胡磊，宗鳴

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽110870)

?

胡磊，宗鳴

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽110870)

摘要:介紹了用于高速電機(jī)的電磁軸承控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制原理，以及一種以TMS320F240 DSP芯片為核心的半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)dSPACE；同時(shí)研究將電磁軸承的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與dSPACE控制系統(tǒng)開發(fā)和測(cè)試平臺(tái)相結(jié)合的方法。研究結(jié)果表明，采用dSPACE半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行電磁軸承單自由度的控制是可行的，不僅可以縮短電磁軸承控制系統(tǒng)的研發(fā)周期，而且具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:電磁軸承；dSPACE；控制系統(tǒng)；TMS320F240

引言

高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常能夠達(dá)到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)甚至十幾萬轉(zhuǎn)，在如此高的轉(zhuǎn)速下，如果使用傳統(tǒng)的滑動(dòng)軸承，或者滾動(dòng)軸承是無法承受摩擦和發(fā)熱的[1]。雖然現(xiàn)有的高速電機(jī)已經(jīng)有很多種軸承支撐方案，但使用磁懸浮軸承仍然受到廣大軸承研究者們的青睞。磁懸浮軸承是通過電磁力將電機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮于空中，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與電機(jī)之間的無接觸。完整的電磁軸承在空間有5個(gè)自由度，也就意味著至少要對(duì)軸承進(jìn)行5個(gè)方向的控制，但由于磁軸承有一定的對(duì)稱性，且人們往往更關(guān)心的是重力方向的控制，因此本文著重探討磁軸承徑向單自由度的控制。

現(xiàn)有的仿真控制手段越來越多，但絕大多數(shù)都是數(shù)學(xué)仿真，仿真過程與控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況相脫離，這就造成了仿真結(jié)果完美但實(shí)際運(yùn)行時(shí)并不理想。如果重新進(jìn)行仿真控制過程的建立，不僅需要修改控制器程序，有時(shí)甚至需要修改整個(gè)控制模型，可以看出,傳統(tǒng)仿真耗時(shí)且不直觀。本文介紹了一種基于MATLAB/Simulink的以TMS320F240為核心芯片的控制系統(tǒng)和測(cè)試開發(fā)平臺(tái)——dSPACE，該平臺(tái)可以進(jìn)行在線半實(shí)物仿真，仿真結(jié)果更貼近實(shí)際。本文將dSPACE用于電磁軸承控制系統(tǒng)。

1電磁軸承結(jié)構(gòu)與控制原理

1.1電磁軸承研究現(xiàn)狀

電磁軸承是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它涉及到機(jī)械工程學(xué)科、電氣工程學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)科[2]。由于它具有無接觸、無損耗、不需要潤滑、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速基本只受轉(zhuǎn)子的材料限制等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到研究者們的重視。

1.2電磁軸承結(jié)構(gòu)

電磁軸承在磁力結(jié)構(gòu)上主要分為主動(dòng)磁懸浮軸承(AMB)、被動(dòng)式磁懸浮軸承(PMB)和混合式磁懸浮軸承(HMB)三種結(jié)構(gòu)[4]。主動(dòng)磁軸承使用繞組線圈通電流產(chǎn)生電磁力進(jìn)行控制；被動(dòng)式磁軸承一般使用永磁體實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的吸引或排斥；混合式磁軸承是主動(dòng)磁軸承與被動(dòng)磁軸承相結(jié)合，一般用永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)偏置，而控制部分則由通電線圈產(chǎn)生。本文所研究的磁軸承用于高速電機(jī)，且磁力結(jié)構(gòu)為主動(dòng)磁軸承。磁軸承的徑向結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　電磁軸承徑向結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看出，磁軸承的空間結(jié)構(gòu)使用8極結(jié)構(gòu)，磁路設(shè)計(jì)采用的為N-S-S-N-N-S-S-N結(jié)構(gòu)，因此可以將該軸承垂直徑向和水平徑向單獨(dú)進(jìn)行控制。在重力方向上，要想使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮于中心位置，顯然上面一對(duì)磁極的電流要大于下面。

1.3電磁軸承控制原理

圖2是電磁軸承單自由度控制原理圖，轉(zhuǎn)子懸浮力的控制是由兩個(gè)差動(dòng)磁鐵共同作用。位移傳感器使用電渦流傳感器，i0為偏置電流，主要是給磁軸承線圈預(yù)磁化，ix為控制電流。圖中兩個(gè)三角形代表功率放大器?？梢钥闯龃泡S承上面線圈的驅(qū)動(dòng)電流為i0+ix，下面線圈的驅(qū)動(dòng)電流為i0-ix?？刂破魇褂肞ID數(shù)字控制方案，當(dāng)轉(zhuǎn)子受到外界擾動(dòng)時(shí)，電渦流傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位移，并將此位移轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，與轉(zhuǎn)子在參考位置的電壓進(jìn)行比較后送入PID數(shù)字控制器。PID數(shù)字控制器經(jīng)過計(jì)算后輸出控制電壓，并通過功率放大器將電壓轉(zhuǎn)化為電流后送入電磁軸承線圈。可以看出整個(gè)單自由度電磁軸承控制為閉環(huán)反饋控制。

圖2　電磁軸承單自由度控制原理圖

限于篇幅，本文直接給出磁軸承單自由度被控對(duì)象的傳遞函數(shù)：

式中，m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，ki為電流-力系數(shù)，ks為位移-力系數(shù)。

圖3是電磁軸承單自由度控制系統(tǒng)的控制框圖。圖中G(s)為被控對(duì)象傳遞函數(shù)，Gs(s)在反饋環(huán)節(jié)表示位移傳感器傳遞函數(shù)，Gc(s)表示所設(shè)計(jì)的控制器，Gp(s)為所設(shè)計(jì)的功放環(huán)節(jié)。

圖3　電磁軸承控制框圖

2dSPACE平臺(tái)介紹

2.1dSPACE簡介

dSPACE(digital Signal Processing and Control Engineering)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測(cè)試工作平臺(tái)，其實(shí)時(shí)系統(tǒng)包含具有高速計(jì)算能力的硬件系統(tǒng)，以及方便易用的實(shí)現(xiàn)代碼生成、下載和實(shí)驗(yàn)、調(diào)試的軟件環(huán)境，它實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink的完全無縫連接[5]。

可以說dSPACE就是為使用MATLAB/Simulink控制系統(tǒng)仿真而設(shè)計(jì)的。由于它可以用于控制系統(tǒng)開發(fā)及測(cè)試的硬件在回路的實(shí)時(shí)仿真，而且實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、快速性好、擴(kuò)充性好，從而在汽車行業(yè)、機(jī)器人和電力驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]，是一種典型的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。

2.2dSPACE硬件與軟件

dSPACE由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)又可分為標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)和單板系統(tǒng)。其中，單板系統(tǒng)是將DSP和I/O全部集成于一塊板子上，I/O包括采用快速控制原型設(shè)計(jì)的大多數(shù)I/O，比如A/D、D/A轉(zhuǎn)換，同時(shí)還配有PWM信號(hào)發(fā)生器用于驅(qū)動(dòng)應(yīng)用[7]。常見的dSPACE單板系統(tǒng)有DS1103和DS1104。軟件系統(tǒng)由算法開發(fā)、實(shí)時(shí)運(yùn)行及實(shí)時(shí)測(cè)試和監(jiān)控三大模塊組成。三大模塊的功能如圖4所示。

圖4　dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)框圖

算法模塊是在Simulink中進(jìn)行控制系統(tǒng)模型的建立，或者直接用C語言對(duì)控制模型編寫代碼。實(shí)時(shí)運(yùn)行模塊是在上一步Simulink建立好的系統(tǒng)控制框圖前提下，用MATLAB的RTW以及dSPACE的實(shí)時(shí)接口(RTI)自動(dòng)完成模型的代碼生成、編譯、鏈接和下載，一些手工編寫的模型需要通過dSPACE提供的批處理命令[7]。實(shí)施測(cè)試和監(jiān)控模塊主要是使用dSPACE提供的人機(jī)交互界面ControlDesk，進(jìn)行相關(guān)控制參數(shù)變量的采集、觀察和調(diào)整[8]。

2.3dSPACE操作流程

dSPACE控制系統(tǒng)操作的一般流程如圖5所示。首先在MATLAB/Simulink環(huán)境對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行離線仿真；然后對(duì)Simulink框圖中需要下載到dSPACE的模塊進(jìn)行保留，從RTI庫中選擇實(shí)時(shí)測(cè)試所需的I/O并進(jìn)行配置；接著用MATLAB的RTW自動(dòng)生成控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)C代碼，用dSPACE的RTI等功能將生成的C代碼下載到控制面板芯片DSP中；最后利用人機(jī)交互界面ControlDesk軟件對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行采集數(shù)據(jù)、修改參數(shù)等交互操作[9]。

圖5　dSPACE控制系統(tǒng)一般流程圖

3基于dSPACE平臺(tái)的電磁軸承控制系統(tǒng)應(yīng)用

3.1電磁軸承使用dSPACE的優(yōu)勢(shì)

電磁軸承對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、控制精度、快速性等都有很高的要求，而且模型的確立、控制器的設(shè)計(jì)以及相關(guān)參數(shù)的確定等比較困難。dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)擁有眾多的優(yōu)點(diǎn)，而且專門為MATLAB/Simulink仿真控制系統(tǒng)所設(shè)計(jì)，因此，本文嘗試將電磁軸承控制系統(tǒng)的研究與dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)相結(jié)合。

3.2dSPACE與電磁軸承結(jié)合的開發(fā)環(huán)境

dSPACE在線實(shí)時(shí)仿真有快速控制原型和硬件在回路中的仿真兩種方法，鑒于電磁軸承控制系統(tǒng)，本文將采用快速原型方式。將dSPACE作為實(shí)時(shí)控制器與電磁軸承系統(tǒng)連接起來，輸出功放驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而可以構(gòu)成基于dSPACE的電磁軸承在線實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境如圖6所示。

圖6　dSPACE與電磁軸承結(jié)合的開發(fā)環(huán)境

3.3dSPACE單板系統(tǒng)的選擇

dSPACE的單板系統(tǒng)采用DS1104控制板。DS1104控制板是新開發(fā)的用于快速控制原型的單板硬件，價(jià)格比較低廉，而且是完全的圖形化設(shè)計(jì)，Simulink/stateflow建模和實(shí)驗(yàn)管理軟件，僅占用一個(gè)PC的PCI插槽。DS1104單板內(nèi)置TI公司的TMS320F240 DSP芯片，能夠產(chǎn)生PWM信號(hào)，而且具有14位的數(shù)字I/O口，同時(shí)該單板提供8通道A/D轉(zhuǎn)換、8通道D/A轉(zhuǎn)換、20位的數(shù)字I/O口以及同步串行接口[10]。DS1104控制板與TMS320F240芯片如圖7所示。

圖7　DS1104控制板與TMS320F240芯片

3.4MATLAB/Simulink控制框圖建立

結(jié)合對(duì)電磁軸承數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)的建立，啟動(dòng)MATLAB/Simulink后，建立系統(tǒng)方框圖略——編者注。電磁軸承控制系統(tǒng)方框圖，并輸入相關(guān)參數(shù)。

3.5電磁軸承與dSPACE軟硬件的整合

基于dSPACE的電磁軸承系統(tǒng)框架圖如圖8所示，系統(tǒng)通過RTW和RTI實(shí)現(xiàn)dSPACE與MATLAB數(shù)據(jù)的無縫連接。通過dSPACE的DS2003的A/D模塊，可以對(duì)電渦流位移傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)化后的電壓進(jìn)行采集，而dSPACE的DS5101數(shù)字波形捕獲板可以產(chǎn)生PWM電壓信號(hào)，再將該電壓信號(hào)通過功率放大器模塊轉(zhuǎn)化為控制電流輸入到磁軸承線圈里，從而能夠?qū)﹄姶泡S承轉(zhuǎn)子進(jìn)行數(shù)字控制。

圖8　基于dSPACE的電磁軸承系統(tǒng)框架圖

3.6磁軸承控制系統(tǒng)程序圖

從MATLAB RTI庫中選擇DS2003 A/D面板作為控制系統(tǒng)的A/D口，并將其拖放到所建立的電磁軸承控制框圖來代替離線控制程序的輸入信號(hào)，同時(shí)要對(duì)該A/D口進(jìn)行合適的參數(shù)設(shè)計(jì)。同樣D/A口使用DS5101模塊并對(duì)其進(jìn)行包括PWM的占空比和頻率的初值等的初始化設(shè)置。同時(shí)注意要把Simulink框圖中的示波器之類的無關(guān)框圖去掉，并選擇整個(gè)電磁軸承控制系統(tǒng)所需的其他模塊，并將其拖放到Simulink框圖中進(jìn)行連接，設(shè)置好系統(tǒng)的仿真算法和步長。磁軸承控制系統(tǒng)程序圖略——編者注。

3.7實(shí)時(shí)控制與人機(jī)交互

連接好dSPACE的硬件和軟件后，將圖所建立好的電磁軸承程序圖按下Ctrl+B鍵，即可自動(dòng)完成控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)C代碼生成、編譯、鏈接和下載。該功能主要是由MATLAB/RTW與dSPACE/RTI實(shí)現(xiàn)的。C代碼下載完成后即可對(duì)磁軸承控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過ControlDesk可以對(duì)轉(zhuǎn)子位置以及控制電流進(jìn)行人機(jī)交互式采集觀察和參數(shù)修改。

結(jié)語

在dSPACE平臺(tái)上進(jìn)行電磁軸承單自由度控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真研究，不僅可以利用平臺(tái)的優(yōu)越性直接產(chǎn)生C代碼，免去了繁雜的手工編程調(diào)試，縮短研發(fā)周期，而且由于dSPACE的軟硬件的實(shí)時(shí)性、快速性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，使得控制系統(tǒng)仿真更加貼近實(shí)際情況。同時(shí)dSPACE半實(shí)物仿真同樣適用于其他各種控制系統(tǒng)的開發(fā)與研究，因此擁有廣闊的應(yīng)用前景。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

參考文獻(xiàn)

[1] 王繼強(qiáng)，王鳳翔，宗鳴.高速電機(jī)磁軸承——轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007(27).

[2] G施韋策，H布魯勒，A特拉克斯勒.主動(dòng)磁軸承基礎(chǔ)、性能及應(yīng)用[M].虞烈，袁崇軍，等譯.北京：新時(shí)代出版社，1997.

[3] 施威策爾,徐旸,張剴，等.磁懸浮軸承——理論、設(shè)計(jì)及旋轉(zhuǎn)機(jī)械應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4] 宗鳴.永磁偏置混合式磁軸承及其控制方法的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2007.

[5] 曹廣忠，潘劍飛，黃蘇丹，等.磁懸浮系統(tǒng)控制算法及實(shí)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2013.

[6] 楊化方.基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的電動(dòng)汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)研究[D].淄博：山東理工大學(xué)，2009.

[7] 北京九州恒潤科技有限公司.基于Matlab/Simulink平臺(tái)實(shí)時(shí)快速原型及硬件在回路仿真的一體化解決途徑，2003.

[8] 吳進(jìn)華，劉洪興，史賢俊.dSPACE仿真平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真原理研究及其應(yīng)用[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2004(z2).

[9] 丁征宇.基于dSPACE的單自由度磁懸浮平臺(tái)快速控制原型研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[10] Z A Ghani，M A Hannan，A Mohamed.Simulation Model linked PV Inverter Implementation Utilizing dSPACE DS1104 Controller[J].Energy and Buildings,2013，57(1):65-73.

胡磊(碩士研究生)，研究方向?yàn)榇艖腋≥S承；宗鳴(教授)，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制。

Hu Lei,Zong Ming

(School of Electrical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

Abstract：The structure and control principle of the electromagnetic bearing control system of the high speed motor are introduced,and the semi-physical simulation system dSPACE which takes TMS320F240 as the core is described.At the same time,the combination of the electromagnetic bearing control system and the dSPACE control system is studied.The research results show that the control of the single freedom degree of the electromagnetic bearing using the dSPACE semi-physical simulation system is feasible,which not only shortens the development cycle of the electromagnetic bearing control system,but also has high real-time and high reliability.

Key words:electromagnetic bearing;dSPACE;control system;TMS320F240

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-11-24)

中圖分類號(hào):TP271.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A