磁懸浮軸承位移信號采集系統設計

胡叨福，王凡，趙科杰

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海，519070）

0 引言

磁懸浮軸承具有無機械接觸、無需潤滑油路系統等一系列優點，轉子可以實現無摩擦高速旋轉，其轉速只受轉子材料強度的限制。這些優點使磁懸浮軸承廣泛應用于暖通壓縮機、軌道交通、航空航天、高精度主軸等領域。

磁懸浮軸承控制器是磁懸浮軸承系統的核心部分，其中位移信號采集系統又是磁懸浮軸承控制器的關鍵組成部分之一，控制器通過位移傳感器獲取轉子的位置信息，然后通過CPU進行分析處理，輸出控制信號到功率放大器。磁懸浮軸承的各項基本性能，如剛度、阻尼、轉子懸浮精度和不平衡響應都主要取決于它的控制性能。隨著智能化、數字集成化的發展，采用數字控制器是磁懸浮軸承系統發展的必然趨勢，大部分磁懸浮軸承的位移信號采集系統都由數字信號處理器來實現。

本文以項目中的主動磁懸浮軸承為研究對象，采用TI公司高性能DSP芯片TMS320F28335（以下稱F28335）作為控制器的CPU，以16位AD作為模擬數字轉換器，采用FIR濾波器對采集的信號進行濾波處理，用VS2010編寫軟件接收并保存采集的數據，以便對磁懸浮軸承的運行數據進行離線分析。

1 采集系統硬件結構設計

系統的硬件結構如圖1所示，由信號采樣及預處理、模數轉換、DSP和上位機組成，由DSP采集的位移信號經處理后可通過以太網通信發送給上位機，上位機實現網絡接收、顯示程序，可實時顯示和保存DSP發送來的數據。

圖1 采集系統總體結構框圖

■1.1 F28335與AD976電路設計介紹

AD976是AD公司的一種高速、低功耗、單通道同步采樣轉換，單+5V供電的16位高速并行接口的高性能模數轉換器，內部集成2.5V基準電壓源、高速并行接口和時鐘。它還有一個更重要的特點就是它的模擬信號輸入范圍為-10V到+10V，這是其他很多AD轉換芯片所不能及的。REF為外部參考電源輸入，AGND為REF的參考地，無論在是使用內部或者外部參考電源，在REF和AGND之間都要跨接2.2μF的鉭電容；CS為片選信號，低電平有效[1]。

F28335是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位浮點DSP，它具有豐富的IO口、數據、地址總線等外設接口資源[2]，由于F28335的IO口電平為3.3V，AD976電平為5V，為提高電路可靠性，兩個芯片之間需要增加電平轉換芯片，具體連接原理圖如圖2所示。

圖2 F28335與AD976連接原理圖

■1.2 DSP與PC機之間的網絡通訊硬件設計

本系統采用WIZnet公司的高性能以太網接口芯片W5500作為DSP與上位機之間的以太網通信橋梁，該芯片集成了硬件TCP/IP協議棧、以太網數據鏈路層和以太網物理層，支持TCP、UDP等協議[3]，還集成了SPI（外設串行接口）通信接口，可與 F28335無縫對接，實現DSP與PC機之間的互聯網連接，具體通信原理圖如圖3所示。

圖3 F28335以太網通信電路

2 采集系統軟件設計

■2.1 AD采集程序設計

通過定時中斷能精準控制AD采樣節拍，保證采樣頻率固定，AD976的初始化、開始采樣和數據讀取均用軟件實現，部分功能程序如下：

void StartSample(void) //啟動AD

{

ADCS=0;

ADRC=0;

delay_ns(t1) ;

while(!ADBUSY);

delay_ns(t2) ;

ADRC=1;

}

void ReadData(void) //讀取數據

{

ADRC=1;

ADCS=0;

result=ptrChannel;

}

■2.2 信號濾波程序設計

由于轉子位移信號的準確性在磁懸浮軸承系統中作用非常關鍵，由于磁懸浮軸承工作在強磁場環境，采集系統的濾波性能占有非常重要的地位，目前，數字濾波器是數字信號處理的常用方法，在下位機反饋數據給上位機之前，利用數字濾波器對采集的數據進行濾波處理，用DSP芯片實現數字濾波具有運算速度快、穩定性好、移植方便等優點，在程序中通過修改濾波器的相關系數可十分方便地改變濾波器的帶寬、截止頻率等特性。本系統采用有限沖激響應(FIR)濾波器，其獨特的優點為：FIR系統只有零點，系統總是穩定的，另外容易實現線性相位和允許實現多通道濾波。FIR濾波器的一個主要特征就是其單位沖激響應是有限長的，令x[n]表示時刻n的輸入信號，則n時刻的輸出信號y[n]可以表示為：

其中hi和h[i]等價，即hi=h[i](i= 0 ,1,2,???,N)是濾波器的系數[5]。

實際中可采用MATLAB的數字信號處理軟件包提供的專用函數來直接計算FIR濾波器系數，也可通過MATLAB工具箱中的FDATool(Filter Design&Analysis Tool)生成相應的濾波器系數[4]，本設計采用FDATool生成的系數頭文件不要做任何修即可加載到DSP的工程中實現濾波效果，圖4為DSP對所采集混合信號濾波前后的波形，從圖中可明顯看出所設計的濾波器有很好的濾波效果。

■2.3 上位機網絡通信顯示界面程序設計

本文采用VS2010設計了基于TCP/IP協議的上位機界面，使用C#編寫通信及數據實時顯示程序，使用Socket接口與下位機進行以太網連接，在上位機界面里輸入IP地址和端口號完成與下位機的匹配連接，部分程序如下：

//建立基于TCP/IP協議的套接字

SocketClient = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

//識別輸入的IP地址

IPAddress ip = IPAddress.Parse(txtClientIP.Text.Trim());

//將IP地址和端口號映射到endPoint

IPEndPoint endPoint = new IPEndPoint(ip,int.Parse(txtClientPort.Text));

//將套接字連接到endPoint上

SocketClient.Connect(endPoint);

//保留10像素環繞控件的外部邊緣

zedGraphControlV.Location = new Point(10, 10);

//建立采集數據鏈表

PointPairList listPrecisionFX1 = new PointPairList();

//采集緩沖區

List＜double> tempPrecisionFX1 = new List＜double>();

//FX1位移曲線顯示

LineItem myCurveFX1 = myPane.AddCurve(“FX_Accu”, listPrecisionFX1, Color.Red, SymbolType.Circle);

控制器作為服務器，上位機作為客戶端，建立使用TCP/IP協議的套接字，用戶通過界面輸入服務器的IP和端口號， SocketClient.Connect(endPoint)用來建立與服務器的鏈接，使用zedGraph進行波形繪制，通過PointPairList()建立不同的波形繪制窗口，通過myPane.AddCurve()實現波形數據實時顯示，具體顯示效果如圖5所示。

圖5 VS界面顯示位移曲線效果

3 結束語

本文闡述了基于DSP和網絡通信的磁懸浮軸承位移信號采集系統設計與實現，該系統可快速、有效采集轉軸在運轉中的位置信號，實踐結果表明，該系統具有實時性高、抗干擾能力強、傳輸距離遠等特性，滿足磁懸浮軸承的應用要求。