．２０Ｊ
所以ＰＡＭＢ的状态空间方程为
ｆ扛Ａｘ＋砌
５仿真结果
模型所表达的是转子重心的运动，且三个轴承 都有一个控制器［７］。控制器的主要目的是获得无接
触悬浮。当不考虑其他影响时，系统均为二阶系 统，各轴为ＰＤ调节器。其传函为Ｇ（ｓ）＝ｋ（嚣＋ １），其中，ｋ＝２ ５００，ｒ＝０．０２８ ３ ｓ。
选取特征方程为
ｓ２＋２洳。ｓ＋∞２。＝０
（１６）
选善＝０．７０７，ｃｃ，。＝５０，采用模型参数包括最
Ｍ＝
（、一‘。０‘． １２７０５＋ｙ’“一‘。０’１２７０５一，，’一一（Ｏ．（。．０。一９髫９一），髫））×Ｆ ．
（９）
Ｆ＝一以＋Ｆ№＋Ｆ鳓＋，ｕ
（１０）
式中，Ｌ＝３４．３４ Ｎ，为作用在转子上的重力。
将方程式（９），式“０）整理得：
万方数据
Ｍ岍Ｇ＝，争
…）
·不考虑磁路的影响，则三个端部的力Ｆ分别 可做如下线性化处理得：
ＣＡ／ＡＮ Ｘｉｎ，ＧＵＯ Ｑｉｎｇ－ｄｉｎｇ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ聊Ｉｌ嗍吨，Ｓｈｅｎｙａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ０ｆ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ《Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１（１Ｙ２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂ武嘣：６－ＤＯＦ ｐｌａｎａｒ ａｃｔｉｖｅ ｎｌａｇｌｌ胡Ｃ ｂｅａｒｉｎｇ（ＰＡＭＢ）ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｋ哦ＩｃｔｅＩｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｂｊｅｃｔ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ａｃ－
为解决这些问题，提高伺服系统性能，并在被 控对象的参数变化时快速处理并保证系统稳定，顺 利实现复杂控制算法，以６自由度磁悬浮平台为研 究对象，设计了同步数据采集与实时处理系统。
２磁悬浮平台系统（ＰＡＭＢ）结构 磁悬浮平台的系统结构，如图１所示。
图１磁悬浮系统结构图
№．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ￥１１￥ｐｅ戚ｏａ ｓｙｓｔｅｍ