基于DSP的磁懸浮軸承數字控制系統硬件設計*

張菊秀 全書海 王永生

武漢理工大學自動化學院 武漢 430070

基于DSP的磁懸浮軸承數字控制系統硬件設計*

張菊秀 全書海 王永生

武漢理工大學自動化學院 武漢 430070

針對多變量非線性的磁懸浮軸承控制系統，采用集中數字控制系統的硬件設計方案，給出以DSP芯片TMS320F2812為核心的控制系統硬件結構圖，并對其中的關鍵電路進行了分析及描述。該硬件系統己經成功地應用在磁懸浮軸承控制系統中，取得了較好的控制效果。

磁懸浮軸承 數字控制 DSP 硬件設計

磁懸浮軸承是利用可控磁場力將轉軸無機械接觸、無磨損、無潤滑地懸浮并高速旋轉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床、能源、交通及機器人等高科技領域具有廣泛的應用前景。因為磁懸浮軸承具有不穩定性，所以對其控制系統的實時性和可靠性的要求非常高，磁懸浮軸承控制系統的設計是磁懸浮軸承系統的關鍵部分。

以五自由度磁懸浮磨削電主軸為研究對象，采用集中數字控制系統的硬件設計方案，以高性能的嵌入式數字信號處理器DSP芯片TMS320F2812為核心，構建了磁懸浮軸承控制系統硬件平臺，為提高系統的動態性能奠定了基礎。

1 集中數字式控制方案和系統結構

磁懸浮軸承控制系統的控制方案可以分模擬式控制和數字式控制兩種。在早期的磁懸浮軸承控制系統大多采用了前者，而隨著現代控制理論和電子技術的飛速發展，當今的磁懸浮軸承控制系統都摒棄了模擬式控制而逐漸地轉向了數字控制系統，因為數字式控制具有控制精度高、動態性能優良的特點，是今后發展的主要方向［1］。

磁懸浮軸承數字控制系統主要有集散式控制系統和集中式控制系統［2］。集散式控制系統的設計原則是分散控制，集中管理，即將控制任務按照一定的任務組合，有效地分配到多個控制點上去，各個控制點不但顯示此控制點的控制信息，還要將每個控制點的運行情況傳送到總機上，再由總機來構建整個軸承的控制情況，從而實現對整個控制系統的監控。由于集散式控制所需硬件架構復雜，系統過于龐大，且相應的連接接口太多，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的產品化。

根據磁懸浮軸承系統的特點及控制要求，在實驗的基礎上，采用集中式控制方法。磁懸浮軸承集中式控制系統結構簡圖見圖1，它是將整個控制系統壓縮到一個控制器內（不包括功率放大模塊和傳感器模塊）?？刂破鲀劝撕诵奶幚砥鱀SP、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，以減少干擾源的產生幾率，降低系統成本，縮小系統體積，使功能高度集成，處理集中，實時性較強，便于提高系統的響應速度。

圖1 磁懸浮軸承集中式控制系統結構簡圖

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

DSP負責信號的采集與處理，控制算法的實施，輸入輸出控制等任務。TMS320F2812芯片從運行速度、集成度和功能上都完全符合磁懸浮軸承控制系統需求，從而使低成本磁懸浮軸承控制器的實現成為可能。

2 高速AD采樣及其應用的實施

在整個磁懸浮主軸控制系統中，主軸位置的測量是至關重要的。傳感器的信號經過適當的硬件模擬濾波等處理后到達A／D采樣通道，A／D將模擬信號轉換成相應的數字信號，A／D的精度和分辨率以及采樣轉化時間都是至關重要的，它們直接決定著系統的控制精度和控制速度。

本系統要求能分辨1μm信號，根據傳感器的特性，必須要求有至少為12位的分辨率，且轉換速度要快。而TMS320F2812芯片本身具有12位、16通道的A／D，且轉換速度高，所以可以滿足系統的需要。由于該系統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行轉換，即將輸入傳感器電壓從0～5．0 V轉換為對應的0～3．0 V［3］，圖2給出了電壓轉換及濾波電路圖。

圖2 電壓轉換及濾波電路圖

圖2中采用了運算放大器LF353，LF353內含雙運放。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，兩運放之間是采用的精密電阻分壓網絡，電阻精度為千分之一，其運算公式為

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以轉速20 000 r／min、軸承每轉一周控制15次來考慮，則相應的采樣頻率為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，所以必須對信號進行低通濾波。Z1是穩壓管，主要是為了防止輸入信號為負值或超過DSP的A／D輸入信號電壓峰值，正常情況下管子不工作，當輸入信號超過3．3 V或者為負時，管子工作導通，從而保護DSP芯片主電路。

3 DA模塊與DSP之間的硬件接口

D／A轉換是連接主控制器和功率放大器的中間環節，經過數字信號處理器運算后得到的控制信號仍然是數字信號形式，須經過D／A變換將該結果轉化為模擬信號后，輸出到功率放大電路，產生相應的控制電流，使磁力線圈產生電磁力，拉動轉子回到平衡位置?？紤]到控制器和功率放大器強電之間的隔離及干擾問題，采用美信半導體公司的MAX526快速D／A轉換芯片。MAX526是 4路12位、電壓輸出型數模轉換器，采用—5 V和12 V供電。數據通過兩次寫操作（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據裝入DAC寄存器［3］。MAX526與TMS320F2812接口的硬件結構見圖3。

圖3中只給出了一個DA芯片的連接，實際中用到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輸出控制信號先經過CPLD進行邏輯選擇和驅動，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基準源選用高精度低噪聲的MAX6350來為3個DA芯片提供轉換基準電壓，若驅動能力不夠，可以通過跳接OP07來增加驅動輸出。

D／A轉換的設計較為靈活，可以通過硬件及軟件的設定使每次輸出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所需10路D／A輸出可以實現同步輸出，這樣為系統實現精確控制提供了條件。

4 功率放大器的設計

控制器經過控制運算，并將其計算結果經數模轉換后并不能直接驅動電磁線圈，而必須經過功率放大器進行功率放大后才能驅動電磁線圈工作。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；而開關功放負載穩定度高，輸出紋波電壓小，瞬態響應快，結構簡單，技術成熟，已成為磁軸承控制系統功放的首選。為本系統設計的半橋型開關功率放大器，其基本結構見圖4。

圖3 MAX526與TMS320F2812接口的硬件結構圖

圖4 半橋型開關功率放大器

用半橋型功率電路時，驅動電路中不需要加死區電路，場效應管可以整周期打開，從而提高了功率放大器的電流響應速度和系統的可靠性。磁懸浮軸承系統中，懸浮線圈實質上就是電磁鐵，線圈中只要有電流，無論電流是什么方向，線圈都會吸引轉子，進而改變轉子在軸承中的位置，所以不需要使懸浮線圈中的電流改變方向。

5 結論

采用集中控制技術和TMS320F2812數字信號處理芯片等構成的磁懸浮軸承數字控制系統硬件電路，結構合理，性價比高，抗干擾能力強，該系統已經成功地應用在磁懸浮軸承控制系統中，實現了磁懸浮軸承在20 000 r／min轉速下的穩定懸浮，具有良好的應用價值和前景。

［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路數模轉換器MAX526與單片機的接口應用［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，副教授。

*國家自然科學基金資助項目（編號：50175084）