dSPACE的電磁軸承控制系統半實物仿真研

胡磊，宗鳴

(沈陽工業大學 電氣工程學院，沈陽110870)

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胡磊，宗鳴

(沈陽工業大學 電氣工程學院，沈陽110870)

摘要:介紹了用于高速電機的電磁軸承控制系統的結構和控制原理，以及一種以TMS320F240 DSP芯片為核心的半實物實時仿真系統dSPACE；同時研究將電磁軸承的控制系統設計與dSPACE控制系統開發和測試平臺相結合的方法。研究結果表明，采用dSPACE半實物仿真系統進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的研發周期，而且具有實時性強、可靠性高的特點。

關鍵詞:電磁軸承；dSPACE；控制系統；TMS320F240

引言

高速電機的轉速通常能夠達到每分鐘幾萬轉甚至十幾萬轉，在如此高的轉速下，如果使用傳統的滑動軸承，或者滾動軸承是無法承受摩擦和發熱的[1]。雖然現有的高速電機已經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轉子懸浮于空中，從而實現轉子與電機之間的無接觸。完整的電磁軸承在空間有5個自由度，也就意味著至少要對軸承進行5個方向的控制，但由于磁軸承有一定的對稱性，且人們往往更關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。

現有的仿真控制手段越來越多，但絕大多數都是數學仿真，仿真過程與控制系統實際運行情況相脫離，這就造成了仿真結果完美但實際運行時并不理想。如果重新進行仿真控制過程的建立，不僅需要修改控制器程序，有時甚至需要修改整個控制模型，可以看出,傳統仿真耗時且不直觀。本文介紹了一種基于MATLAB/Simulink的以TMS320F240為核心芯片的控制系統和測試開發平臺——dSPACE，該平臺可以進行在線半實物仿真，仿真結果更貼近實際。本文將dSPACE用于電磁軸承控制系統。

1電磁軸承結構與控制原理

1.1電磁軸承研究現狀

電磁軸承是一種典型的機電一體化產品，它涉及到機械工程學科、電氣工程學科和計算機學科[2]。由于它具有無接觸、無損耗、不需要潤滑、轉子的轉速基本只受轉子的材料限制等優點，越來越受到研究者們的重視。

1.2電磁軸承結構

電磁軸承在磁力結構上主要分為主動磁懸浮軸承(AMB)、被動式磁懸浮軸承(PMB)和混合式磁懸浮軸承(HMB)三種結構[4]。主動磁軸承使用繞組線圈通電流產生電磁力進行控制；被動式磁軸承一般使用永磁體實現對電機轉子的吸引或排斥；混合式磁軸承是主動磁軸承與被動磁軸承相結合，一般用永磁體產生磁場偏置，而控制部分則由通電線圈產生。本文所研究的磁軸承用于高速電機，且磁力結構為主動磁軸承。磁軸承的徑向結構圖如圖1所示。

圖1　電磁軸承徑向結構圖

從圖1中可以看出，磁軸承的空間結構使用8極結構，磁路設計采用的為N-S-S-N-N-S-S-N結構，因此可以將該軸承垂直徑向和水平徑向單獨進行控制。在重力方向上，要想使得轉子穩定懸浮于中心位置，顯然上面一對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，轉子懸浮力的控制是由兩個差動磁鐵共同作用。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磁化，ix為控制電流。圖中兩個三角形代表功率放大器。可以看出磁軸承上面線圈的驅動電流為i0+ix，下面線圈的驅動電流為i0-ix。控制器使用PID數字控制方案，當轉子受到外界擾動時，電渦流傳感器檢測到轉子位移，并將此位移轉化成電壓信號，與轉子在參考位置的電壓進行比較后送入PID數字控制器。PID數字控制器經過計算后輸出控制電壓，并通過功率放大器將電壓轉化為電流后送入電磁軸承線圈。可以看出整個單自由度電磁軸承控制為閉環反饋控制。

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象的傳遞函數：

式中，m為轉子質量，ki為電流-力系數，ks為位移-力系數。

圖3是電磁軸承單自由度控制系統的控制框圖。圖中G(s)為被控對象傳遞函數，Gs(s)在反饋環節表示位移傳感器傳遞函數，Gc(s)表示所設計的控制器，Gp(s)為所設計的功放環節。

圖3　電磁軸承控制框圖

2dSPACE平臺介紹

2.1dSPACE簡介

dSPACE(digital Signal Processing and Control Engineering)實時仿真系統是德國dSPACE公司開發的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及測試工作平臺，其實時系統包含具有高速計算能力的硬件系統，以及方便易用的實現代碼生成、下載和實驗、調試的軟件環境，它實現了和MATLAB/Simulink的完全無縫連接[5]。

可以說dSPACE就是為使用MATLAB/Simulink控制系統仿真而設計的。由于它可以用于控制系統開發及測試的硬件在回路的實時仿真，而且實時性強、可靠性高、快速性好、擴充性好，從而在汽車行業、機器人和電力驅動等領域得到廣泛應用[6]，是一種典型的半實物仿真系統。

2.2dSPACE硬件與軟件

dSPACE由硬件系統和軟件系統組成。硬件系統又可分為標準組件系統和單板系統。其中，單板系統是將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計的大多數I/O，比如A/D、D/A轉換，同時還配有PWM信號發生器用于驅動應用[7]。常見的dSPACE單板系統有DS1103和DS1104。軟件系統由算法開發、實時運行及實時測試和監控三大模塊組成。三大模塊的功能如圖4所示。

圖4　dSPACE實時仿真系統框圖

算法模塊是在Simulink中進行控制系統模型的建立，或者直接用C語言對控制模型編寫代碼。實時運行模塊是在上一步Simulink建立好的系統控制框圖前提下，用MATLAB的RTW以及dSPACE的實時接口(RTI)自動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]。實施測試和監控模塊主要是使用dSPACE提供的人機交互界面ControlDesk，進行相關控制參數變量的采集、觀察和調整[8]。

2.3dSPACE操作流程

dSPACE控制系統操作的一般流程如圖5所示。首先在MATLAB/Simulink環境對被控系統進行數學建模，可以對系統進行離線仿真；然后對Simulink框圖中需要下載到dSPACE的模塊進行保留，從RTI庫中選擇實時測試所需的I/O并進行配置；接著用MATLAB的RTW自動生成控制系統的實時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；最后利用人機交互界面ControlDesk軟件對被控對象進行采集數據、修改參數等交互操作[9]。

圖5　dSPACE控制系統一般流程圖

3基于dSPACE平臺的電磁軸承控制系統應用

3.1電磁軸承使用dSPACE的優勢

電磁軸承對控制系統的實時性、控制精度、快速性等都有很高的要求，而且模型的確立、控制器的設計以及相關參數的確定等比較困難。dSPACE實時仿真系統擁有眾多的優點，而且專門為MATLAB/Simulink仿真控制系統所設計，因此，本文嘗試將電磁軸承控制系統的研究與dSPACE實時仿真系統相結合。

3.2dSPACE與電磁軸承結合的開發環境

dSPACE在線實時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，本文將采用快速原型方式。將dSPACE作為實時控制器與電磁軸承系統連接起來，輸出功放驅動信號，從而可以構成基于dSPACE的電磁軸承在線實時控制系統。整個系統的開發環境如圖6所示。

圖6　dSPACE與電磁軸承結合的開發環境

3.3dSPACE單板系統的選擇

dSPACE的單板系統采用DS1104控制板。DS1104控制板是新開發的用于快速控制原型的單板硬件，價格比較低廉，而且是完全的圖形化設計，Simulink/stateflow建模和實驗管理軟件，僅占用一個PC的PCI插槽。DS1104單板內置TI公司的TMS320F240 DSP芯片，能夠產生PWM信號，而且具有14位的數字I/O口，同時該單板提供8通道A/D轉換、8通道D/A轉換、20位的數字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

結合對電磁軸承數學模型和傳遞函數的建立，啟動MATLAB/Simulink后，建立系統方框圖略——編者注。電磁軸承控制系統方框圖，并輸入相關參數。

3.5電磁軸承與dSPACE軟硬件的整合

基于dSPACE的電磁軸承系統框架圖如圖8所示，系統通過RTW和RTI實現dSPACE與MATLAB數據的無縫連接。通過dSPACE的DS2003的A/D模塊，可以對電渦流位移傳感器測得的轉子位置轉化后的電壓進行采集，而dSPACE的DS5101數字波形捕獲板可以產生PWM電壓信號，再將該電壓信號通過功率放大器模塊轉化為控制電流輸入到磁軸承線圈里，從而能夠對電磁軸承轉子進行數字控制。

圖8　基于dSPACE的電磁軸承系統框架圖

3.6磁軸承控制系統程序圖

從MATLAB RTI庫中選擇DS2003 A/D面板作為控制系統的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，同時要對該A/D口進行合適的參數設計。同樣D/A口使用DS5101模塊并對其進行包括PWM的占空比和頻率的初值等的初始化設置。同時注意要把Simulink框圖中的示波器之類的無關框圖去掉，并選擇整個電磁軸承控制系統所需的其他模塊，并將其拖放到Simulink框圖中進行連接，設置好系統的仿真算法和步長。磁軸承控制系統程序圖略——編者注。

3.7實時控制與人機交互

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，即可自動完成控制系統實時C代碼生成、編譯、鏈接和下載。該功能主要是由MATLAB/RTW與dSPACE/RTI實現的。C代碼下載完成后即可對磁軸承控制系統進行實時控制，通過ControlDesk可以對轉子位置以及控制電流進行人機交互式采集觀察和參數修改。

結語

在dSPACE平臺上進行電磁軸承單自由度控制系統的半實物仿真研究，不僅可以利用平臺的優越性直接產生C代碼，免去了繁雜的手工編程調試，縮短研發周期，而且由于dSPACE的軟硬件的實時性、快速性和可靠性高等優點，使得控制系統仿真更加貼近實際情況。同時dSPACE半實物仿真同樣適用于其他各種控制系統的開發與研究，因此擁有廣闊的應用前景。

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

參考文獻

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[6] 楊化方.基于滑模變結構控制的電動汽車穩定性控制系統研究[D].淄博：山東理工大學，2009.

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[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)，研究方向為磁懸浮軸承；宗鳴(教授)，研究方向為特種電機及其控制。

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：(責任編輯：楊迪娜2015-11-24)

中圖分類號:TP271.4

文獻標識碼:A