基于dsp的主动磁轴承数字控制器的设计与实现

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1、基于DSP的主动磁轴承数字控制器的设计与实现

2、第1内容显示中lunouseg(this)">移传感器、控制器和功率放大器等组成。位移传感器检测转子偏移参考点（平衡位置）的位移量，控制器将检测到的位移变换成控制信号，功率放大器将控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而使转子维持其悬浮位置不变[1～2]。磁轴承是在转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承，它从根本上改变了传统的支承形式，在能源、交通、超高速超精密加工、航空航天、机器人等高科技领域有着广泛的应用前景[2]。磁轴承的控制器是磁轴承系统的核心关键技术，磁轴承系统动态性能（刚度、

3、阻尼及稳定性等）的好坏取决于所用控制器的控制规律。采用性能优良的控制器可以使磁轴承动态刚度、阻尼与其工作环境甚至是运行状态相适应，且转子的回转精度可通过优化控制逄法、加入前馈及反馈进行补偿等方法来提高[2]。目前广泛使用的模拟控制器虽然在一定程度上满足了磁轴承系统的性能，但存在着参数调整不太方便、硬件结构不易改变等缺点，采用模拟控制实现其它控制策略，如最优控制、非线性控制、μ控制、人工神经网络控制、自适应控制、模糊控制及滑动模态控制等非常困难，甚至无法实现，且控制器体积大、费用高。从提高磁轴承性能和可靠性、增加控制器柔性、减小体积等角度考虑，本文以径向四自由度磁

4、轴承为实验对象，采用数字信号处理器（DSP）作为控制器的CPU，采用PID控制算法，充分发挥DSP硬件和软件编程的优势，用数字控制器取代了传统的模拟控制器[1]。500)this.style.ouseg(this)">1数字控制器的硬件构成图1是径向四自由度磁轴承系统的总本结构框图[1]。数字控制器（虚线以上部分）由四路A/D和四路D/A转换器、ATD-C25-F开发板及PC机构成。ATD-C25-F型开发板中CPU是32位数字信号处理器TMS320C25，时钟频率是40MHz[3]。开发板在系统软件支持下，可以实现对目标系统的硬件调试及软件开发，其命令格式与P

5、CDEBUG命令格式兼容，可以方便可靠地对用户系统进行硬件、软件开发和调试。在对本系统设计时除了考虑开发板、目标板与PC机一起组成控制器外，所设计的目标板只需插上EPROM及DSP芯片，即可脱离开发板及PC机，作为控制器独立工作[1]。500)this.style.ouseg(this)">下面介绍A/D及D/A转换电路。1.1A/D转换电路的设计[1]A/D转换器采用转换频率为200kHz的12位高速器件AD678KD，将AD678KD设计成双极性同步工作方式，数据从低12位输入。TMS320C25与AD678KD连接原理图见图2。1.2D/A转换电路的设计[

6、1]D/A转换芯片采用电流建立时间为1μs的12位D/A转换芯片DAC1210，设计成双极性工作方式，数据从高12位输出，见图3。500)this.style.ouseg(this)">2控制器控制软件的设计2.1控制策略的选取PID控制是控制理论中技术成熟且应用广泛的一种控制方法，它是在长期的工程实践中总结形成的一种控制方法，其典型结构（如P、PD、PID）参数整定方便，结构改变较灵活，在大多数工业生产过程中控制效果较为显著。此外，由于目前大多数工业生产对象的动态特性还不能完全被人们掌握，得不到精确的数学模型，难以用一般控制理论进行分析和综合，而PID控制在自

7、动调节的基础上还保留有人工参与管理玫便于参数调整的特点，所以PID控制仍然是首选的控制策略之一。但是典型的PID存在积分饱和以及微分突变两个弊端。本文以不完全微分PID控制算法为基础，通过软件编程解决上述两个弊端。控制器传递函数的结构框图见图4，传递函数为[4]：Gc(S)=[(1+Tds)/(1+εTdS)][Kp+(Kp/TiS)]式中，Kp——放大系数；Ti——积分时间常数；Td——微分时间常数；ε——微分增益。500)this.style.ouseg(this)">由于Gc(S)用DSP来实现，必须化成离散控制算法。按图4中微分先行的流程，用微分-差分映

8、射设计法求得采样周期为T时，第n个采样时刻各输出量为：u0(n)=k1u0(n-1)+k2ue-k3ue(n-1)u1(n)=kpu0(n)u2(n)=u2(n-1)+k4u0(n)uc(n)=u1(n)+u2(n)其中，k1=(εTd)/(T+εTd),k2=(T+Td)/(T+εTd)，k3=(Td)/(T+εTd),K4=(KpT)/Ti2.2PID控制器参数的优化对一个具体的应用对象，因此PID参数的调节范围广，所以在实际调试中很难找出符合系统性能较优的参数。为了保证整定参数方便并确保整定的参数在比较理想的范围内，通过仿真找出最优参数范围以及参数变化趋势

9、，来指导控制器的调试。仿