張菊秀 全書海 王永生

武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院 武漢 430070

基于DSP的磁懸浮軸承數(shù)字控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)*

張菊秀 全書海 王永生

武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院 武漢 430070

針對多變量非線性的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)，采用集中數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，給出以DSP芯片TMS320F2812為核心的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖，并對其中的關(guān)鍵電路進(jìn)行了分析及描述。該硬件系統(tǒng)己經(jīng)成功地應(yīng)用在磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中，取得了較好的控制效果。

磁懸浮軸承 數(shù)字控制 DSP 硬件設(shè)計(jì)

磁懸浮軸承是利用可控磁場力將轉(zhuǎn)軸無機(jī)械接觸、無磨損、無潤滑地懸浮并高速旋轉(zhuǎn)的一種新型高性能軸承，它在航空航天、超高速超精密加工機(jī)床、能源、交通及機(jī)器人等高科技領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。因?yàn)榇艖腋≥S承具有不穩(wěn)定性，所以對其控制系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性的要求非常高，磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是磁懸浮軸承系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

以五自由度磁懸浮磨削電主軸為研究對象，采用集中數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，以高性能的嵌入式數(shù)字信號處理器DSP芯片TMS320F2812為核心，構(gòu)建了磁懸浮軸承控制系統(tǒng)硬件平臺，為提高系統(tǒng)的動態(tài)性能奠定了基礎(chǔ)。

1 集中數(shù)字式控制方案和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的控制方案可以分模擬式控制和數(shù)字式控制兩種。在早期的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)大多采用了前者，而隨著現(xiàn)代控制理論和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)都摒棄了模擬式控制而逐漸地轉(zhuǎn)向了數(shù)字控制系統(tǒng)，因?yàn)閿?shù)字式控制具有控制精度高、動態(tài)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，是今后發(fā)展的主要方向［1］。

磁懸浮軸承數(shù)字控制系統(tǒng)主要有集散式控制系統(tǒng)和集中式控制系統(tǒng)［2］。集散式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是分散控制，集中管理，即將控制任務(wù)按照一定的任務(wù)組合，有效地分配到多個控制點(diǎn)上去，各個控制點(diǎn)不但顯示此控制點(diǎn)的控制信息，還要將每個控制點(diǎn)的運(yùn)行情況傳送到總機(jī)上，再由總機(jī)來構(gòu)建整個軸承的控制情況，從而實(shí)現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的監(jiān)控。由于集散式控制所需硬件架構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)過于龐大，且相應(yīng)的連接接口太多，對信號的傳輸及控制精度會造成影響，不利于整個控制系統(tǒng)的產(chǎn)品化。

根據(jù)磁懸浮軸承系統(tǒng)的特點(diǎn)及控制要求，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用集中式控制方法。磁懸浮軸承集中式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖見圖1，它是將整個控制系統(tǒng)壓縮到一個控制器內(nèi)（不包括功率放大模塊和傳感器模塊）?？刂破鲀?nèi)包含了核心處理器DSP、高速A／D采樣模塊、同步D／A模塊、通訊模塊和高速邏輯接口，并將這些模塊融合在一塊控制板內(nèi)，以減少干擾源的產(chǎn)生幾率，降低系統(tǒng)成本，縮小系統(tǒng)體積，使功能高度集成，處理集中，實(shí)時性較強(qiáng)，便于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖1 磁懸浮軸承集中式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

集中式控制系統(tǒng)核心處理器由DSP組成，選用美國德州儀器公司TI研制的2000系列最新產(chǎn)品TMS320F2812，它是功能強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片，既有數(shù)字信號處理能力，又有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式功能，適用于數(shù)據(jù)處理繁重的測控場合。

DSP負(fù)責(zé)信號的采集與處理，控制算法的實(shí)施，輸入輸出控制等任務(wù)。TMS320F2812芯片從運(yùn)行速度、集成度和功能上都完全符合磁懸浮軸承控制系統(tǒng)需求，從而使低成本磁懸浮軸承控制器的實(shí)現(xiàn)成為可能。

2 高速AD采樣及其應(yīng)用的實(shí)施

在整個磁懸浮主軸控制系統(tǒng)中，主軸位置的測量是至關(guān)重要的。傳感器的信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)挠布M濾波等處理后到達(dá)A／D采樣通道，A／D將模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，A／D的精度和分辨率以及采樣轉(zhuǎn)化時間都是至關(guān)重要的，它們直接決定著系統(tǒng)的控制精度和控制速度。

本系統(tǒng)要求能分辨1μm信號，根據(jù)傳感器的特性，必須要求有至少為12位的分辨率，且轉(zhuǎn)換速度要快。而TMS320F2812芯片本身具有12位、16通道的A／D，且轉(zhuǎn)換速度高，所以可以滿足系統(tǒng)的需要。由于該系統(tǒng)中使用的電渦流傳感器輸出為0～5．0 V，而TMS320F2812的A／D模塊輸入電壓為0～3．3 V，所以必須要對模擬輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即將輸入傳感器電壓從0～5．0 V轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的0～3．0 V［3］，圖2給出了電壓轉(zhuǎn)換及濾波電路圖。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換及濾波電路圖

圖2中采用了運(yùn)算放大器LF353，LF353內(nèi)含雙運(yùn)放。OP1A組成電壓跟隨電路，主要起阻抗匹配作用；OP1B同樣是跟隨器，兩運(yùn)放之間是采用的精密電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，電阻精度為千分之一，其運(yùn)算公式為

選JR1＝4．02 kΩ，JR2＝6．04 kΩ，則上式簡化為

相對于采用運(yùn)放比例電路，此方法簡單易行，能取得同樣好的效果。圖2中還采用了前后兩個RC濾波，對五自由度磁懸浮軸承控制系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速20 000 r／min、軸承每轉(zhuǎn)一周控制15次來考慮，則相應(yīng)的采樣頻率為5 k Hz，由于傳感器噪聲及電路噪聲等因素的影響，由傳感器得到的反饋信號含有高于5 k Hz的不確定高頻成分，所以必須對信號進(jìn)行低通濾波。Z1是穩(wěn)壓管，主要是為了防止輸入信號為負(fù)值或超過DSP的A／D輸入信號電壓峰值，正常情況下管子不工作，當(dāng)輸入信號超過3．3 V或者為負(fù)時，管子工作導(dǎo)通，從而保護(hù)DSP芯片主電路。

3 DA模塊與DSP之間的硬件接口

D／A轉(zhuǎn)換是連接主控制器和功率放大器的中間環(huán)節(jié)，經(jīng)過數(shù)字信號處理器運(yùn)算后得到的控制信號仍然是數(shù)字信號形式，須經(jīng)過D／A變換將該結(jié)果轉(zhuǎn)化為模擬信號后，輸出到功率放大電路，產(chǎn)生相應(yīng)的控制電流，使磁力線圈產(chǎn)生電磁力，拉動轉(zhuǎn)子回到平衡位置?？紤]到控制器和功率放大器強(qiáng)電之間的隔離及干擾問題，采用美信半導(dǎo)體公司的MAX526快速D／A轉(zhuǎn)換芯片。MAX526是 4路12位、電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用—5 V和12 V供電。數(shù)據(jù)通過兩次寫操作（低8位LSB，高4位MSB）裝入各輸入寄存器，并通過異步裝載DAC輸入信號將輸入寄存器數(shù)據(jù)裝入DAC寄存器［3］。MAX526與TMS320F2812接口的硬件結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3中只給出了一個DA芯片的連接，實(shí)際中用到3片MAX526；圖中未給出光電隔離部分，只給出了光電隔離之后的連接圖，DSP輸出控制信號先經(jīng)過CPLD進(jìn)行邏輯選擇和驅(qū)動，然后輸出至高速光電隔離，再送到MAX526芯片。高速光電隔離采用6N137，其最大轉(zhuǎn)換時間為75 ns，可以使控制信號高速隔離輸出。圖中5 V基準(zhǔn)源選用高精度低噪聲的MAX6350來為3個DA芯片提供轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓，若驅(qū)動能力不夠，可以通過跳接OP07來增加驅(qū)動輸出。

D／A轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)較為靈活，可以通過硬件及軟件的設(shè)定使每次輸出4個通道，也可以同時輸出12個通道，對五自由度磁懸浮軸承控制系統(tǒng)所需10路D／A輸出可以實(shí)現(xiàn)同步輸出，這樣為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確控制提供了條件。

4 功率放大器的設(shè)計(jì)

控制器經(jīng)過控制運(yùn)算，并將其計(jì)算結(jié)果經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后并不能直接驅(qū)動電磁線圈，而必須經(jīng)過功率放大器進(jìn)行功率放大后才能驅(qū)動電磁線圈工作。功率放大器要求電流失真小，效率高。功率放大電路有線性功放與開關(guān)功放兩種，由于線性功放的功耗大，效率低，且體積較大，已逐漸被淘汰；而開關(guān)功放負(fù)載穩(wěn)定度高，輸出紋波電壓小，瞬態(tài)響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，已成為磁軸承控制系統(tǒng)功放的首選。為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的半橋型開關(guān)功率放大器，其基本結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 MAX526與TMS320F2812接口的硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 半橋型開關(guān)功率放大器

用半橋型功率電路時，驅(qū)動電路中不需要加死區(qū)電路，場效應(yīng)管可以整周期打開，從而提高了功率放大器的電流響應(yīng)速度和系統(tǒng)的可靠性。磁懸浮軸承系統(tǒng)中，懸浮線圈實(shí)質(zhì)上就是電磁鐵，線圈中只要有電流，無論電流是什么方向，線圈都會吸引轉(zhuǎn)子，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)子在軸承中的位置，所以不需要使懸浮線圈中的電流改變方向。

5 結(jié)論

采用集中控制技術(shù)和TMS320F2812數(shù)字信號處理芯片等構(gòu)成的磁懸浮軸承數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路，結(jié)構(gòu)合理，性價比高，抗干擾能力強(qiáng)，該系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用在磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了磁懸浮軸承在20 000 r／min轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定懸浮，具有良好的應(yīng)用價值和前景。

［1］Williams R D，Keith F J，Allaire P E．Digital control of active magnetic bearings［J］．Industrial Electronics．IEEE，1990，37（1）：19-27．

［2］Grum N，Green B，Schroder P．Active magnetic bearing requirements for turbo machinery［C］．High Speed Bearings for Electrical Machines．IEEE，1997：1-9．

［3］王君立，壯 凌，姜耀麗，檀慧明．12位4路數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX526與單片機(jī)的接口應(yīng)用［J］．國外電子元器件，2003（1）：50-52．

Hardware design of digital control system for the magnetic suspension bearings based on DSP

ZHANG Ju-xiu QUANShu-hai WANG Yong-sheng
Automation School Wuhan University of Technology Wuhan 430070

In light of the characteristics of a nonlinear and multiple variables magnetic suspension bearing system，a plan of centralized digital control system based on DSP chipset TMS320F2812 is presented．This paper particularly analyzed and describes its key circuits．The control scheme has proper structure and excellent performance，and good applied value and foreground．

magnetic suspension bearing digital control DSP hardware design

U664．21

A

1671-7953（2007）02-0080-04

2006-10-16

修回日期2006-10-27

張菊秀（1952—），女，大學(xué)，副教授。

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號：50175084）