數(shù)模混合式控制器在磁懸浮電主軸中的應(yīng)用研究

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（1.常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇常州 213002；2.上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072）

1 引言

電主軸是近些年在數(shù)控機床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術(shù)。高速數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨立出來，稱為“電主軸”。

磁懸浮電主軸就是將電磁軸承代替機械軸承，與電機按機床主軸的結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，如銑床電主軸為空心結(jié)構(gòu)、磨床電主軸有裝卡砂輪的機構(gòu)等［1］。電磁軸承是通過可控的磁場力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機械接觸的一種新型高性能軸承，在高速數(shù)控機床、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［2-3］。在磁懸浮電主軸中，轉(zhuǎn)子與軸承之間的間隙隨著轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)而不斷發(fā)生變化，需要實時地根據(jù)位移變化及時控制線圈電流的大小，因此控制器是磁懸浮電主軸中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一［4］。

控制器按實現(xiàn)形式分為模擬控制器和數(shù)字控制器［5］。模擬控制器由OP放大器電路組成，其優(yōu)點是響應(yīng)快、實現(xiàn)容易，缺點是參數(shù)需要人工來調(diào)整，調(diào)試比較困難、可靠性低、難以實現(xiàn)先進的控制算法；數(shù)字控制器是由數(shù)字控制芯片和其外圍電路構(gòu)成，分為硬件和軟件2個部分，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制方案、進行大量額外任務(wù)的處理、實現(xiàn)在線識別、故障診斷等，缺點是開發(fā)較困難，對于復(fù)雜算法的響應(yīng)速度不夠快［6］。本文針對模擬控制器與數(shù)字控制器的不足，并結(jié)合它們的優(yōu)點，設(shè)計了一種基于TMS320F28332 DSP和數(shù)字電位器的數(shù)?；旌鲜娇刂破?，完成對磁懸浮電主軸的控制。

2 磁懸浮電主軸的結(jié)構(gòu)

本文研究的主動磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。磁懸浮電主軸主要由傳感器、轉(zhuǎn)子、軸向磁懸浮軸承、徑向磁懸浮軸承、推力盤、驅(qū)動電機和保護軸承組成，其中軸向的磁懸浮軸承裝在中間推力盤處，起到轉(zhuǎn)子在軸向平衡的作用；徑向磁懸浮軸承共2個，分別安裝在轉(zhuǎn)子的左右兩端，起到轉(zhuǎn)子在水平方向和豎直方向的位置平衡的作用，2個徑向的磁懸浮軸承和一個軸向的磁懸浮軸承構(gòu)成了一個5自由度（DOF）的磁懸浮軸承系統(tǒng)，分別是水平2個方向、豎直2個方向和軸向。傳感器主要用來檢測轉(zhuǎn)子的實際位置。保護軸承共有2個，分別位于轉(zhuǎn)子的兩端，主要起到當(dāng)磁懸浮軸承系統(tǒng)失控時，臨時支承高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的作用，防止轉(zhuǎn)子與電機定子及磁懸浮軸承定子相碰撞而損壞整個電主軸。

圖1 磁懸浮電主軸的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of active maglev electric spindle

在磁懸浮電主軸中，轉(zhuǎn)子是被控對象，電磁鐵是產(chǎn)生磁場力的執(zhí)行元件［7］。當(dāng)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)生偏移時，位移傳感器檢測出轉(zhuǎn)子的位移，與參考位置比較得到的位移偏差信號進入控制器，控制器通過運算得到相應(yīng)的控制信號，然后由功率放大器將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂齐娏鳎刂齐娏髟陔姶盆F中產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力，從而不斷根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置變化調(diào)整電磁力，從而保證轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的懸浮在平衡位置上。從工作過程可以看出，控制器在整個控制過程中起著重要的作用，是整個磁懸浮電主軸的核心之一。

3 模擬PID控制器

PID控制是一種成熟有效的控制技術(shù)，是目前應(yīng)用最普遍的一類控制技術(shù)。PID控制器通常由比例、微分、積分3個環(huán)節(jié)構(gòu)成，本文采用串并聯(lián)形式的PID控制器，如圖2所示。由于比例環(huán)節(jié)和積分以及微分環(huán)節(jié)串聯(lián)在一起，為了保證剛上電時PID控制器能有電壓輸出，積分環(huán)節(jié)與微分環(huán)節(jié)的輸入端均接在OP放大器的正輸入端。在實際電路中，還需要加上一些信號調(diào)理電路與濾波電路才能使PID控制電路基本能夠正常工作。

圖2 模擬PID控制器框圖Fig.2 Structure diagram of analog PID controller

本文設(shè)計的模擬PID控制器比例、積分和微分環(huán)節(jié)的電路原理圖見圖3。圖3a中運放的正輸入端接的電阻R5和電容C1是為了消除輸入偏置電流對運算放大器的影響。但對于FET型OP放大器時，由于偏置電流比較小，就不需要在同相輸入端與地之間接入電阻。圖3b中并接在電容C2兩端的電阻R11是為直流負反饋提供穩(wěn)定的偏置電壓，通常R11的阻值會取得比較大，主要是為了降低對積分常數(shù)的影響。電阻R10是保證積分電路在電位器被短路時仍能正常工作，阻值選的過大則會改變積分常數(shù)。圖3c中的電阻R14的作用是在電位器被調(diào)至零時，該電路仍有微分作用，R15的作用是防止R16電位器在調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)斷路時，反饋電阻出現(xiàn)無窮大的情況，阻值選的過小會改變微分常數(shù)。R13的作用是當(dāng)電容在某一頻率其阻值變?yōu)榱銜r，防止微分電路飽和輸出。

圖3 模擬PID控制器比例、積分、微分環(huán)節(jié)電路原理圖Fig.3 Proportion，integration and differentiation circuit schematic diagrams of analog PID controller

4 數(shù)?；旌鲜絇ID控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)模混合式PID控制器是數(shù)字控制部分與模擬控制器部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。位移傳感器采集到的位置信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字控制部分，經(jīng)過預(yù)先設(shè)定的算法，將得到的運算結(jié)果送到數(shù)字電位器，用以改變模擬PID控制器中的KP，KI，KD3個參數(shù)，模擬控制器送出調(diào)理好的控制信號給功率放大器，信號經(jīng)功率放大器放大后送給執(zhí)行電磁鐵線圈，改變電磁力使得轉(zhuǎn)子能夠保持穩(wěn)定的懸浮。

圖4 數(shù)模混合式PID控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of digital-analog combined PID controller

在圖4所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，數(shù)字部分是利用高速控制芯片TMS320F28335通過與數(shù)字電位器之間的通信來控制PID參數(shù)的電路。數(shù)模混合式PID控制器是在串并聯(lián)形式的PID控制器基礎(chǔ)上，在比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)分別加上數(shù)字控制部分。數(shù)?；旌鲜絇ID控制器就是用數(shù)字電位器代替模擬PID電路中的機械電位器，并通過DSP芯片來改變數(shù)字電位器的阻值，從而起到參數(shù)調(diào)節(jié)的作用。在比例環(huán)節(jié)中用2個X9119代替模擬電路中的機械電位器，可以提高調(diào)節(jié)的分辨率。

4.2 變參數(shù)PID控制

對于數(shù)字控制部分來說，軟件是不可缺少的一部分。本文的數(shù)字控制部分主要作用是實現(xiàn)變參數(shù)PID控制，解決磁懸浮系統(tǒng)中非線性因素的影響。變參數(shù)PID控制即在控制過程中PID參數(shù)隨被控情況的改變而改變，與一般的PID控制相比多了一個PID參數(shù)庫，用以實現(xiàn)參數(shù)的實時在線調(diào)整，從而使系統(tǒng)獲得更好的控制效果。參數(shù)庫是變參數(shù)PID控制的核心部分，相當(dāng)于一個小型的專家系統(tǒng)，里面存放的是在實際控制調(diào)節(jié)過程中取得良好動態(tài)性能的PID參數(shù)。變參數(shù)PID控制器以誤差和誤差變化量作為PID參數(shù)的判定條件，DSP 28335根據(jù)判定條件為比例、積分和微分環(huán)節(jié)選擇合適的參數(shù)，實現(xiàn)變參數(shù)控制。

4.3 AD采樣程序

F28335具有2個序列發(fā)生器SEQ1和SEQ2分別對應(yīng)2個獨立的8通道模塊。當(dāng)2個8通道級聯(lián)成一個16通道模塊時，SEQ1和SEQ2也會相應(yīng)級聯(lián)成16位的序列發(fā)生器，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束后，采樣到的通道值就會被保存在結(jié)果寄存器中，F(xiàn)28335提供了Result Reg0～Result Reg15共16個通道寄存器，用于保存16個通道的采樣結(jié)果［8］。其轉(zhuǎn)換步驟為：初始化系統(tǒng)控制寄存器、PLL、看門狗和時鐘，GPIO配置，設(shè)置PIE中斷向量表，初始化ADC模塊與EVA模塊，將ADC中斷入口地址裝入PIE中斷向量表、開中斷、啟動ADC、等待中斷、從ADC中斷中讀取ADC轉(zhuǎn)化結(jié)果，啟動下一次ADC中斷。

4.4 參數(shù)確定程序

為了提高數(shù)字控制器響應(yīng)速度，事先將PID的參數(shù)值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字電位器的電阻值，并且將這些阻值以結(jié)構(gòu)體的形式存儲在DSP芯片的Flash中。參數(shù)確定程序的設(shè)計主要包括：計算偏差和偏差率部分，PID參數(shù)查找部分以及PID參數(shù)庫部分。

計算偏差和偏差率部分的作用是通過對采樣所獲取的數(shù)據(jù)進行分析，為下面的查找部分做準(zhǔn)備；PID參數(shù)查找部分主要的作用是依據(jù)計算偏差部分所得出的結(jié)果選擇參數(shù)庫里面的參數(shù)；PID參數(shù)庫部分，即存儲多組PID參數(shù)的程序，PID參數(shù)是通過結(jié)構(gòu)體數(shù)組來存儲的。

4.5 數(shù)字電位器軟件設(shè)計

數(shù)字電位器X9119的器件地址為0x50。DSP通過I2C串行接口給X9119依次發(fā)出3條指令，以完成對X9119的寫操作［9］。DSC與數(shù)字電位器的3次通信包括：發(fā)送從器件地址，發(fā)送寫WCR指令，往WCR里面寫入具體的值。

5 實驗結(jié)果

用數(shù)?；旌鲜絇ID控制器和模擬PID控制器在同一個20 kW磁懸浮電主軸試驗臺上作驗證和測試，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可達25 000～30 000 r/min，其穩(wěn)定性得到明顯的改善。如圖5所示，將渦流傳感器用磁性卡座固定在測量范圍內(nèi)，通過測量徑向跳動來驗證。圖6a是用模擬PID控制器所測得的4個徑向自由度的跳動曲線，圖6b是采用數(shù)模混合式PID控制器后所測得的4個徑向自由度的跳動曲線。其中圖6的縱軸單位為mV/μm。

圖5 磁懸浮電主軸徑向跳動測試臺Fig.5 Radial run-out test board of active maglev electric spindle

圖6 電主軸4個徑向自由度位移信號Fig.6 Four radial DOF displacement signals of maglev electric spindle

通過圖6a和圖6b對比，可以看到通過數(shù)?；旌鲜絇ID控制器的應(yīng)用，磁懸浮電主軸的動態(tài)范圍有了一定程度的提高，反映在電主軸的最高轉(zhuǎn)速相比于應(yīng)用數(shù)?；旌鲜絇ID控制器之前提高了近20%，采用數(shù)?；旌鲜絇ID控制器后，實現(xiàn)了變參數(shù)PID控制，擴大了控制的動態(tài)范圍，顯然，穩(wěn)定性得到改善，進一步提高了電主軸的最高轉(zhuǎn)速。

6 結(jié)論

本文以磁懸浮電主軸為應(yīng)用對象，針對數(shù)字控制器和模擬控制器在應(yīng)用中的不足，基于TMS320F28335和數(shù)字電位器設(shè)計了一種數(shù)?；旌鲜降腜ID控制器。該控制器實現(xiàn)了PID參數(shù)的實時調(diào)整，使得磁懸浮系統(tǒng)能夠最大程度的適應(yīng)某些瞬態(tài)需求，使得系統(tǒng)的魯棒性得以增強。通過20 kW的磁懸浮電主軸進行了實驗，無論是從電主軸4個徑向自由度靜態(tài)位移信號圖形還是從測試數(shù)據(jù)上來看，控制器的動態(tài)范圍都得到了提升，提高了磁懸浮電主軸控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

后續(xù)研究將考慮提高DSP在系統(tǒng)中的利用率，使DSP除了用于控制器中的參數(shù)調(diào)整控制外，還可用于功率放大器的某些參數(shù)控制，使功率放大器也能夠?qū)崿F(xiàn)智能化，進一步提高磁懸浮電主軸的穩(wěn)定性和魯棒性。

［1］郭樹濤，.主動磁懸浮軸承的工作原理及發(fā)展趨勢［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，8（4）：47-48.

［2］Tau Meng Lim，Zhang Dongsheng.Control of Lorentz Forcetype Self-bearing Motors with Hybrid PID and Robust Model ReferenceAdaptiveControlScheme ［J］.Mechatronics，2008，1（18）：35-45.

［3］朱熀秋，徐龍祥，劉正塤.單自由度磁軸承數(shù)字控制器的研究［J］.電氣傳動，1999，29（3）：23-24.

［4］謝黎.磁懸浮軸承控制器的研究與實現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2002.

［5］Koshizuka N，Ishikawa F.Progress of Superconducting Bearing Technologies for Flywheel Energy Storage Systems［C］//Proceedings of the Topical conference of the International Cryogenic Materials Conference，2003（386）：444-450.

［6］戴大海.磁懸浮軸承數(shù)字控制器的研究與設(shè)計［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2006.

［7］施韋策G，布魯勒H，特拉克斯勒A.主動磁軸承基礎(chǔ)、性能及應(yīng)用［M］.虞烈，袁崇軍，譯.北京：新時代出版社，1997.

［8］劉陵順，高艷麗，張樹團.TMS320F28335DSP原理及開發(fā)編程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［9］沙占友.數(shù)字電位器應(yīng)用指南［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.