磁懸浮主承系統的設計與優化

甄銳鴻

摘要：介紹磁懸浮主軸系統的組成及工作原理，提出了一種在基于智能PID控制器的新型數字控制器設計。其核心部件是Ⅱ公司的TMS320LF2407A,設計了五自由度磁懸浮主軸系統的硬件總體框圖。用c2000作為開發平臺，設計在常規PID基礎上的智能PID控制器。理論分析結果表明：這種智能PID控制器能實現更好控制效果，達到更高的控制精度要求。

關鍵詞：磁軸承；智能PID控制；數字信號處理

中圖分類號：TV992.2

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3198(2009)09-0285-01

1磁懸浮軸承系統的應用現狀

磁懸浮軸承系統是由以下五部分組成：控制器、轉子、電磁鐵、傳感器和功率放大器。其中最為關鍵的部件就是控制器。控制器的性能基本上決定了整個磁懸浮軸承系統的性能。控制器的控制規律決定了磁軸承系統的動態性能以及剛度、阻尼和穩定性。控制器又分為兩種：模擬控制器和數字控制器。雖然國內目前廣泛采用的模擬控制器雖然在一定程度上滿足了系統的穩定性，但模擬控制器與數字控制器相比有以下不足：(1)調節不方便；(2)難以實現復雜的控制；(3)不能同時實現兩個及兩個以上自由度的控制；(4)互換性差，即不同的磁懸浮軸承必須有相對應的控制器；(5)功耗大、體積大等。

磁軸承要得到廣泛的應用，模擬控制器的在線調節性能差不能不說是其原因之一，因此，數字化方向是磁軸承的發展趨勢。同時，要實現磁軸承系統的智能化，顯然模擬控制器是難以滿足這方面的要求。因此從提高磁軸承性能、可靠性、增強控制器的柔性和減小體積、功耗和今后往網絡化、智能化方向發展等角度，必須實現控制器數字化。近三十年來控制理論得到飛速發展并取得了廣泛應用。磁懸浮軸承控制器的控制規律研究在近些年也取得了顯著的進展。

從當前國內外發展情況來看，國外的研究狀況和產品化方面都領先國內很多年。國外已有專門的磁懸浮軸承公司和磁懸浮研究中心從事這方面的研發和應用方面工作，如：SKF公司、NASA等。我國要趕上國外磁懸浮軸承發展水平，必須加大人力、物力等方面的投入。國內當前使用較多的都是常規PID和PD控制，實際電路中也有使用PIDD的。控制精度相對來說不是很高，而且每個系統都必須對應相應的KP，KI，KD，調節起來很麻煩，使用者同樣會覺得很不方便。為了使磁懸浮軸承產品化，任何人都能很方便的使用，必須把它做成象“傻瓜型設備一樣的產品，這就得首先解決控制器的問題。解決此問題就是使控制器智能化。智能化的內容包括硬件的智能化和軟件的智能化。本文僅討論控制器在控制算法方面的智能化問題以及實現手段。可為最終解決磁懸浮軸承智能化奠定一定的基礎。

2磁軸承系統的組成及工作原理

磁軸承系統由轉子、電磁鐵、傳感器、控制器和功率放大器五部分組成。磁軸承系統是一個非常復雜的機電一體化系統，用數學模型精確地描述是非常困難，一般都采用在平衡點附近進行分析，再進行線性化處理。在不考慮五自由度之間耦合的情況下，只需進行單自由度的分析，如圖1所示。

工作原理：轉子在偏置電流I₀的作用下處于平衡位置x₀，若某時刻出現一干擾f_x，轉子就會偏離平衡位置，偏移為x，為使軸承回到平衡位置需要加上控制電流，使電磁鐵I的磁力增加，電磁鐵Ⅱ的磁力減小。

3PID控制器及其智能化方法

3.1智能PID控制器

隨著近幾十年智能控制理論的快速發展，以及不斷應用到實踐中，目前應用最為活躍的智能控制包括：模糊控制、神經網絡控制和專家控制。人們逐漸把智能控制的思想應用到常規PID中，形成多種形式的智能PID控制。它兼具有智能控制和傳統PID兩者優點，如：智能控制中的自動整定控制參數能很好地適應控制過程中參數變化和傳統PID控制的結構簡單、可靠性高等，已為人們所熟知。正是基于這兩大優點，智能PID控制為許多控制過程所采用。智能PID控制器又可以分為：基于神經網絡的PID控制器、模糊PID控制器、專家PID控制器等多種。

3.2專家PID控制器

專家PID控制器原理圖如圖2所示。它是傳統PID算法的基礎上，增加了誤差e和誤差變化率e＆，查Fuzzy矩陣集、知識庫，通過知識判斷來確定是否要調整及怎樣調整PID的三個參數K_p，K_i，K_d。顯然它是可以根據專家知識和經驗實時調整PID的三個參數，具有很好的控制性和魯棒性。本文就這類控制器的設計進行簡單的闡述。

4軟件設計

作為一個系統，它的軟件包括系統初始化、控制算法和特殊情況(如掉電、溢出等)處理。TMS320LF2407A是基于C2000的開發環境，可以用匯編語言和c語言進行開發。c語言具有開發周期短、可讀性和可移植性強，但執行效率低、故障自診斷能力弱。而匯編語言執行效率高，但指令多，編寫繁瑣，掌握不易。因此一般情況下，調用頻繁部分(如：中斷部分和初始化部分)用匯編語言，控制算法采用C語言編寫以降低程序的復雜度并提高它的可修改性。

控制算法采用傳統PID基礎上的專家PID控制。傳統PID控制采用微分先行的實際微分PID，結構如圖3所示。

本文的系統軟件編寫采用匯編語言和C語言兩種語言混合編寫。系統軟件的關鍵部分就是控制算法的編寫。在編寫控制算法前通過對具體的磁懸浮主軸系統的模型進行穩定性分析并仿真找到它的最優控制的PID的K_p，K_i，K_d三個參數。