（机械设计及理论专业论文）基于pc机的磁悬浮轴承实时控制系统的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文根据磁悬浮轴承p c 机实时控制系统的要求，成功研制了用于p c 机实 时控制系统的p c i 控制卡，该控制卡具有8 路1 0 位a d 采样通道、8 路1 2 位 d a 输出通道，并运用捕获方式实现了转速测量功能；其中a d 采样部分，通 过采用干扰避开法实现了多通道同步集中采样和多通道同步分散采样技术，解 决了丌关功率放大器对控制系统的干扰问题：d a 输出部分，可以实现多通道集 中输出，也可以多通道分散输出；满足了磁悬浮轴承集中控制和分散控制的要 求。并在d o s 7 1 版本操作系统上，成功移植了u c o s i i 实时调度内核，满足 了磁悬浮轴承控制系统的硬实时多任务特性；应用c 语言设计了p c i 驱动程序 和相关的控制任务程序，与实时多任务调度程序共同形成最终控制软件。并在 此系统上运用超前p i d 和h o o 算法实现了五自由度磁悬浮轴承系统的静态悬浮 和高速运转。 试验表明：p c i 控制卡具有性能好、可靠性高、成本低等特性；与基于d s p 的数字控制硬件平台相比，该p c 机控制系统具有使用简单、成本低、开发效率 高、性能好的优点，为研究磁悬浮轴承的先进控制器提供了良好的软硬件平台。 关键词：磁悬浮轴承，p c i 控制卡，d o s 操作系统，实时调度内核，数字控制 基丁p c 机的磁悬浮轴承实时控制系统的研究 a b s t r a c t l no r d e rt om e e tr e q m r e m e n to fr e a l - t i m ec o n t r o l s y s t e mb a s e do np cf o r m a g n e t i cb e a r i n g ，p c c o n t r o lc a r di sd e s i g n e ds u c c e s s f u l l yi n t h i s p a p e r , w h i c h i n c l u d e se i g h t c h a n n e l10b i ta d ，e i g h t c h a n n e l1 2b i td aa n ds p e e do fr o t a t i o n c a l c u l a t i n gt h r o u g hc a p t u r em o d e i ns a m p l es e c t o r , s y n c h r o n o u sc e n t r a l i z e ds a m p l e a n ds y n c h r o n o u sd e c e n t r a l i z e ds a m p l ea r er e a l i z e dt h r o u 曲“i n t e r f e r ea v o i d ”m e t h o d ， w h i c hs o l v e st h e i n t e r f e r i n g f r o mt h ep w mp o w e ra m p l i f i e ni nd a s e c t o l c e n t r a l i z e do u t p u ta n dd e c e n t r a l i z eo u t r i u ta r er e a l i z e d a l lm e e tt h er e q u i r e m e n tt h a t f i v ed e g r e eo ff r e e d o mo f m a g n e t i cb e a r i n gi sc o n t r o l l e dt h r o u g hw a y so fc e n t r a l i z e d c o n t r o lo rd e c e n t r a l i z e dc o n t r 0 1 i no r d e rt oe n s u r ep r o p e r t yo fh a r dr e a l t i m ea n d m u l t i t a s k ，r e a l t i m es c h e d u l i n gk e r n e li sm i g r a t e dt od o s o p e r a t i n gs y s t e m p c i d i v e rp r o g r a ma n dc o n t r o lt a s kp r o g r a ma r ed e v e l o p e d u s i n gcl a n g u a g e ，w h i c hf o r m t h el a s tc o n t r o ls o f t w a r ei n c l u d i n gr e a l t i m e s c h e d u l i n gk e r n e l s t m i cl e v i t a t i o na n d h i g h s p e e dr o t a t i o no f f i v ed e g r e eo ff r e e d o ma m bi ss u c c e s s f u l l yp e r f o r m e dw h i c h u s et h i sc o n t r o ls y s t e mw i t hp i da n d 月a l g o r i t h m t h e e x p e r i m e n tp r o v e d t h a tp c ic o n t r o lc a r dh a sa p r o p e r t y o f h i g h p e r f o r m a n c e s ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dl o wc o s t ，a n dt h a tr e a l t i m ec o n t r o ls y s t e mb a s e d o np ch a sa d v a n t a g eo f c o s t ，d e v e l o p m e n te f f i c i e n c ya n dp e r f o r m a n c ei nc o n t r a s tt o d i g i t a lc o n t r o l l e rb a s e do nd s p , w h i c hh a v ef o r m e ds o l i db a s ef o rd e v e l o p m e n to f a d v a n c e dc o n t r o l l e rf o rm a g n e t i c b e a t i n g k e yw o r d s ：a c t i v em a g n e t i cb e a t i n g ，p c ic o n t r o lc a r d ，d o so p e r a t i n gs y s t e m ， r e a l - t i m es c h e d u l i n g k e r n e l ，d i g i t a lc o n t r o l 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：金凰垂 日 期：皇q 虹：i ：堡 基于p c 机的磁悬浮轴承实时控制系统的研究 注释表 转子中心位置电压信号 u 。 误差电压信号 u c 控制器的电压输出 u o 】 上电磁线圈的偏磁电流所需要的电压值 下电磁线圈的偏磁电流所需要的电压值 6 0磁轴承转子处于平衡位置时与定子之间间隙 x 转子中心偏置信号 ，o电磁铁线圈中的偏置电流 i c电磁铁线圈中的控制电流 电磁铁线圈匝数 爿 磁轴承定子的单个磁极面积 只上电磁铁产生的电磁力 五下电磁铁产生的电磁力 f上下电磁铁的电磁力合力 k x 力一位移系数 k i力一电流系数 ，咒 转子的质量 k p p i d 控制器比例增益 k s传感器增益 k 。功率放大器增益 p i d 控制器微分环节增益 弓p i d 控制器不完全微分的一阶滤波器系数 南京航空航天大学硕士学位论文 ip i d 控制器积分环节增益 正p i d 控制器附加超前校正系数 d空气或真空中的磁导率 g 。is )传感器传递函数 e ( s )超前校正p i d 控制器的传递函数 g 。fs )功率放大器传递函数 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 磁悬浮轴承介绍 第一章绪论 磁悬浮轴承是一种利用磁力将转子悬浮于空间，不需要任何介质而实现承 载的非接触式支承装置，与传统的滚动轴承和滑动轴承相比，磁悬浮轴承明显 的特点在于没有机械接触，而且其支承力可控。由此而具有传统轴承无法比拟 的优越性能：由于没有机械摩擦和磨损，所以降低了工作能耗和噪声，延长了 使用寿命；动力损失小，便于应用在高速运转场合；由于不需要润滑和密封系 统，排除了污染，可应用于真空超净，腐蚀性介质以及极端温度和压力等特殊 工作环境。 磁悬浮轴承的种类很多，按照悬浮磁场的不同，可分为以下三类： 1 电磁轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ，简称a m b ) ，又称有源磁轴承或主 动磁悬浮轴承，以受控的电磁力实现转子的悬浮。这种磁轴承具有阻尼和刚度 可调、承载力大等优点。 2 无源磁轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a t i n g ，简称p m b ) ，以永磁力或超导磁 力实现转子部分自由度的悬浮。这种轴承具有结构简单、成本低、功耗小等优 点，但它的承载力下，刚度不可以调。 3 混合磁轴承( h y b r i dm a g n e t i cb e a t i n g ，简称h m b ) ，其结构中既有电磁 铁，又有永磁体或超导体。其结构复杂程度、成本、性能在有源磁轴承和无源 磁轴承之间。 以上三种磁悬浮轴承，目前应用最广泛的是主动磁悬浮轴承( 本文研究的 基础就是主动磁悬浮轴承，文中以下部分简称磁悬浮轴承) ，利用定子上的电磁 线圈与转子上的铁磁材料之间的吸力实现支撑。 1 2 磁悬浮轴承的发展现状 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久，早在1 8 4 2 年，英国 物理学家e a m s h o w 就提出了磁悬浮的概念，同时他也指出：单靠永久磁铁是不 能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态【3 1 。1 9 3 7 年， 基于p c 机的磁悬浮轴承实时控制系统的研究 德国人k e m p e r 申请了一项有关主动磁悬浮支承的专利，他认为要使铁磁体实现 稳定的磁悬浮，必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小，即采用可 控电磁铁才能实现。这一思想成为开展磁悬浮技术研究的主导思想。1 5 0 多年来 对它的理论和实验研究已日趋于成熟，并经历了一个漫长的过程才由被动永磁 铁轴承研究转入到主动控制的磁悬浮轴承研究。 磁悬浮轴承利用电磁力使被支承的高速转子无接触地悬浮起来，这一独特 性能是其它支承型轴承无法与之相媲美。伴随着现代科学技术的进步和多学科 的相互溶合、渗透，磁悬浮轴承综合了包括机械学、动力学、控制工程、电磁 学、电子学和计算机科学等多领域的最新成果，从而成为现代支承技术中最有 希望的高新技术。 从1 9 8 8 年起，每两年召开一次国际磁悬浮技术会议，从最近的几届国际会 议论文来看，磁悬浮轴承技术在一些西方国家已趋成熟，在高速机床、汽轮发 动机、空气压缩机、真空分子泵、减振器、储能飞轮、多维平台、速率陀螺、 卫星天线定位等领域的应用日益广泛【l 。所研究的专题包括结构设计、控制器 设计、系统辨识、模型分析、不平衡补偿、执行机构研究、功率损耗、可靠性 研究等，展现出广泛的发展空间和应用前景。 国内在主动磁悬浮轴承技术方面的研究起步较晚，研究水平相对而言比较 落后，目前都还处于实验室及工业试验运行阶段。最早是在1 9 8 6 年，广州机床 研究所与哈尔滨工业大学对“磁力轴承的开发及其在f m s 中的应用”这一课题 进行了研究。目前，国内清华大学、南京航空航天大学、西安交通大学、哈尔 滨工业大学、北京科技大学等等都在开展磁悬浮轴承方面的研究。但总的来说， 目前国内就研究深度、广度而言，与国际领先水平有相当大的差距。 1 _ 3 磁悬浮数字控制系统的国内外发展现状 对磁悬浮轴承的控制研究主要包括两类问题：一是系统的稳定性问题。出 于不施加控制的磁悬浮轴承是本质不稳定的，因此设计一种控制器使磁悬浮轴 承成为稳定系统并在系统内部或外部干扰的影响下使系统保持稳定性就成为设 计的首要目标。二是系统的精度控制问题。磁悬浮轴承的精度控制可以分为转 子的静态精度和动态精度控制，即转子的定位精度和回转精度。在系统稳定的 前提下使系统在整个工作范围内达到设计的精度指标是磁悬浮轴承设计的另一 南京航空航天大学硕士学位论文 重要任务。 以上两类问题都对磁悬浮轴承的控制器提出了很高的要求，为此大量的研 究集中在控制方法和控制手段上。控制问题成为磁悬浮轴承技术中最关键也是 晟活跃的领域之一。磁悬浮轴承是一个各种控制方法都可施展才能的好地方， 几乎所有的控制方法都被人们尝试用于磁悬浮轴承。广泛应用的p i d 控制方法 也有许多变体和各种成熟参数整定手段可以用于磁悬浮轴承中近些年来，一 些先进的现代控制理论方法在磁悬浮轴承上应用的研究也逐步开展起来，这些 控制方法不可能通过设计模拟电路构造传递函数的方法来实现，因为模拟电路 灵活性差，对于复杂的传递函数实现起来难度也非常大，而且，模拟电路的工 作稳定性直接影响整个传递函数的性能，因此采用数字控制是实现这些先进 控制方法的最好途径。 在数字控制领域，一般都是采用单板机控制，其采用的微处理器绝大部分都 是d s p 3 】f 4 】【5 】【1 2 心】f 2 0 】，并在此基础上开发了多任务调度实时系统和多d s p 冗余 系统【4 】。但是此平台存在难以克服的硬件研发成本高、开发周期长、延续性差、 对用户软硬件能力要求高等缺点。开发一种低成本、高效率、易开发、易维护 的控制器实验平台便成为迫切的需要。 基于p c 机构建的控制平台恰恰能满足这需求，其强大的数值运算与实时 处理能力，为磁悬浮轴承系统性能的提高提供了可靠的保障。美国弗吉尼亚大 学和国内清华大学已将基于p c 机与r t l i n u x 构建的控制平台应用于高阶磁悬浮 轴承控制器【2 l 和柔性转予磁悬浮轴承控制器【16 l 的成功实例。 南京航空航天大学磁悬浮应用技术研究所于1 9 9 9 年底，成功研制了基于 t m s 3 2 0 c 2 5 的数字控制器，顺利通过了国防科工委和江苏省科委的鉴定，获国 家科技进步三等奖。2 0 0 1 年底在立式磨头的数字控制系统中，曾学明博士采用 了同步采样的技术，避开了功放的干扰频率点进行采样，从而实现了6 0 0 0 0 r p m 的稳定运转 1 3 1 。2 0 0 4 年底张爱林硕士完成基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的软硬件设计， 实现了实验台的成功悬浮及高速运转试验【2 。但是随着先进控制算法需求和实 现对柔性转子的控制，需要很大的运算量和较大的计算动态范围，对数字控制 器的要求f 1 益提高。目前的定点d s p 无法满足要求，本文就是采用p c 机实现 对磁悬浮轴承系统的实时控制。 基于p c 机的磁悬浮轴承实时控制系统的研究 1 4 论文工作与内容安排 1 4 1 论文的主要贡献 本论文工作的主要内容是运用复杂算法用p c 机实现对磁悬浮轴承系统实时 多任务控制，主要贡献如下： 1 完成了用于p c 机磁悬浮轴承控制系统的p c i 控制卡硬件的设计和调试。 这部分的工作包括：a d 采样模块，d a 输出模块，转速测量模块，p c i 芯 片接口模块，印刷电路板的设计与调试。 2 ，完成p c i 控制卡驱动程序、实时多任务内核的移植和实时控制程序设计， 为开发先进的控制算法提供了优秀的平台。 3 在设计的p c 机实时多任务控制平台上，运用超前p i d 和脚算法实现了 五自由度磁悬浮轴承系统的静态悬浮和高速运转试验。 1 4 2 论文内容安排 本章介绍了磁悬浮轴承的应用、最新进展；介绍了国内外数字控制系统的 发展现状；以及论文主要贡献与内容安排。 第二章，简要介绍了磁悬浮轴承系统工作原理，分析了采用p c 机控制系统 的原因，并进一步的分析了p c 机控制系统的软硬件要求，提出了系统的实现方 案，为第三章和第四章打下基础。 第三章，详细分析了p c i 接口芯片的使用规范，合理的选择了p c i 接口芯 片，完成了集8 路a d 、d a 通道和转速测量功能的p c i 控制卡；并详细的叙 述了p c i 控制卡设计的注意事项。 第四章，给出了p c i 控制卡上的d s p 软件设计思想；并在d o s7 1 0 版本上 移植了实时调度内核实现了实时多任务控制；最后给出了磁悬浮轴承系统的p c 机实时控制系统的软件实现方法。 第五章，介绍了p c i 控制卡的调试方法，系统联调时传感器的标定；给出 了p c 机系统的性能评价；介绍了超前p i d 和士b 控制算法，介绍了在p c 机实时 控制平台上运用超前p i d 和王蛔算法实现了磁悬浮轴承静态悬浮以及高速运转， 并给出了p i d 控制算法的试验结果。 第六章，对本论文的工作做了一个总结并提出了进一步工作的展望。 4 南京航空航天人学硕士学位论文 第二章基于p c 机的磁悬浮轴承实时控制方案设计 磁悬浮轴承系统是机电高度一体化的产品，它的整体性能，既依赖于电控 部分的设计，也和系统的机械结构密切相关。 本章将对磁悬浮轴承系统机械结构和目前实验室已有的传感器、d s p 控制 器、功率放大器进行分析，剖析了目前d s p 控制器存在的缺点，并给出本文设 计的p c 机实时控制系统的软硬件设计方案。 2 1 单自由度磁悬浮轴承系统组成和工作原理 图2 1 为单自由度磁悬浮轴承系统的构成。其基本原理是通过位移传感器检 测出转子的偏差信号，将该信号送入控制器，作相应处理后经功率放大器，控 制电磁铁中的电流，这样转子一方面受到重力的作用，另一方面受到可控电磁 力的作用。稳态时，电磁力与转子重力平衡。当转子在外力作用下偏移设定的 参考位置时，传感器将测得的转子位置与参考位置的差值信号送入控制器，控 制器根据一定的控制策略产生控制信号，使功率放大器产生相应的控制电流，。 一个电磁铁以偏置电流。与控制电流，之和激磁：而另一个则利用两者之差激 磁。因而，在转子上产生与位置偏离方向相反的电磁力作用，使转子克服外扰 i f j 二 图2 1 单自由度磁悬浮轴承控制系统原理图 基丁p c 机的磁悬浮轴承实时控制系统的研究 力回到参考位置。磁悬浮轴承一转子系统一般由以下几个部分组成： 1 ，传感器及前黄处理单元 转子在任意时刻位置信号由传感器采集，必要时还可以经过相应的前置信 号处理后再送往控制器。磁悬浮轴承对传感器的要求首先是非接触式的，可供 选择的传感器有电感、电容、电涡流式传感器。传感器作为反馈通道元件，其 性能将决定系统的闭环特性，因此应具有较高的转换精度和稳定性，其次还要 求具有高灵敏度、抗干扰、抗磁场影响、线性度好的特点。 2 调节控制单元 控制器是磁悬浮轴承的核心，控制器设计的首要目标是保证转子稳定的无 接触平衡，而且系统的刚度、阻尼、转子定位和不平衡响应等性能均取决于控 制器。从传感器来的信号，经过控制算法运算后，成为最终决定系统性能的控 制信号。控制器可以由模拟器件构成( p i d 调节电路) ，也可以由微处理器为核 心的数字电路组成，控制器使转子能精确的定位，并且在有外力干扰时能迅 速地做出反应，使转子回到基准位置。 3 功率放大器 功率放大器也是磁悬浮轴承系统的关键部分，同时由于磁悬浮轴承要求频 率从零到数千赫兹，因此对其要求较高，且设计起来有一定难度。功率放大器 把控制信号转换为电磁铁所需要的控制电流，从而为磁悬浮轴承悬浮转子提供 功率。功率放大器根据采用的器件、原理不同可以分为线性功率放大器和开关 功率放大器，线性功率放大器的功耗比较大，电流纹波小；开关功率放大器的 功耗非常小，大大提高了效率，但是由于开关功率放大器的开关作用，将会对 系统产生电磁干扰，使得用开关功率放大器的磁悬浮轴承的噪音会明显大于相 同功率时的模拟功率放大器。所以一般在系统功率放大器比较大时( 一般为 o 5 k w 以上) ，多采用开关功率放大器：而中小功率( o 5 k w ) 且要求灵敏度比 较高、结构简单的场合则多采用线性功率放大器。本系统中采用的是开关功率 放大器。 4 轴承电磁铁 单自由度时的轴承电磁铁仅包含一对相对的电磁铁。当无任何外力干扰时， 激励线圈内一般都有一定的偏置电流，当有外力干扰或重力作用时，通过控制 器形成差动控制。另外，偏置电流也使电磁铁的静态工作点处在磁化曲线的线 性度好的区间，减小建模误差。 南京航空航天大学硕士学位论文 对于一个实际的转子系统来说，受控转子的自由度个数当然会增多，但上 述基本原理是普遍适用的。一般的，转子的总量有两个径向磁悬浮轴承支承， 而为了限制转子在轴向方向的位移，还必须安装一个轴向推力轴承。至少需要5 个传感器以测量水平、垂直和轴向方向上的位移，转子空间位置的转角变化可 以由位移信号关系得到而不必单独测量。这些信号被送入控制器，经模拟或数 字运算后送入功率放大器产生控制电流或电压以驱动电磁铁，产生维持转子稳 定悬浮的电磁力。 2 2 五自由度磁悬浮轴承系统介绍 22 1 单自由度磁悬浮轴承转子系统分析 为了研究问题的方便，首先讨论单自由度转子中力一电流一位移的关系。单 自由度磁悬浮系统结构如图2 2 所示。 j 口十五 圈2 2 差动磁悬浮轴承简图 忽略电磁铁的磁阻及磁通边缘效应，将转子作为单质点总集中质量来处理， 当电磁铁1 中通姒i 。+ l 的电流，转子轴心有偏移量工时，间隙中的磁感应强度 为： 卜2 酉两t o n ( ，o ) 卜羔5 0 x 眠- ， l 2 ( + ) “ 上下电磁铁对转子的吸力为 ( 2 1 ) 基t - p c 机的磁悬浮轴承实时控制系统的研究 叫母学 搿一辫 旺z ， 在实际应用中，正常悬浮时转子是处于平衡位置附近的，为了简化控制， 把上式在x = 0 ，= o 处作泰勒展开并略去二阶以上小量得： f ：_ a r n 2 1 2 0z + 笔粤t ( 2 3 ) 令弘p o a r n 2 1 ；，k ，：笆粤 则式2 3 可简化为： m i = f = k ，x + k ，甜。 ( 2 4 ) k ，和世，即是力一位移系数和力一电流系数。 2 2 2 五自由度磁悬浮轴承总体结构 图2 3 为本文所研究的五自由度磁悬浮轴承总体结构简图。由图可知，在转 轴的两端处各有一个保护轴承。在磁悬浮轴承正常工作期间，保护轴承不与转 轴接触。当突然断电或磁悬浮轴承系统失控时，保护轴承起f 临时支承高速旋转 的转轴的作用，防止转轴与电机定子和磁悬浮轴承定子相碰撞而损坏整个轴承 系统。当磁悬浮轴承不工作时，转轴也应落在保护轴承上，而且保护轴承无论 在径向还是在轴向都对转轴起到保护作用。因此保护轴承与转轴之间的气隙应 小于磁悬浮轴承与转轴之间的气隙。 由于篇幅的关系，本文未对血自由度磁悬浮轴承系统机械结构进行介绍， 也未对磁悬浮轴承系统本身的模型进行详细的推导，请参阅参考文献【1 3 】【2 0 】。 径冉佳感撇目 图2 3 主动磁悬浮轴承总体结构简圈 径冉佳瞳嚣蛆 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 3 位移传感器 我们实验室自行设计的电涡流传感器带宽为o 5 k ，相对于运行速度为 6 0 0 0 0 r m i n ( 1 0 0 0 h z ) 的磁悬浮轴承系统，可以认为传感器是理想比例部件。 其传递函数为： g 。( s ) = 2 0 0 0 0 ( v m ) ( 2 5 ) 即传感器的灵敏度为2 0 m v u m ，在实际应用中的接口范围一般选作o 5 v 。 2 ，2 4 功率放大器 对于功放，我们实验室研制成功了多种开关功率放大器 1 3 1 ，有常规p w m 功 放，三电平开关功放，同步p w m 功放等。由于转子正常悬浮后总是处于平衡位 置附近，在功放的线性范围内，我们认为设计的功放为比例环节。 对于径向电磁铁的功放： g 。( s ) = o 2 ( a y ) ( 2 6 ) 对于轴向电磁铁功放： g 。( s ) = o3 ( a v ) ( 2 7 ) 本实验室的功率放大器的接口电平为一5 v + 5 v 。 2 3 磁悬浮轴承系统控制算法介绍 由式2 4 可知，其传递函数在y 轴右边存在极点，故磁悬浮轴承系统本身是 不稳定系统1 ”l ，必须有一个比较可靠的控制器才能实现磁悬浮轴承的稳定悬 浮。控制器是磁悬浮轴承系统的核心，在一定程度上决定着磁悬浮轴承性能。 磁悬浮轴承发展几十年来，控制器一直是其中最为活跃的部分。 2 3 1p i d 控制器 p i d ( p d ) 控制器是最经典的一类控制方法，在磁悬浮轴承发展的早期曾一 度流行，目前在磁悬浮轴承的控制中仍扮演着重要的角色。由于单自由度磁悬 浮轴承系统是一个二阶系统，通过p i d 参数的调整能保证系统的稳定性。p i e ) 控 基于p c 机的磁悬浮轴承实时控制系统的研究 制器的优点在于其设计简单，不需要准确了解被控对象的模型，便可以在现场 通过调节比例、积分和微分参数实现磁悬浮轴承系统的稳定悬浮。但磁悬浮轴 承系统中存在一些特殊问题，如位移和电磁力的有限性、弹性频率的振动等， p i d 需要与其他方法配合使用，如对积分、比例的限幅，加陷波器等，才能实现 对磁悬浮轴承的稳定悬浮。 2 3 2 其他控制方法 在磁悬浮控制系统，目前p i d 控制器的设计缺乏有效的综合工具，根据性 能要求确定控制参数还存在一定的困难。p i d 是单回路调节器，如果系统各自由 度耦合严重( 如存在强的惯性耦合和陀螺效应) ，p i d 往往难以取得好的控制效 果。为了解决以上的一些问题，l q r 、l q g 、hz 控制器，以及最近热门的讯控 制器和“控制器均先后用于磁悬浮轴承的控制。由于磁悬浮轴承系统中存在很 多非线性环节，如轴承电磁力与电流和位移的非线性关系，转子在临界转速时 有很大的弹性变形，电磁铁的电磁力受饱和磁通的限制，功放提供的电流的变 化率受限制等等，因此许多非线性控制器也用于磁悬浮轴承的控制，如滑模控 制、模糊控制、神经元方法等【3 1 。 2 4 基于d s p 的磁悬浮轴承实时控制方案介绍 控制器的实现方法为模拟控制和数字控制。模拟控制的主要优点：成本低、 实现容易。但是也有致命的缺点：参数调节困难，难以实现先进的控制算法， 抗干扰能力差，可靠性低，几乎无法实现智能控制。数字控制的主要优点为： 可以实现复杂的控制方案，还可以实现大量额外的任务，如可以实现紧急情况 下的智能反应、不平衡补偿等等：采用数字控制可以使标定比较简单，可以实 现自适应校正；可以实现在线识别、故障诊断等方案。其最主要的缺点：开发 较难，成本较高。从目前情况下来看，随着智能化、集成化的发展，在磁悬浮 轴承控制系统使用的模拟控制越来越少，数字控制是发展的必然趋势。 由于磁悬浮轴承系统的开环为结构不稳定系统，因此需要相位超前补偿( 即 为它提供足够的阻尼) ，这对输入输出延时的数字控制系统提出了很高的要求， 即要求实时控制。另外，磁悬浮轴承应用多在高速旋转机械中，一般需要对五 个自由度的控制，所以不仅要求采集速度快，更要求处理器具有超凡的数据处 南京航空航天大学硕士学位论文 理能力和快速的协调能力。 自8 0 年代d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术的飞速发展，发展到今天d s p 技术已经在通讯、控制、消费性电子等应用场合得到广泛的应用，其具有灵活 的指令集、速度高、先进的并行结构等特点，特别适合实时信号处理。这些很 好的满足了磁悬浮轴承数字控制器的要求，故目前9 0 的磁悬浮轴承数字控制 系统采用d s p 。 d s p 控制器的实现形式一般如图24 所示。图中的虚线方框中，一般均在 d s p 控制板上实现。d s p 控制板的处理流程为：传感器输出的磁悬浮轴承五个 自由度位移信号在进入多路转换开关前，经过抗混叠滤波器滤波后，由a d 转 换器采样变成数字信号进入d s p ( 采样频率需满足采样定理，大于信号最高频 率的两倍) ，d s p 对输入的数字信号根据数字调节器的算法进行处理，得到五路 电压控制量输出，进入功率放大器，驱动磁悬浮轴承。 幽2 4d s p 控制系统框图 目前d s p 的主要选型为：清华大学i3 1 、弗吉尼亚大学【4 1 1 5 选用t i 公司3 系 列浮点d s p ，我们实验室、国内大部分磁悬浮轴承控制系统和一些国外磁悬浮 轴承产品中使用t i 公司2 0 0 0 系列定点d s p 。我们实验室从t m s 3 2 0 c 2 5 开始研 究，继而实现了t m s 3 2 0 f 2 4 0 、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 对磁悬浮轴承稳定的悬浮。目 前在进行t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的控制器的开发。 从目前的文献来看，通过d s p 控制器实现的主要是p i d 控制算法4 岬】， 较少有使用d s p 实现复杂的控制算法的相关文献。 基丁p c 机的磁悬浮轴承实时控制系统的研究 2 5 采用p c 机实时控制的原因及总体方案 在磁悬浮轴承系统控制中，普遍采用了基于d s p 构建的数控平台。此平台 难以克服其硬件研发成本高、丌发周期长、延续性差、对用户软硬件能力要求 高等缺点。丌发一种低成本、高效率、易丌发、易维护的控制器实验平台便成 为迫切的需要。 基于p c 机构建的控制平台恰恰能满足这一需求，其强大的数值运算与实时 处理能力，为磁悬浮系统性能的提高提供了可靠的保障。事实上。美国弗吉尼 亚大学【2 1 和国内清华大学已将基于p c 机与r t l i n u x 构建的控制平台应用于高 阶磁悬浮轴承控制器和柔性转子磁悬浮轴承控制器的成功实例。 2 5 1 采用p c 机实时控制的原因 采用p c 机的磁悬浮实时控制系统主要是从下面几个方面考虑的： 一、d s p 平台的缺陷： 目前我们实验室磁悬浮轴承数控平台为d s p 平台，采用t i 的2 0 0 0 系列定 点d s p 中的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 构建。在采用d s p 平台对磁悬浮轴承系统进行控 制的过程中，笔者发现此平台具有些难以克服的缺点： 】资源有限影响性能。此d s p 芯片系统时钟频率为4 0 m h z ，由于在磁悬浮轴 承控制中，国际上的一般的采样周期为1 0 0 微秒( 1 0 k h z ) ，并且要控制五路信 号，所以对于控制算法所使用的指令数小于8 0 0 条( 按照单周期计算，不考虑 采用和输出时间，但是实际上很多指令都是多周期的，所以可利用的指令数要 远小于这个数目) ，故无法实现比较复杂的算法。其次，d s p 的存储空间较小， 根本无法记录比较异常的数据，以便分析系统故障。总之，d s p 有限的运算资 源与有限的存储器资源对控制算法的实现造成了很大的影响。 2 不菲的软硬件成本、人力成本。虽然d s p 技术也在快速发展，但d s p 软 件要求有很强的汇编语言编程能力( d s p 的c 编译器效率一直不高) ，硬件开发 需要较高的硬件设计与调试水平，且由选型到最终实现控制平台的功能，要经 历一个比较长的周期。另外d s p 更新换代具备的向下兼容性并不强，当新版的 d s p 推出后，又要求一个与之适应的全新的开发平台的支持。一般而言，这样 的开发系统价格是非常昂贵的。而且，这样的新开发平台与前一代的软硬件差 异不小，在开发的人力成本与时间成本也很高。 南京航空航天人学硕士学位论文 3 基于d s p 的软件资源稀缺。d s p 平台上缺乏好的c 编译器( 造成代码的丌 发效率很低、代码的可重用性差) ，用汇编开发复杂算法程序有很大的难度，即 使t i 公司的2 8 系列的d s p 的c 编译器的编译效率比较高，但是其为定点运算， 数据动态范围小，编制算法时会带来很多的问题，花费的时间也是非常大的。 二、随着磁悬浮轴承的应用日益广泛，对其控制器提出了更高的要求 目前的磁悬浮轴承控制要求实现多任务控制，目前一般多任务包括：周期性 的固定悬浮控制关键相位检测，转速测量( 这两个主要是应用于柔性转子) ， 不平衡补偿，记录控制系统数据，等等，目前有文献报道通过d s p 实现了多任 务控制1 4j ，但是系统太过于复杂( 使用了四个t m s 3 2 0 c 3 2 处理器) ，开发难度 大，而且有着和d s p 控制系统相同的缺点，不适合在研究阶段使用。 选择p c 机作为控制器实验平台是考虑到它有如下的优势： 1 可以使用c 语言进行开发，不必担心效率问题( p c 机平台下优秀的c 编 译器可以达到汇编语言效率的9 0 以上) 。程序具有移植性，不依赖于硬件。软 件的可重用性好，后续的开发工作不必从头开始。 2 软件资源丰富，可轻松实现多任务调度。通过多任务编程，能实时改变控 制参数和控制算法，实时监控控制器的输人、输出及内部变量。 3 运算速度咀及实时性能随p c 机的升级而自然升级，升级成本低，性能 提升迅速。 4 易于编程，使用c 语言在p c 机上很容易的实现各种控制算法。例如在开 发柔性转子过 临界，要不断更改算法，如果采用d s p 开发系统，则在开发算法 的时候，要花大量时间编写和调试d s p 程序。 当然，p c 机平台在体积、抗环境干扰的稳定性上，相对d s p 平台有其劣势。 但是，就研究阶段作为控制器实验平台而言，它无疑是比d s p 平台更好的选择。 2 5 2 基于p c 机的实时控制总体方案 基于p c 机的磁悬浮轴承的实时控制方案如图2 5 所示，位移传感器信号经 过a d 接口卡转换为数字信号，一般通过中断，将转换后的数据传输到p c 机， p c 机经过控制算法计算和一些智能任务( 不平衡补偿、记录关键数据等等) 处 理后，输出数据到d a 接口卡，由d a 的输出模拟信号控制功率放大器。从而实 现磁悬浮轴承的稳定悬浮。其主要由p c 机、a d 和d a 接口卡、p c 系统软件和 控制软件组成。 基于p c 机的磁悬浮轴承实时控制系统的研究 l 一队接叶h 寺 l _ ：二二_ 二二二兰i 图2 5 基于p c 机的磁悬浮轴承实时控制总体方案 整个控制的流程是：运行p c 控制软件，由p c 机控制软件使能a d 、d a 接 口卡工作；然后对采集的位移信号按照给定的控制规律进行运算，控制磁悬浮 轴承；当想结束控制时，从p c 机键盘上点击特定的键( 事先约定好某个特定键) ， 控制软件结束a d 、d a 接口卡工作；从而p c 机退出控制程序，结束控制。 2 6p c 机实时控制的硬件平台需求和总体设计 2 6 1 硬件平台的需求 2 6 1 1 硬件平台的需求分析 磁悬浮轴承的采样频率较高，一般的采样周期为l o o 微秒( 1 0 k h z ) ，要处 理5 路信号( 分别对应着磁悬浮轴承的五个自由度) ，也就是每路采样信号是2 0 微秒( 5 0 k h z ) 。这也是我们在设计磁悬浮轴承数字控制器中所遇到的主要问题。 对于这些问题，主要是提高控制系统c p u 的主频、数据采集卡和数据输出卡的 速度。系统的c p u 主频可以通过采用最新的c p u 的计算机便可以达到目的。也 就是在设计硬件接口卡的时候，提高系统数据采集卡和数据输出卡的速度是我 们的主要目标。 普通的磁悬浮轴承有五个自由度，为实现五个自由度的控制，控制系统的 a d 、d a 通道数至少为五路。磁悬浮轴承有的时候还存在激励线圈，通过对转 子的激励，来实现对转子模型的研究。故一般情况下都需要七个a d 、d a 通道 以上，其中两个通道控制激励线圈。 其次，在磁悬浮轴承系统中，由于有开关功率放大器和其他强电的干扰，要 d 1 垮毫土 一 南京航空航天人学硕十学位论文 实现系统的稳定悬浮，一般采用同步采样技术，本实验室采用了干扰避开法， 成功的实现了这个目标。 对于磁悬浮控制系统，随着对新算法研究的日益加深和实现磁悬浮轴承柔性 转子的控制，一般都需要转子转速信号，所以在数据采集卡必须集成转速测量 模块。 综上所述，一个磁：悬浮轴承数据采集卡和输出卡至少需要五路a d 、d a 通 逆，含有同步采用控制引脚，并能实现对转速的精确测量。 根据以上分析，目前市场上的采集卡不适合我们的磁悬浮平台的设计，主要 原因在于：目前的高速采集卡，要么是其通道数小于我们的要求( 高速采集卡 一般是用于图象和语音处理，所以通道一般只有一个) ，要么是其采样速率达不 到我们的要求( 工业的过程控制系统中a ，d 、d a 转换速率一般为1 0 0 k h z ) ； 无法提供测速模块。故选择自己设计数据采集卡和输出卡，为了降低成本、提 高系统的可靠性和减少插槽的使用，将数据采集卡、数据输出卡和测速模块集 成到一块电路板上。 2 6 1 2 采用p c i 总线的原因 数据采集卡和数据输出卡的接口一般为1 s a 和p c i 两种接口形式。 作为一种传统的计算机接口卡总线技术，i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r d a r c h i t e c t u r e ) 总线曾经取得了很大的成功，成为事实上的业界标准。但是随着计算机技术的 发展，i s a 总线显得越来越不能适应计算机技术的发展。1 s a 总线的缺陷主要是 表现在： 1 数据传输速度较低，总线采用8 m s 的总线时钟，1 6 b i t 的总线字宽，在大 多数的应用中，只能达到5 m b s 的传输速度，这些对于高速采集、控制来说是 不可接受的。 2 i s a 总线接口卡无法实现资源的自动配置。计算机接口卡都需要使用i o 空间资源、存储器空间资源以及中断资源，在传统的i s a 总线接口卡上，这些 资源都是在设计的时候定好的，为了避免不同接口卡之间的资源冲突，传统的 接口卡上经常设置跳线，以便在预定的资源配置中选择一种。这个硬件安装带 来了很多的麻烦，也无法符合计算机为实现使用简单所提出的即插即用思想。 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线，即部件外围互连总线，是一种 高性能3 2 6 4 位地址数据复用高速外围设备接口局部总线。它的传输速度很快， 基丁p c 机的磁悬浮轴承实时控制系统的研究 高性能3 2 6 4 位地址数据复用高速外围设备接口局部总线。它的传输速度很快， 可达到1 3 2 m b s 或2 6 4 m b s ；具有良好的兼容性，符合p c i 规范的扩展卡，可 插入任何p c i 系统工作；p c i 总线和c p u 无关，与时钟频率无关：具有良好的 扩展性，通过p c i - p c i 桥路可允许无限扩展；支持即插即用；一个p c i 接口包 括一系列的寄存器，这些寄存器的信息允许计算机自动配置p c i 接口卡：p c i 总线线性突发传输；另外，p c i 总线还为未来的扩展预留了发展空间。 基于以上原因，p c i 总线已经成为当今计算机插卡式外设总线的事实标准， 在家用微机和大部分商用微机中已经取消了i s a 总线，即使在应用于工业控制 的微机中，i s a 总线的插槽也越来越少。故此设计中采用p c i 总线接口。 2 6 2 硬件平台的总体设计 硬件设计总体框图如图2 6 所示，分别采用一个嵌入式微控制器( m c u ) 来实现底层任务的控制( 包括a d 同步采样，d a 同步输出，测速系统) ，采用 一个p c i 接口芯片实现与p c 机通讯。p c i 和d s p 采用双口r a m 实现数据通讯； 采用普通i o 引脚和中断引脚实现逻辑通讯。 圈2 6p c i 控制卡总体设计框图 2 7 p c 机实时控制软件平台需求和总体设计 由于磁悬浮轴承的控制要求很高的实时性，因而软件平台必须是实时平台。 而且由于磁悬浮控制系统需求多任务控制，所以必须是多任务实时特性。这里 先对实时系统进行简单的介绍。实时性是一个相对的概念，其标准常用“系统 响应时间”来衡量。对实时平台的评估主要用到两个指标，即“任务切换时 间”、“中断响应时间”。 主 芒 一 咒 一 甲 南京航空航天大学硕士学位论文 对于p c 机，主要使用的软件平台有d o s 、w 小d o w s 、u n i x 、l i n u x 、 v x w o r k s 等等，但是考虑到悬浮轴承控制系统要求实时性好、成本低和易于 使用的平台，笔者将w i n d o w s 、r t l n 珊x 、d o s 列为备选对象。 w n d o w s 为一多任务操作系统，是目前使用最多的桌面操作系统。有相 关资料表明【9 i ，w i n d o w s 的中断响应时间会在几百微秒到几百毫秒的范围内波 动，在“任务切换时间”、“中断响应时间”方面，表现均很差。 r t l i n u x 是一硬实时系统，作为一新兴的实时平台，可从网上免费获取，并 且其源码是完全公开的。它是由美国新墨西哥理工学院开发的基于标准l i n u x 的嵌人式操作系统。到目前为止，r t l i n u x 已成功应用于从航天