磁悬浮支承系统数字控制器硬件设计

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1、磁悬浮支承系统数字控制器硬件设计吴国庆周井玲（南通大学机械工程学院南通226019）摘要:控制器是磁悬浮支承系统的最关键部件，其性能在很大程度上决定着磁悬浮支承系统的机械和电气方面的性能。传统的模拟控制器只能实现比较简单的控制算法，在线调整控制参数的能力很弱；而数字控制器可以实现的算法是复杂多样的，且能够根据系统的运行状况，在线调节控制参数，使之达到最佳的控制效果和性能指标。本文主要介绍数字控制器的构成及主要设计方法。关键词：磁悬浮，模拟控制器，数字控制器6控制器是磁悬浮支承系统的最关键部件，其性能在很大程度上决定着磁悬浮支承系统的机械和电

2、气方面的性能，如：刚度、阻尼、承载力以及响应时间等。控制器按照控制过程中传输的信号类别可以分为模拟控制器和数字控制器两大类。由于模拟控制器响应时间短，所以在数字器件不成熟的时期，几乎所有的磁悬浮支承系统控制器都是模拟控制器，它的快速性能可以满足小型磁悬浮支承系统的要求。但是模拟控制器也存在着不足之处，如只能实现比较简单的控制算法：模拟PD控制、模拟PID控制等；在线调整控制参数的能力很弱。随着数字器件的飞速发展，在磁悬浮支承系统中使用数字技术(指数字器件和开关技术)已是控制器研究领域中的趋势所在[1]。数字控制器可以实现的算法是复杂多样的，

3、如数字PID控制、MIMO控制、H∞控制、自适应控制、模糊控制等，且能够根据系统的运行状况，在线调节控制参数，使之达到最佳的控制效果和性能指标。同时，它也为磁轴承智能化的实现奠定了物质基础。本文将扼要介绍模拟控制器和数字控制器的构成及主要设计方法和技术指标。1模拟控制器模拟控制器在磁悬浮支承系统应用中的研究已较为成熟。为了改善系统的静态特性，目前在磁悬浮支承系统中常用的是PID控制器。PID控制器是由比例环节P、积分环节I和微分环节D组合而成。在组成过程中，采用不同的结构可以获得不同的模拟PID控制器。(a)串联行(b)串并行(c)并联行图

4、1常用模拟PID控制器的不同组合结构利用上述三种基本控制环节单元，按照串联和并联的方法，组成常见的PID控制器结构如图1所示。2数字控制器性能良好的数字控制器硬件电路是核心控制算法设计和调试的坚实基础。本文采用的控制器硬件结构见图2所示。它由DSP系统，模拟信号预处理，D/A转换器，通迅接口及存储器和I/O等部分组成。在该数字控制器硬件电路上可以实现不同的控制算法，如：PID控制算法、MIMO控制算法、改进的PID控制算法、智能控制算法等，具有很强的平台通用性和算法可移植性。6图2中，6路模拟信号预处理用于把从位置传感器来的信号进行电平转换

5、，经抗混迭滤波器处理后送A/D转换器。A/D转换器采用的是集成在DSP片内的两个并行的10位A/D模块，每个通道转换时间约500ns。6路D/A用于将DSP运算后的数字控制输出信号转换为模拟电压信号，控制磁悬浮支承系统功率放大器输出相应的电流。DSP芯片输出6路脉宽调制(PWM)信号，用来驱动电动机调速系统的三相桥主电路。JTAG接口与DSP开发器连接，可以方便地向DSP芯片写入程序，调整控制参数。图2控制器硬件结构2.1数字信号处理器设计磁悬浮支承系统数字控制器时，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。目前在DSP芯片市场上，TI、AD、M

6、OTOROLA、AT&T等公司的产品占主导地位，其中TI公司占据将近一半的份额。根据系统的控制要求，本文选用TI公司的TMS320LF2407A数字信号处理器作为核心器件。TMS320LF2407A芯片是专为数字变频调速电动机设计的一种数字信号处理器。在芯片内部集成了为数字变频电动机控制应用而优选的片内外设，16通道PWM输出，4个通用定时器，6个事件捕获单元，双10位A/D转换器和16通道的多路开关，不但简化了外围电路，使可靠性得到提高，还大大提高了运算速度和控制精度。2.2系统电源设计一个完整的DSP控制系统由DSP芯片和其他必要的外围

7、芯片构成，芯片间的工作电平常常存在差异，其以5V和3.3V电压居多。本文以LF2407A为核心的控制板采用外部单5V电源供电方式，由于LF2407ADSP需采用单3.3V的数字工作电源，且系统对这种供电电源的品质要求较高，因此在控制板设计时，DSP芯片的3.3V工作电源的可靠供给问题需要着重考虑。在DSP控制板的整体结构设计时，对于电源供给方案，需要考虑3.3V低压DSP与5V外围器件的接口电平衔接(转换)问题。因为对于低压DSP芯片来说，其管脚信号的高低电平门限值与普通5VTTL门限是一致的，DSP的输出可以直接驱动5V器件的输入，不用电

8、平转换；但若将5V器件的输出直接加在低压DSP管脚上，会超过DSP管脚的耐压限度(3.3VI/O管脚只耐压3.6V输入电压)，而使DSP损坏或工作异常。表1TPS7333Q的性能