磁悬浮主承系统的设计与优化

甄锐鸿

摘要：介绍磁悬浮主轴系统的组成及工作原理，提出了一种在基于智能PID控制器的新型数字控制器设计。其核心部件是Ⅱ公司的TMS320LF2407A,设计了五自由度磁悬浮主轴系统的硬件总体框图。用c2000作为开发平台，设计在常规PID基础上的智能PID控制器。理论分析结果表明：这种智能PID控制器能实现更好控制效果，达到更高的控制精度要求。

关键词：磁轴承；智能PID控制；数字信号处理

中图分类号：TV992.2

文献标识码：A

文章编号：1672-3198(2009)09-0285-01

1磁悬浮轴承系统的应用现状

磁悬浮轴承系统是由以下五部分组成：控制器、转子、电磁铁、传感器和功率放大器。其中最为关键的部件就是控制器。控制器的性能基本上决定了整个磁悬浮轴承系统的性能。控制器的控制规律决定了磁轴承系统的动态性能以及刚度、阻尼和稳定性。控制器又分为两种：模拟控制器和数字控制器。虽然国内目前广泛采用的模拟控制器虽然在一定程度上满足了系统的稳定性，但模拟控制器与数字控制器相比有以下不足：(1)调节不方便；(2)难以实现复杂的控制；(3)不能同时实现两个及两个以上自由度的控制；(4)互换性差，即不同的磁悬浮轴承必须有相对应的控制器；(5)功耗大、体积大等。

磁轴承要得到广泛的应用，模拟控制器的在线调节性能差不能不说是其原因之一，因此，数字化方向是磁轴承的发展趋势。同时，要实现磁轴承系统的智能化，显然模拟控制器是难以满足这方面的要求。因此从提高磁轴承性能、可靠性、增强控制器的柔性和减小体积、功耗和今后往网络化、智能化方向发展等角度，必须实现控制器数字化。近三十年来控制理论得到飞速发展并取得了广泛应用。磁悬浮轴承控制器的控制规律研究在近些年也取得了显著的进展。

从当前国内外发展情况来看，国外的研究状况和产品化方面都领先国内很多年。国外已有专门的磁悬浮轴承公司和磁悬浮研究中心从事这方面的研发和应用方面工作，如：SKF公司、NASA等。我国要赶上国外磁悬浮轴承发展水平，必须加大人力、物力等方面的投入。国内当前使用较多的都是常规PID和PD控制，实际电路中也有使用PIDD的。控制精度相对来说不是很高，而且每个系统都必须对应相应的KP，KI，KD，调节起来很麻烦，使用者同样会觉得很不方便。为了使磁悬浮轴承产品化，任何人都能很方便的使用，必须把它做成象“傻瓜型设备一样的产品，这就得首先解决控制器的问题。解决此问题就是使控制器智能化。智能化的内容包括硬件的智能化和软件的智能化。本文仅讨论控制器在控制算法方面的智能化问题以及实现手段。可为最终解决磁悬浮轴承智能化奠定一定的基础。

2磁轴承系统的组成及工作原理

磁轴承系统由转子、电磁铁、传感器、控制器和功率放大器五部分组成。磁轴承系统是一个非常复杂的机电一体化系统，用数学模型精确地描述是非常困难，一般都采用在平衡点附近进行分析，再进行线性化处理。在不考虑五自由度之间耦合的情况下，只需进行单自由度的分析，如图1所示。

工作原理：转子在偏置电流I₀的作用下处于平衡位置x₀，若某时刻出现一干扰f_x，转子就会偏离平衡位置，偏移为x，为使轴承回到平衡位置需要加上控制电流，使电磁铁I的磁力增加，电磁铁Ⅱ的磁力减小。

3PID控制器及其智能化方法

3.1智能PID控制器

随着近几十年智能控制理论的快速发展，以及不断应用到实践中，目前应用最为活跃的智能控制包括：模糊控制、神经网络控制和专家控制。人们逐渐把智能控制的思想应用到常规PID中，形成多种形式的智能PID控制。它兼具有智能控制和传统PID两者优点，如：智能控制中的自动整定控制参数能很好地适应控制过程中参数变化和传统PID控制的结构简单、可靠性高等，已为人们所熟知。正是基于这两大优点，智能PID控制为许多控制过程所采用。智能PID控制器又可以分为：基于神经网络的PID控制器、模糊PID控制器、专家PID控制器等多种。

3.2专家PID控制器

专家PID控制器原理图如图2所示。它是传统PID算法的基础上，增加了误差e和误差变化率e＆，查Fuzzy矩阵集、知识库，通过知识判断来确定是否要调整及怎样调整PID的三个参数K_p，K_i，K_d。显然它是可以根据专家知识和经验实时调整PID的三个参数，具有很好的控制性和鲁棒性。本文就这类控制器的设计进行简单的阐述。

4软件设计

作为一个系统，它的软件包括系统初始化、控制算法和特殊情况(如掉电、溢出等)处理。TMS320LF2407A是基于C2000的开发环境，可以用汇编语言和c语言进行开发。c语言具有开发周期短、可读性和可移植性强，但执行效率低、故障自诊断能力弱。而汇编语言执行效率高，但指令多，编写繁琐，掌握不易。因此一般情况下，调用频繁部分(如：中断部分和初始化部分)用汇编语言，控制算法采用C语言编写以降低程序的复杂度并提高它的可修改性。

控制算法采用传统PID基础上的专家PID控制。传统PID控制采用微分先行的实际微分PID，结构如图3所示。

本文的系统软件编写采用汇编语言和C语言两种语言混合编写。系统软件的关键部分就是控制算法的编写。在编写控制算法前通过对具体的磁悬浮主轴系统的模型进行稳定性分析并仿真找到它的最优控制的PID的K_p，K_i，K_d三个参数。