磁轴承数字控制系统介绍

二自由度交流混合磁轴承数字控制系统构成

1 二自由度交流混合磁轴承控制系统原理图

根据二自由度交流混合磁轴承系统的数学模型建立控制系统原理图如图1。

2 控制系统硬件

控制系统硬件框图如图2所示，

由磁轴承转子系统、DSP 控制器、三相功率驱动电路、位移传感器、接口

电路等构成。

DSP 控制器采用TMS320F2812，它是TI 公司最新推出的TMS320C28x

系列之一，是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP 芯片，内含闪存以及高达150MIPS 的信号处理

器，专为工业自动化、光学网络及自动化控制等应用而设计。TMS320F2812最高主频150MHz ，保证了处理信号的快速性和实时性，尤其是在磁悬浮系统的控制中，高速的信号可以提供实时的位置信息，保证控制信号响应的快速性。两个事件管理器模块为电机及功率变换控制提供

了良好的控制功能，16通道高性能12

位ADC 单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样，

串行口有CAN ，McBSP ，SPI ，2 SCIs ，充分保证了通讯的方便。

为了提高X 和Y 方向位移的测量

精度，在每个方向上安装了两个位移

传感器进行差动测量。DSP 的ADC 模块的输入电压范围为0~3V ，因此需将位移传感器检测到的电压信号经过一系列的处理，才可以送入DSP 。图2中位移接口电路的作用是将电涡流传感器检测到位移信号经过差动放大和偏置调节后转变成幅值在0~3V 之间的电压信号输入到DSP 中进行采样处理。电流检测电路是用两个霍尔电流传感器检测u 、v 两相电流，并通过采样电阻将电流信息转化为电压信息，并将电压转化到[0，3V]范围内送入DSP 。ADC

图1 二自由度交流混合磁轴承控制原理图

图2 控制系统硬件框图

模块中ADCINB0和ADCINB1通道用于接收x和y的位移信号，ADCINA0和ADCINA1通道用于接收反馈电流信号。DSP的事件管理器A输出六路PWM信号经过光耦隔离后驱动IPM中六个功率管的导通与关断，IPM的三路输出直接控制磁轴承的悬浮。本文中CRPWM是通过软件来实现的。光耦隔离电路主要用于控制电路与驱动电路隔离。故障保护电路用于控制电路欠压保护，过流，过热、短路等故障保护；IPM故障信号经隔离后，硬件封锁六路驱动信号，并且接至DSP的PDPINTA引脚，当出现过流、过热等故障时，也可以通过PDPINTA引脚触发系统中断。

3 控制系统的软件

作为一个系统，它的软件包括系统初始化，控制算法和特殊情况（如掉电、溢出等）处理。TMS320F2812 是基于C2000的开发环境，可以用汇编语言和C/C++语言进行开发，C/C++语言开发周期短、可读性和可移植性强，且与其它型号的DSP相比，F2812 DSP处理采用C/C++ 编写的软件，效率非常高，因此本系统大部分程序采用C语言编写，调用频繁的部分用汇编语言编写。

控制系统软件由主程序和中断服务子程序模块组成，主程序主要完成中断矢量的声明，内存变量的定义，各个功能模块的初始化等工作，中断服务程序主要完成控制算法的处理及串行通信等工作。本文采用通用定时器连续增/减计数模式，下溢中断触发AD转换，AD的采样周期为100μs，当通用定时器1的计数器值下溢时，T1UFINT中断产生，在初始化好EV A中断事件触发AD转换的前提下，DSP的CPU硬件自动将对应该事件的外设中断向量加载，之后直接跳转到此中断向量所指的中断处理子程序进行中断处理。

主程序的流程图如

图3所示。各个初始化模

块编成独立的子程序，主

程序采用调用各个子模

块的方式，因此各个部分

显得简洁、紧凑，便于修

改和调试。中断服务程序

由主中断服务子程序，接

收中断服务子程序和发

送中断服务子程序组成。

主中断服务子程序的流

程图如图4所示，发送中

断服务子程序主要将

A/D四路采样值发送给

PC机，显示于VB界面

中（如图5），可以实时

观测转子位移与控制电

流的值，接收中断服务子

程序主要是接收PID控

图5 VB测试界面

制器的参数，在计算模块中进行PID计算，利用VB界面，可以实时修改控制器参数，极大地方便了程序的调试。

4 实验结果

程序编写好后，编译连接并通过。然后对目标板上电，通过JTAG 及仿真器加载上面的程序，运行。用示波器测试波形。

系统控制模块初始

化

开始

设置GPIO 功能

PIE 控制器及向量表

初始化

EVA 、ADC 、SCI 等

模块初始化

开中断定时器开始计数

是否结束

Y

N

结束

图3 主程序流程图

进入中断子程序

取接收中断子程序中接收到的PID 控

制器参数

A/D 转换是否完毕

中断标志置1

读取并修正电流与位移采样值

与给定值比较

PID 控制运算

力/电流转换

电流滞环比较输出PWM 信号

记录预发送电流与位移采样值（这些数据在发送中断子程序中发送给PC 机）

清除定时器1下溢中

断标志

返回

Y

N

图4 主中断服务子程序流程图

（a ） (b)

图6 转子稳定悬浮时，位移和电流波形

图6（a）是磁悬浮转子稳定悬浮时，X和Y方向位移曲线波形，X方向位移波形在1.5V 上下剧烈抖动，Y方向位移波形在1.45V上下剧烈抖动。在接口电路调试时将0V表示转子最大正偏移，3V表示最大负偏移，试验表明转子在平衡位置附近振动，即实现了两自由度稳定悬浮控制。图6（b）是磁悬浮转子稳定悬浮时，电流i u、i v波形，i w的电流可以通过计算获得。根据电流接口电路中霍尔电流传感器输出电压与初级电流的关系曲线，输出电压为2.5V时，表示电流为0 A，可以算得三相控制电流分别为0.704A，0.096A，-0.8A。控制电流产生的合力与转子的重力相抵消。永磁体提供静态偏磁磁通使转子无接触地稳定悬浮于中心位置。

（a）（b）

图7 给定一个扰动时，X和Y方向的位移波形

图7（a）是X方向给定一个扰动时，x和y的位移波形，图7（b）是Y方向给定一个扰动时，x和y的位移波形，试验表明控制系统能够对检测到的传感器信号做出快速响应，使转子快速恢复到平衡位置。

图8为实验时转子在X方向上的的起浮

曲线，从图中看出开始转子偏向一边，施加

控制力后转子开始波动，而后快速回复到中

心位置，转子平稳悬浮。

图8 转子起浮曲线