0 引言
磁力轴承是一种利用电磁场力将转子悬浮于空间,不需要任何介质而实现承载的非接触式支承装置,与传统的滚动轴承和滑动轴承相比,磁力轴承明显的特点在于没有机械接触,不需要传力介质，而且其支承力可控。具有传统轴承无法比拟的优越性能,并且具有良好的转子动力学特性，在各种高科技领域有着广阔的前景[1]。
目前,磁力轴承一般采用数控系统,数字控制的磁力轴承可以采用单片机、PC机和数字信号处理器(DSP)来实现,采用DSP来实现时无疑可以使系统的性能得到很好的改善,本文介绍的是TI公司的TMS320F2812在磁悬浮系统中的典型应用。
1 磁悬浮控制系统组成
磁悬浮系统一般由位移传感器、控制器、功率放大器、电磁铁、转子等组成。数字控制部分由DSP及接口电路组成,完成信号采集、控制运算、PWM转换、动态调试等任务,实现对磁力轴承的控制。
2 TMS320F2812芯片介绍
TI 公司的TMS320F2812 数字信号处理器与前代DSP(LF2407A和F240)相比功能更强,满足磁力轴承控制器实现复杂控制所需高性能控制芯片的要求。该处理器是 TI 公司最新推出的DSP 芯片，是目前国际市场上最先进、功能最强大的 32 位定点 DSP芯片之一。它既有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能[2]。应用该芯片将大大提高了磁悬浮轴承控制器的处理能力，同时该芯片对 C 语言的高编译效率，使得软件的开发周期大大缩短[3]。
本系统中，功率放大器采用PWM信号控制的K1120的大功率开关功放，位移传感器采用的是湖南天瑞仪表公司的电涡流位移传感器。
3 硬件设计
3.1系统的硬件电路图
磁力轴承的控制系统是一个5自由度的控制系统，采用的是分散控制方法主要由控制系统和功率放大器两大部分组成。同时有两个控制环,控制外环是由控制系统构成的位置环,控制内环是由功率放大器构成的电流环，这是因为在磁力轴承系统中一般采用的是电流控制方案。
本系统设计所采用的硬件电路如图1所示，DSP完成了诸如数据处理、控制算法、脉宽调制、动态调试以及数字滤波等功能，是整个控制系统的核心。
图1 控制系统原理图
Fig1 Schematic block diagram of the control system |
3.2 A/D转换
A/D采样通道在设计过程中首先要考虑的是采样频率问题。在60000r/min的磁力轴承系统中，转子的相应基频达1KHz。按照一般经验要求数字控制系统的采样频率大于10KHz才有满意的效果，9个通道复用A/D,要求其采样频率大于90KHz。
TMS320F2812的ADC模块是一个16通道、12位分辨率，具有流水线结构的模—数转换器。快速转换时间运行在25MHz，并内置双采样保持器，在速度上可以满足磁力轴承控制系统中9路采集的需要。
但2812内部的ADC最多只能有两路同时进行采样,不能满足磁悬浮系统中多个传感器无相位差采集的需求。故选取TI公司的模数转换器ADS7800,12位,3us。在本系统中可根据需要扩展到9片,控制系统所要求的传感器信号之间没有相位差,所有模数转换器必须同时转换,控制转换开始信号必须是同一个信号,然后再分别读取转换得到的数据,可以用GAL16V8来实现。ADS7800的片选端接地，表示该芯片一直处于选中状态,只要DSP向GAL的IN端口进行写操作,那么所有扩展的ADS7800都进行了一次模数转换操作。图2是其电路图。
图2 A/D转换电路
Fig2 Circuit of A/D conversion |
3.3 D/A转换
传感器将磁力轴承的五自由度位移信号转换成电信号,由A/D采样到DSP,经过算法运算后,经D/A输出到功率放大器。D/A转换将DSP控制器的数字控制量转换成连续的功率放大器电流给定信号。由于直接作用在被控对象上的是电流模拟信号,因此经处理器处理后的数字信号必须经过数字信号到模拟信号的转换才能作用到被控对象上,以实现数字控制器的控制功能。因此,F2812与D/A转换器的连接也是硬件系统设计中重要的部分。在本系统中,采用的是MAXIM公司的12位高精度D/A转换芯片MX7545A构成数模转换电路，位置采样数据在DSP内部经过算法处理后，直接送入D/A板，变成模拟电压输出给功放电路。
3.4抗混叠滤波的设计
从传感器输出的信号经一系列调整后最终需要被转换为数字信号。在信号采集之前,外界电路中产生的干扰有可能对需要采集的电信号产生影响。例如开关管在开关状态产生的高频信号可能会叠加在传感器低频信号之上,从而产生信号混叠。为了保证采样后的信号能真实地保留原始模拟信号的信息,采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。因此在对传感器信号采样之前,需要对输入信号进行抗混叠滤波。
设采样频率为2fc,根据采样定理,不会引起混叠的被采样信号截止频率为fc,以满足采样定理。要保证fc 以内的信号不受干扰,应保证1.5fc以上的信号幅度必须在30%以下。9路传感器信号,每路的采样频率确定为10KHz。
MAX291是MAXIM公司推出的使用方便的8阶(8个极点) 巴特沃斯型开关电容型有源低通滤波器,其转折频率fc既可由外部时钟信号控制,也可以利用片内时钟源外接一电容产生时钟信号进行控制。为保证信号通过时失真小,并过滤由钟频噪声引起的干扰, MAX291采用了较高的采样比：fCLK:fc=100:1。在本系统中,采用的是+5V单电源供电,此时的输入信号在+1V~+4V范围内可取得较好的效果,这是由于此时器件非线性产生的谐波畸变较小的缘故。图3为其工作电路图。
图3 抗混叠滤波电路
Fig3 Circuit of anti-aliasing filter |
4 系统仿真
以下是用Matlab对系统单自由度作的仿真,采用的是传统的PID算法[4],由调试经验可以得出轴向PID控制器参数为Kp=95,Ki=10000,Kd=0.213, 径向水平方向PID控制器参数Kp=95,Ki=10000,Kd=0.213, 径向垂直方向的PID控制器参数为Kp=45,Ki=20000,Kd=0.12以及系统其它参数，由仿真曲线可知,使用了抗混叠滤波和对信号的无相位差采样之后，系统的动态性能得到较大提高。图4为径向模型仿真界面, 图5为轴向模型仿真界面。
6 结论：
（1）采用TMS320F2812设计的磁力轴承控制器,由于芯片集成,使得硬件设计简化，提高了系统的可靠性。
（2）在整个磁力轴承控制系统中,功放的开关管在开关状态产生的高频信号可能会叠加在传感器低频信号之上,基于这个原因采用了抗混叠滤波的设计，同时为了提高系统精度而设计的无相位差采样电路，使整个控制系统的精度得到提高,性能得到优化。
（3）适当改进控制算法、提高功放频响和选用精度较高的传感器以及A/D，都可以提高系统的精度，从而达到提高转速的目的。
本文的创新点：电路中加入模数同时转换电路后，提高了系统的控制精度；电路中加入抗混叠滤波电路后，减小了外界电路中产生的干扰有可能对需要采集的电信号产生的影响；独立开发的控制系统的仿真界面，使人机对话更加友好。
参考文献:
[1] G,Schweither, H.Bleuler, A.Traxler. Active Magnetic Bearings—Basics, Properties and Application of Active magnetic Bearings[M], ETH, Switzerland, 1994：25~45
[2] 郑杰，陶维青. 基于TMS320F2812事件管理器的一种测频方法[J]，微计算机信息，2006，2-2：168-169
[3] Texas Instruments Incorporated(张卫宁编译). TMS320C28x系列DSP的CPU与外设(上,下)[M]. 清华大学出版社. 2005,1
[4] 薛定宇. 控制系统仿真与计算机辅助设计[M]. 机械工业出版社，2005.1：145~174
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