本文介紹磁懸浮主軸系統(tǒng)的組成及工作原理，提出了一種在常規(guī)pid基礎(chǔ)上的智能pid控制器的新型數(shù)字控制器設(shè)計(jì)。其核心部件是ti公司的tms320lf2407a，設(shè)計(jì)了五自由度磁懸浮主軸系統(tǒng)的硬件總體框圖。用c2000作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)在常規(guī)pid基礎(chǔ)上的智能pid控制器。理論分析結(jié)果表明：這種智能pid控制器能實(shí)現(xiàn)更好控制效果，達(dá)到更高的控制精度要求。1 引 言
主動(dòng)磁懸浮軸承（amb，以下簡(jiǎn)稱磁軸承）是集眾多門學(xué)科于一體的，zui能體現(xiàn)機(jī)電一體化的產(chǎn)品。磁懸浮軸承與傳統(tǒng)的軸承相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)接觸、無(wú)摩擦、高速度、高精度。傳統(tǒng)軸承使用時(shí)間長(zhǎng)后，磨損嚴(yán)重，必須更換，對(duì)油潤(rùn)滑的軸承使用壽命會(huì)延長(zhǎng)、但時(shí)間久了不可避免會(huì)出現(xiàn)漏油情況，對(duì)環(huán)境造成影響，這一點(diǎn)對(duì)磁懸浮軸承就可以避免，它可以說(shuō)是一種環(huán)保型的產(chǎn)品。而且磁軸承不僅具有研究意義，還具有很廣闊的應(yīng)用空間：航空航天、交通、醫(yī)療、機(jī)械加工等領(lǐng)域。國(guó)外已有不少應(yīng)用實(shí)例。
磁懸浮軸承系統(tǒng)是由以下五部分組成：控制器、轉(zhuǎn)子、電磁鐵、傳感器和功率放大器。其中zui為關(guān)鍵的部件就是控制器?？刂破鞯男阅芑旧蠜Q定了整個(gè)磁懸浮軸承系統(tǒng)的性能?？刂破鞯目刂埔?guī)律決定了磁軸承系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能以及剛度、阻尼和穩(wěn)定性。控制器又分為兩種：模擬控制器和數(shù)字控制器。雖然國(guó)內(nèi)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(tǒng)的穩(wěn)定性，但模擬控制器與數(shù)字控制器相比有以下不足：（一）調(diào)節(jié)不方便、（二）難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制、（三）不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)及兩個(gè)以上自由度的控制、（四）互換性差，即不同的磁懸浮軸承必須有相對(duì)應(yīng)的控制器、（五）功耗大、體積大等。磁軸承要得到廣泛的應(yīng)用，模擬控制器的在線調(diào)節(jié)性能差不能不說(shuō)是其原因之一，因此，數(shù)字化方向是磁軸承的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)磁軸承系統(tǒng)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(qiáng)控制器的柔性和減小體積、功耗和今后往網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展等角度，必須實(shí)現(xiàn)控制器數(shù)字化。近三十年來(lái)控制理論得到飛速發(fā)展并取得了廣泛應(yīng)用。磁懸浮軸承控制器的控制規(guī)律研究在近些年也取得了顯著的進(jìn)展，目前國(guó)外涉及到的控制規(guī)律有：常規(guī)pid和pd控制、自適應(yīng)控制、h∞控制等，國(guó)內(nèi)涉及到的控制規(guī)律主要是常規(guī)pid及pd控制和h∞控制，但h∞控制成功應(yīng)用于磁懸浮軸承系統(tǒng)中的相關(guān)信息還未見(jiàn)報(bào)道。
從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況來(lái)看，國(guó)外的研究狀況和產(chǎn)品化方面都國(guó)內(nèi)很多年。國(guó)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(fā)和應(yīng)用方面工作，如skf公司、nasa等。其中skf公司的磁軸承的控制器所用控制規(guī)律為自適應(yīng)控制，其產(chǎn)品適用的范圍：承載力50～2500n、轉(zhuǎn)速1,800～100,000r/min，工作溫度低于220℃。nasa是美國(guó)航天局，他們開展磁懸浮研究已有幾十年，主要用于航天上，研究領(lǐng)域包括火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和磁懸浮軌道推進(jìn)系統(tǒng)（2002年9月已完成在磁懸浮軌道上加2g加速度下可使火箭的初始發(fā)射速度達(dá)到643～965km/h 。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一家磁懸浮軸承公司，要趕上國(guó)外磁懸浮軸承發(fā)展水平，必須加大人力、物力等方面的投入。國(guó)內(nèi)對(duì)磁懸浮軸承控制器的控制規(guī)律研究起步較晚，當(dāng)前使用較多的都是常規(guī)pid和pd控制，實(shí)際電路中也有使用pidd的?？刂凭认鄬?duì)來(lái)說(shuō)不是很高，而且每個(gè)系統(tǒng)都必須對(duì)應(yīng)相應(yīng)的kp，ki，kd，調(diào)節(jié)起來(lái)很麻煩，使用者同樣會(huì)覺(jué)得很不方便。為了使磁懸浮軸承產(chǎn)品化，必須解決上述問(wèn)題，任何人都能很方便的使用，必須把它做成象“傻瓜型設(shè)備一樣的產(chǎn)品”，這就得首先解決控制器的問(wèn)題。解決此問(wèn)題就是使控制器智能化。智能化的內(nèi)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(wèn)題以及實(shí)現(xiàn)手段，可為zui終解決磁懸浮軸承智能化奠定一定的基礎(chǔ)。
2 磁軸承系統(tǒng)的組成及工作原理
磁軸承系統(tǒng)由轉(zhuǎn)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(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)模型地描述是非常困難，一般都采用在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行分析，再進(jìn)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(jìn)行單自由度的分析，如圖1所示。
圖1 單自由度磁軸承系統(tǒng)原理圖
工作原理：轉(zhuǎn)子在偏置電流i0的作用下處于平衡位置x0，若某時(shí)刻出現(xiàn)一干擾f0，轉(zhuǎn)子就會(huì)偏離平衡位置，偏移為x，為使軸承回到平衡位置，須加上控制電流ic，使電磁鐵ⅰ的磁力增加，電磁鐵ⅱ的磁力減小。此時(shí)轉(zhuǎn)子所受的力為：
其中：μ0為導(dǎo)磁率，s為氣隙截面積，n為線圈匝數(shù)。對(duì)式（1）在（x＝0，ic＝0）處線性化，在不考慮其它力的情況下，由牛頓第二定律得：
其中：位移剛度系數(shù)，電流剛度系數(shù)。對(duì)（2）式進(jìn)行l(wèi)aplace變換得：
由（3）式可得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖（2）所示：其中：gc（s）、gp（s）和gs（s）分別為控制器、功率放大器和傳感器的傳遞函數(shù)。對(duì)于控制器可以選用傳統(tǒng)的pid，也可以選用本文闡述的智能控制器。
圖2 采用電壓控制策略的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)框圖
3 pid控制器及其智能化方法
3.1 常規(guī)pid控制器
為了比較，有必要在此回顧一下傳統(tǒng)的pid控制器。
*，常規(guī)pid控制是建立在具有的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能好、可靠性等優(yōu)點(diǎn)。在當(dāng)代的控制領(lǐng)域，pid控制在控制領(lǐng)域中占有非常大的比重。設(shè)計(jì)它的關(guān)鍵是pid參數(shù)的整定問(wèn)題。但在現(xiàn)實(shí)的控制中，其過(guò)程非常復(fù)雜，在某時(shí)刻具有高度非線性、時(shí)變不確定性、滯后性等。在外界干擾、負(fù)載擾動(dòng)等因素的影響下，其參數(shù)甚至數(shù)學(xué)模型都會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)，常規(guī)pid顯然不能滿足那些高精度控制的要求。如果能實(shí)時(shí)調(diào)整pid的參數(shù)的話，這樣肯定可以滿足要求。這種pid就是智能pid。
3.2 智能pid控制器
隨著近幾十年智能控制理論的快速發(fā)展，以及不斷應(yīng)用到實(shí)踐中，目前應(yīng)用zui為活躍的智能控制包括：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制。人們逐漸把智能控制的思想應(yīng)用到常規(guī)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(tǒng)pid兩者優(yōu)點(diǎn)，如：智能控制中的自動(dòng)整定控制參數(shù)能很好地適應(yīng)控制過(guò)程中參數(shù)變化和傳統(tǒng)pid控制的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等，已為人們所熟知。正是基于這兩大優(yōu)點(diǎn)，智能pid控制為許多控制過(guò)程所采用。智能pid控制器又可以分為：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的pid控制器、模糊pid控制器、專家pid控制器等多種。
3.3 專家pid控制器
專家pid控制器原理圖如圖3所示。它是傳統(tǒng)pid算法的基礎(chǔ)上，增加了誤差e和誤差變化率&，查fuzzy矩陣集、知識(shí)庫(kù)，通過(guò)知識(shí)判斷來(lái)確定是否要調(diào)整及怎樣調(diào)整pid的三個(gè)參數(shù)kp，ki，kd。顯然它是可以根據(jù)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)實(shí)時(shí)調(diào)整pid的三個(gè)參數(shù)，具有很好的控制性和魯棒性。本文就這類控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述。
圖3 專家pid控制器原理圖
4 硬件設(shè)計(jì)
考慮到磁懸浮主軸系統(tǒng)的特點(diǎn)，同時(shí)也為了使其優(yōu)點(diǎn)能得到充分的發(fā)揮，數(shù)字控制器采用dsp作為核心部件。綜合考慮ti公司的各款dsp芯片的性能和集成在芯片內(nèi)的模塊，選用ti公司專門用于工業(yè)控制tms320lf2407a作為核心部件。
ti公司的tms320lf2407a芯片具有以下特性：（一）可以采用內(nèi)部工作頻率20mhz，也可以外加工作頻率，zui大為40mhz，本文晶振采用15mhz，經(jīng)陪頻后作為其工作頻率30mhz。（二）該芯片集成了2個(gè)8選1的10位a/d轉(zhuǎn)換器，共16路。（三）自帶16k flash rom和544字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器。（四）具有12路pwm輸出。（五）集成了watchdog、pll時(shí)鐘、ev事件管理器等電路。由于該芯片集成這些在控制中非常有用的電路，這就一方面減小了硬件設(shè)計(jì)難度和體積，另一方面提高了系統(tǒng)的可靠性。
電渦流位移傳感器的輸出范圍一般都比較寬，大概為0～－24v，而tms320lf2407a芯片中集成的a/d轉(zhuǎn)換器的范圍為0～＋5v（原因：dsp只能處理0～＋5v之間的信號(hào)），因此須加一電平轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換原理：因?yàn)閭鞲衅鞣直媛蕸Q定了磁軸承系統(tǒng)的zui小控制精度，所以電平轉(zhuǎn)換電路必須保證分辨率的情況下進(jìn)行，即保證－14.5～－9.5v之間的電壓不變，其余按zui大化處理。
圖4是五自由度磁懸浮主軸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖。
圖4 五自由度磁軸承系統(tǒng)總體框圖
5 軟件設(shè)計(jì)
作為一個(gè)系統(tǒng)，它的軟件包括系統(tǒng)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(fā)環(huán)境，可以用匯編語(yǔ)言和c語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。c語(yǔ)言具有開發(fā)周期短、可讀性和可移植性強(qiáng)，但執(zhí)行效率低、故障自診斷能力弱。而匯編語(yǔ)言執(zhí)行效率高，但指令多，編寫繁瑣，掌握不易。因此一般情況下，調(diào)用頻繁部分（如：中斷部分和初始化部分）用匯編語(yǔ)言，控制算法采用c語(yǔ)言編寫以降低程序的復(fù)雜度并提高它的可修改性?？刂扑惴ú捎脗鹘y(tǒng)pid基礎(chǔ)上的專家pid控制。傳統(tǒng)pid控制采用微分先行的實(shí)際微分pid，結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 微分先行的實(shí)際微分pid
本文的系統(tǒng)軟件編寫采用匯編語(yǔ)言和c語(yǔ)言兩種語(yǔ)言混合編寫。系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵部分就是控制算法的編寫。在編寫控制算法前通過(guò)對(duì)具體的磁懸浮主軸系統(tǒng)的模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析并仿真找到它的*控制的pid的kp，ki，kd三個(gè)參數(shù)。并根據(jù)以前的模擬控制和數(shù)字控制的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定e，&與kp，ki，kd所對(duì)應(yīng)的模糊集。具體的軟件編輯框圖如圖6。其中ev為事件管理器，n為具體的磁懸浮主軸系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的zui大控制量。
圖6 軟件框圖
6 結(jié) 論
通過(guò)傳統(tǒng)pid控制器和智能pid控制器在單自由度中仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，得到智能pid控制器的控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)pid控制器，主要體現(xiàn)在從起浮到平衡所需時(shí)間短，控制精度高，抗*力強(qiáng)。