工控dsp在電磁軸承中的應(yīng)用景敏卿劉祖軍虞烈一種新的數(shù)字控制器，重點(diǎn)從控制器硬件、軟件結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了討論，并介紹了調(diào)試方法和試驗(yàn)結(jié)果。由于工業(yè)控制專用的dsp芯片集成了閃存、a/dpwm看門狗和許多通訊通道，因而新開發(fā)的數(shù)字控制器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且其速度和可靠性也得到提高。使用簡(jiǎn)單的數(shù)字pid控制算法，可實(shí)現(xiàn)5kg轉(zhuǎn)子的五自由度穩(wěn)定起浮這種數(shù)字控制系統(tǒng)可作為開發(fā)和實(shí)施實(shí)時(shí)控制策略實(shí)現(xiàn)電磁軸承產(chǎn)品工程化的實(shí)用平臺(tái)，也景敏卿副教授可以替代現(xiàn)有的模擬控制系統(tǒng)近年來(lái)電磁軸承的數(shù)字控制發(fā)展很快，在國(guó)外，已出現(xiàn)了高度集成系列化、規(guī)格化的數(shù)字控制器，所用的控制規(guī)律已發(fā)展到現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制非線性控制-分析方法等，而數(shù)字控制器大多數(shù)是基于數(shù)字信號(hào)處理器（digitalsignalprocessor，dsp），也有基于pc機(jī)的數(shù)子控制器在國(guó)內(nèi)，電磁軸承的數(shù)字控制發(fā)展較慢，大多數(shù)仍然停留在將模擬pid數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)室階段，數(shù)字控制器設(shè)計(jì)采用了dsp技術(shù)，但是硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜為了滿足實(shí)用性新型渦輪膨脹機(jī)組工業(yè)樣機(jī)數(shù)字控制的要求，筆者采用工控tms320f240來(lái)設(shè)計(jì)、開發(fā)了硬件結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的數(shù)字控制器，并采用數(shù)字pid策略構(gòu)建軟件框架，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的正常懸浮和運(yùn)轉(zhuǎn)，可望成為開發(fā)和應(yīng)用實(shí)時(shí)控制策略的實(shí)用平臺(tái)。

1控制系統(tǒng)組成電磁軸承作為機(jī)電一體化的復(fù)雜系統(tǒng)，具有本質(zhì)不穩(wěn)定性，采用pd或pid控制則可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。pid的傳遞函數(shù)為加入的一個(gè)小的慣性環(huán)節(jié)。

其中，i環(huán)節(jié)用來(lái)消除靜態(tài)誤差基金項(xiàng)目：“九五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃（98-采用數(shù)字控制的電磁軸承一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)示意圖數(shù)字控制部分（虛線框內(nèi)）由工控芯片dsp及接口電路組成，完成信號(hào)采集、控制運(yùn)算、pwm轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)調(diào)試等功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁軸承的各種策略的控制；功率放大器采用pwm信號(hào)控制的大功率開關(guān)功放；位移傳感器是非接觸式渦流傳感器。

和常用的數(shù)字控制器結(jié)構(gòu)相比，中有幾點(diǎn)不同：①采用工業(yè)控制專用芯片tms320f240作為控制核心，以提高數(shù)字控制器的速度和可靠性；②a/d數(shù)據(jù)采集和pwm數(shù)字輸出均集成在dsp中，實(shí)現(xiàn)米集一計(jì)算一輸出的最佳協(xié)調(diào)；③串口的設(shè)計(jì)，使得上位機(jī)可對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，包括轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)控制策略的選擇、位置的修改相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，另外，也可獲取積累的信息，方便電磁軸承系統(tǒng)的建模、分析，發(fā)展為網(wǎng)上監(jiān)控也很容易；④數(shù)字控制器直接提供pwm控制信號(hào)，可直接和開關(guān)功放單元連接，減少了中間環(huán)節(jié)，有利于提高整個(gè)控制系統(tǒng)的頻響。

2控制器硬件設(shè)計(jì)電磁軸承數(shù)字控制器是一個(gè)五自由度輸入/五自由度輸出的測(cè)控器。對(duì)于每個(gè)自由度的輸入輸出考慮如下：①輸入為4路，即2路位移信號(hào)（可用于差動(dòng)或冗余處理），2路線圈電流信號(hào)；②輸出為2路，即2路pwm信號(hào)（用于功放控制以驅(qū)動(dòng)2個(gè)線圈）另外，考慮到控制速度、存儲(chǔ)容量信息交換等，采用了雙tms320f240構(gòu)建電磁軸承數(shù)字控制器，具體硬件結(jié)構(gòu)框圖見峨32接外擴(kuò)1公共數(shù)據(jù)區(qū)1擴(kuò)嫌存電貯電一路|蒙路上下電磁鐵電流遠(yuǎn)不夠的，需要對(duì)tms320f240擴(kuò)展以獲得較大的存儲(chǔ)空間；另外，使用雙dsp處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，無(wú)論是采用并行控制方式，還是主從式處理方式，dsp間都不可避免地要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換及相互間的握手通信，為此，在dsp之間也設(shè)計(jì)一個(gè)公共數(shù)據(jù)區(qū)，以實(shí)現(xiàn)二者間的數(shù)據(jù)共享輸入和輸出接口是數(shù)字控制器信息出入的匹配端口輸入的位移和電流信號(hào)通過電平位移、比例變換、電流轉(zhuǎn)換、濾波等后變成為0~5v的電壓信號(hào)再進(jìn)入片內(nèi)a/d；輸出的pwm信號(hào)經(jīng)過信號(hào)復(fù)制功率放大方可驅(qū)動(dòng)后級(jí)的功率放大器。

可通過tms320的串口與pc機(jī)進(jìn)行通訊，以在線實(shí)施控制參數(shù)的修改、運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)等。這里只需將tms320的串口信號(hào)按rs232的規(guī)范進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)為了構(gòu)建控制器軟件框架，使程序易于編寫、查錯(cuò)、測(cè)試和維護(hù)，便于修改、更新和擴(kuò)充，采用了模塊化設(shè)計(jì)，將整個(gè)軟件劃分為初始化模塊（包括所有dsp的基本輸入輸出單元的初始設(shè)置、外擴(kuò)單元的檢測(cè)），控制參數(shù)管理模塊（控制參數(shù)檢查、初始化、修改），數(shù)據(jù)采集模塊，pwm輸出控制模塊，數(shù)據(jù)處理模塊（工程變換、濾波等），控制算法模塊，通訊模塊，主控模塊其中，控制算法模塊為數(shù)字pid控制器采用后向差分法，對(duì)模擬pid控制器的傳遞函數(shù)進(jìn)行離散等效采樣周期設(shè)為t，令s=基于tms320f240的數(shù)字控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖t，可得pid并聯(lián)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)差分方程：品，專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)，它提供了業(yè)界成本最低、涉及最廣的數(shù)字化控制解決方案，在速度、精度、性能、擴(kuò)展等方面具有諸多優(yōu)勢(shì)：50ns指令周期，片內(nèi)a/d轉(zhuǎn)換和pwm通道、32k片內(nèi)flash eeprom244kw的尋址空間、串行通信接口、豐富的指令集等。a/d模塊由2路10位a/d轉(zhuǎn)換器組成，每8個(gè)模擬輸入使用一路a/d轉(zhuǎn)換器，2路a/d轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)同步采樣，采樣間隔最小為6spwm模塊由2個(gè)全比較和2個(gè)簡(jiǎn)單比較單元組成，可以產(chǎn)生對(duì)稱和不對(duì)稱pwm波，3個(gè)定時(shí)器可為pwm提供時(shí)鐘基準(zhǔn)以及進(jìn)行pwm基波周期和脈沖寬度控制等。所以，tms320f240是電磁軸承數(shù)字控制的首選芯片為了能實(shí)施復(fù)雜的控制算法和大量的數(shù)據(jù)處理計(jì)劃，dsp內(nèi)部的ram在很多應(yīng)用場(chǎng)合是遠(yuǎn)y分別為第k次的輸入值'輸出值。

在這種方法的調(diào)節(jié)器中，比例、微分和積分3個(gè)部分互相獨(dú)立，有利于系統(tǒng)參數(shù)的整定，同時(shí)各系數(shù)對(duì)極點(diǎn)的靈敏度也相對(duì)比較弱，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定由于2路a/d并行采集，每個(gè)自由度a/d采集運(yùn)算、pwm輸出的時(shí)間可控制在20ms，當(dāng)采用中斷提前采集方式時(shí)，為下一自由度進(jìn)行的a/d采集時(shí)間與當(dāng)前的運(yùn)算控制時(shí)間相重合，每個(gè)自由度所花費(fèi)的時(shí)間還可縮短。故此，5個(gè)自由度每測(cè)控一次的時(shí)間為100ms，即采樣周期t=分買驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線（偏置電流為5a，pwm載頻40khz，工作電壓為65 4調(diào)試和結(jié)論由于以上控制算法及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是在將電磁軸承系統(tǒng)作為一個(gè)完全解耦的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成的，所以可先調(diào)試1個(gè)自由度的數(shù)字控制，其余自由度使用模擬pid控制，調(diào)試成功后以此為基礎(chǔ)，再調(diào)試其余4個(gè)自由度首先在tms320f240的微處理器模，取掉dsp仿真器，工作方式開關(guān)選擇微計(jì)算機(jī)模式（microcomputer），上電復(fù)位后，數(shù)字控制器正常工作，控制的效果和調(diào)試的最后結(jié)果一致數(shù)字控制用的轉(zhuǎn)子重量為8.6kg，長(zhǎng)度為420mm，直徑為60mm；2個(gè)徑向磁軸承的工作氣隙為0. 27mm；使用的功率放大器pwm載頻為20 v下面是部線圈電流i和pwm占空比z的關(guān)系曲線某自由度的控制參數(shù)如下：米樣周期q1ms；比例系數(shù)2；積分時(shí)間常數(shù)ti（=kp/k；）=0.062s；微分時(shí)間常數(shù)td（=kd/kp）=q125s；微分中的慣性環(huán)節(jié)td=0.25s電磁軸承的啟動(dòng)特性參數(shù)如下：?jiǎn)?dòng)時(shí)間q51s；上升時(shí)間0.；振蕩次數(shù)為2應(yīng)用表明，采用雙dsp設(shè)計(jì)的電磁軸承數(shù)字控制器，具有快速控制計(jì)算、高速數(shù)據(jù)采集和可靠的數(shù)字輸出能力，可直接和位置檢測(cè)單元、開關(guān)功放單元連接，電磁軸承的位置檢測(cè)j一控制計(jì)算一輸出控制的整個(gè)周期時(shí)間最快可達(dá)80s，完全適合電磁軸承的控制；在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)及pwm控制環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)配合下，采用數(shù)字pid策略形成了控制軟件框架，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的正常懸浮，并取得較好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性；用于上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控的串口，具有正常的數(shù)據(jù)交換能力。整個(gè)數(shù)字控制器由設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過了調(diào)試和試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了初步目的一一基本通用控制平臺(tái)的建立，為下一步的控制策略研究開發(fā)和使用微機(jī)對(duì)本控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制提供了方便的軟硬件開發(fā)環(huán)境。