数控技术在磁轴承中的应用

    3.1 常规PID控制器

    为了比较，有必要在此回顾一下传统的PID控制器。

    众所周知，常规PID控制是建立在具有精确的数学模型的基础上的。它具有结构简单、稳定性能好、可靠性等优点。在当代的控制领域，PID控制在控制领域中占有非常大的比重。设计它的关键是PID参数的整定题目。但在现实的控制中，其过程非常复杂，在某时刻具有高度非线性、时变不确定性、滞后性等。在外界干扰、负载扰动等因素的影响下，其参数甚至数学模型都会发生改变，这时，常规PID显然不能满足那些高精度控制的要求。假如能实时调整PID的参数的话，这样肯定可以满足要求。这种PID就是智能PID。

    3.2 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控制为很多控制过程所采用。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。

    3.3 专家PID控制器

    专家PID控制器原理图如图3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&，查Fuzzy矩阵集、知识库，通过知识判定来确定是否要调整及怎样调整PID的三个参数Kp，Ki，Kd。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。

图3 专家PID控制器原理图

4 硬件设计

    考虑到磁悬浮主轴系统的特点，同时也为了使其优点能得到充分的发挥，数字控制器采用DSP作为核心部件。综合考虑TI公司的各款DSP芯片的性能和集成在芯片内的模块，选用TI公司专门用于产业控制TMS320LF2407A作为核心部件。

    TI公司的TMS320LF2407A芯片具有以下特性：（一）可以采用内部工作频率20MHz，也可以外加工作频率，最大为40MHz，本文晶振采用15MHz，经陪频后作为其工作频率30MHz。（二）该芯片集成了2个8选1的10位A/D转换器，共16路。（三）自带16K Flash ROM和544字数据存储器。（四）具有12路PWM输出。（五）集成了Watchdog、PLL时钟、EV事件治理器等电路。由于该芯片集成这些在控制中非常有用的电路，这就一方面减小了硬件设计难度和体积，另一方面进步了系统的可靠性。

    电涡流位移传感器的输出范围一般都比较宽，大概为0～－24V，而TMS320LF2407A芯片中集成的A/D转换器的范围为0～＋5V（原因：DSP只能处理0～＋5V之间的信号），因此须加一电平转换电路。转换原理：由于传感器分辨率决定了磁轴承系统的最小控制精度，所以电平转换电路必须保证分辨率的情况下进行，即保证－14.5～－9.5V之间的电压不变，其余按最大化处理。

    图4是五自由度磁悬浮主轴系统的硬件设计框图。

图4 五自由度磁轴承系统总体框图

5 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，把握不易。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进步它的可修改性。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5所示。

图5 微分先行的实际微分PID

    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Kp，Ki，Kd三个参数。并根据以前的模拟控制和数字控制的经验来确定e，&与Kp，Ki，Kd所对应的模糊集。具体的软件编辑框图如图6。其中EV为事件治理器，N为具体的磁悬浮主轴系统所对应的最大控制量。

图6 软件框图

6 结 论

    通过传统PID控制器和智能PID控制器在单自由度中仿真结果进行分析比较，得到智能PID控制器的控制效果优于传统PID控制器，主要体现在从起浮到平衡所需时间短，控制精度高，抗干扰能力强。