磁懸浮軸承位移信號采集系統(tǒng)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(tǒng)等一系列優(yōu)點，轉子可以實現(xiàn)無摩擦高速旋轉，其轉速只受轉子材料強度的限制。這些優(yōu)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(tǒng)的核心部分，其中位移信號采集系統(tǒng)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(shù)字集成化的發(fā)展，采用數(shù)字控制器是磁懸浮軸承系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，大部分磁懸浮軸承的位移信號采集系統(tǒng)都由數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)。

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(shù)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(shù)據(jù)，以便對磁懸浮軸承的運行數(shù)據(jù)進行離線分析。

1 采集系統(tǒng)硬件結構設計

系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示，由信號采樣及預處理、模數(shù)轉換、DSP和上位機組成，由DSP采集的位移信號經(jīng)處理后可通過以太網(wǎng)通信發(fā)送給上位機，上位機實現(xiàn)網(wǎng)絡接收、顯示程序，可實時顯示和保存DSP發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

圖1 采集系統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)、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(wǎng)絡通訊硬件設計

本系統(tǒng)采用WIZnet公司的高性能以太網(wǎng)接口芯片W5500作為DSP與上位機之間的以太網(wǎng)通信橋梁，該芯片集成了硬件TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和以太網(wǎng)物理層，支持TCP、UDP等協(xié)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(xiàn)DSP與PC機之間的互聯(lián)網(wǎng)連接，具體通信原理圖如圖3所示。

圖3 F28335以太網(wǎng)通信電路

2 采集系統(tǒng)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(jié)拍，保證采樣頻率固定，AD976的初始化、開始采樣和數(shù)據(jù)讀取均用軟件實現(xiàn)，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(shù)據(jù)

{

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(tǒng)中作用非常關鍵，由于磁懸浮軸承工作在強磁場環(huán)境，采集系統(tǒng)的濾波性能占有非常重要的地位，目前，數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的常用方法，在下位機反饋數(shù)據(jù)給上位機之前，利用數(shù)字濾波器對采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理，用DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波具有運算速度快、穩(wěn)定性好、移植方便等優(yōu)點，在程序中通過修改濾波器的相關系數(shù)可十分方便地改變?yōu)V波器的帶寬、截止頻率等特性。本系統(tǒng)采用有限沖激響應(FIR)濾波器，其獨特的優(yōu)點為：FIR系統(tǒng)只有零點，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，另外容易實現(xiàn)線性相位和允許實現(xiàn)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(shù)[5]。

實際中可采用MATLAB的數(shù)字信號處理軟件包提供的專用函數(shù)來直接計算FIR濾波器系數(shù)，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(shù)[4]，本設計采用FDATool生成的系數(shù)頭文件不要做任何修即可加載到DSP的工程中實現(xiàn)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(wǎng)絡通信顯示界面程序設計

本文采用VS2010設計了基于TCP/IP協(xié)議的上位機界面，使用C#編寫通信及數(shù)據(jù)實時顯示程序，使用Socket接口與下位機進行以太網(wǎng)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(xié)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(huán)繞控件的外部邊緣

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

//建立采集數(shù)據(jù)鏈表

PointPairList listPrecisionFX1 = new PointPairList();

//采集緩沖區(qū)

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(xié)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(xiàn)波形數(shù)據(jù)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(wǎng)絡通信的磁懸浮軸承位移信號采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)，該系統(tǒng)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(tǒng)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。