数模混合式控制器在磁悬浮电主轴中的应用研究.pdf

电气传动 2 0 1 3 年第4 3 卷第1 2 期 E I E C T R I C D R I V E 2 0 1 3 V o 1 4 3 N o 1 2 数模混合式控制器在磁悬浮电主轴中的应用研究 郑仲桥 ， 张建生 ( 1 常州工学院 电子信息与电气工程学院， 江苏 常州2 1 3 0 0 2 ； 2 上海大学 机电工程与 自动化学院， 上海 2 0 0 0 7 2 ) 摘要： 以磁悬浮电主轴为研究对象， 提出了一种基于T M S 3 2 0 F 2 8 3 3 5 数字电位器的数模混合式P I D控制 器。该控制器针对数字控制器和模拟控制器在磁悬浮电主轴应用中的不足， 解决了数字控制器响应较慢和模 拟控制器参数调整困难的问题。经过实验验证， 设计的基于数字电位器的P I D控制器能够满足磁悬浮电主轴 的要求 ， 使系统的稳定性和鲁棒性得 以增强 。 关键词 ： 数模混合式； P I D控制器； 磁悬浮电主轴； F 2 8 3 3 5 ； 数字电位器 中图分类号 ： T P 2 7 3 文献标识码 ： A Ap p l ie d Re s e a r ch O i l Di g i t a l a n a l o g Co mb i n e d Co n t r o l le r i n Ma g l e v El e ct r ic S p i n d le Z HENG Z h o n g q ia o 1 , 2 Z HANG J i a n s h e n g ( 1 S ch o o l o fE l e ct r o n i c I n f o r m a t io n&E l e ct r i c E n g in e e r i n g ， C h a n g z h o u I n s t it u t e ofT e ch n o lo g y ， C h a n g z h o u 2 1 3 0 0 2 fl a n g s u ， C h in a ； 2 S ch o o l ofMe ch a t r o n ic E n g in e e r in g a n d A u t o m a t io n ， S h a n g h a i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a) Ab s t r a ct ： T a k i n g ma g l e v e le ct ric s p in d l e a s r e s e a r ch o b j e ct ， a k i n d o f d ig it a l a n a l o g co m b i n e d P I D co n t r o lle r w a s p r o p o s e d b a s e d o n TMS 3 2 0 F 2 8 3 3 5 a n d d ig it a l p o t e n t io me t e F o r d is a d v a n t a g e s o f d ig it a l a n d a n a lo g co n t r o lle r in ma g l e v e le ct r ic s p in d le ，s lo w r e s p o n s e o f d i g it a l co n t r o l le r a n d a d j u s t in g p a r a m e t e r s o f a n a lo g P I D co n t r o l le r w e r e s o lve dBy t h e p r o v ing of e x p e ri me n t a t io n，t he d ig it a l a na lo g co mb in e d PI D co n t r o lle r ca n me e t t he de ma n d o f ma g le v e le ct ri c s p i n d le a n d imp r o v e s t h e r o b u s t n e s s a n d s t a b il i t y o f t h e s y s t e m Ke y wo r d s ：d ig it al a n a lo g co mb in e d； P I D co n t r o lle r ； ma g le v e le ct ri c s p in d le ； F 2 8 3 3 5； d ig it a l p o t e n t io me t e 1 引言 电主轴是近些年在数控机床领域 出现的将 机床 主轴与主轴 电机融为一体 的新技术 。高速 数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传 动 。机床主轴由内装式 电动机直接驱动 ， 从而把 机床主传动链的长度缩短为零 ， 实现了机床的 “ 零传动” 。这种 主轴电动机与机床主轴“ 合二为 一 ” 的传动结构形式， 使主轴部件从机床的传动系 统和整体结构中相对独立出来 ， 称为“ 电主轴” 。 磁悬 浮电主轴就是将 电磁轴承代替机械轴 承， 与电机按机床主轴的结构结合在一起 ， 如铣 床电主轴为空心结构 、 磨床 电主轴有装卡砂 轮的 机构等。电磁轴承是通过可控的磁场力将转子 悬浮于空 间， 使转子与定子之间没有机械接触的 一 种新型高性能轴承 ， 在高速数控机床 、 航空航 天等领域有着广阔的应用前景 。在磁悬浮电 主轴 中， 转子与轴承之间的间隙随着转子的高速 旋转而不断发生变化 ， 需要实时地根据位移变化 及时控制线 圈电流的大小 ， 因此控制器是磁悬浮 电主轴中最关键的环节之一 4 。 控制器按实现形式 分为模拟控制器和数字 控制器 。模拟控制器由O P 放大器 电路组成 ， 其 优点是响应快 、 实现容易 ， 缺点是参数需要人 l T 来调整 ， 调试 比较 困难 、 可靠性低 、 难 以实现先进 的控制算法 ； 数字控制器是由数字控制芯片和其 外 围电路构成 ， 分为硬件和软件 2 个部分 ， 其优点 是可 以实现复杂的控制方案 、 进行大量额外任务 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 5 0 5 2 ) ； 常州市应用基础研究计划项 目( C J 2 0 1 3 0 0 1 4 ) ； 常州工学院科研基金项 目( Y N1 2 1 6 ) 作者简介： 郑仲桥( 1 9 7 6 一) ， 男， 博士， 讲师， E m a i l： Z h e n g z q cz u C B 6 8 郑仲桥， 等： 数模混合式控制器在磁悬浮电主轴中的应用研究 电气传动 2 0 1 3 第4 3 ,-第1 2 -, 的处理、 实现在线识别、 故障诊断等， 缺点是开发 较 困难 ， 对于复杂算法 的响应速度不够快 。本 文针对模拟控制器与数字控制器 的不足 ， 并结合 它 们 的优 点 ， 设 计 了一 种 基 于 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 2 D S P 和数字电位器的数模混合式控制器 ， 完成对 磁悬浮电主轴的控制 。 2 磁 悬浮 电主轴的结构 本文研究的主动磁悬浮轴承 的结构剖 面图 如图 1 所示 。磁悬浮电主轴主要 由传感器 、 转子 、 轴向磁悬浮轴承 、 径 向磁悬浮轴承 、 推力盘 、 驱动 电机和保护轴承组成 ， 其中轴向的磁悬浮轴承装 在 中间推力盘处 ， 起 到转子在轴 向平衡 的作用 ； 径向磁悬浮轴承共 2 个 ， 分别安装在转子 的左右 两端 ， 起到转子在水平方向和竖直方 向的位置平 衡的作用 ， 2 个径 向的磁悬浮轴 承和一个轴 向的 磁悬浮轴承构成了一个 5自由度( D O F ) 的磁悬浮 轴承系统 ， 分别是水平 2 个方 向、 竖直 2 个方 向和 轴向。传感器主要用来检测转子的实际位置。 保护轴承共有 2 个 ， 分别位于转子 的两端 ， 主要起 到 当磁悬浮轴承系统失控时 ， 临时支 承高速旋转 转子 的作用 ， 防止转子与 电机定子及磁悬浮轴承 定子相碰撞而损坏整个电主轴 。 传感器转子轴向磁轴承推力盘 电机 径向磁轴承 保护轴承 图 1 磁悬浮电主轴的结构图 F ig 1 S t r u ct u r e o f a ct iv e ma g le v e le ct r ic s p in d le 在磁悬浮 电主轴 中 ， 转子是被控对象 ， 电磁 铁是产生磁场力的执行元件 。当转子的位置发 生偏移时 ， 位移传感 器检测出转子 的位移 ， 与参 考位置比较得到的位移偏差信号进入控制器， 控 制器通过运算得到相应的控制信号， 然后由功率 放大器将控制信号转变为控制电流， 控制电流在 电磁铁 中产生相应 的电磁力 ， 从而不断根据转子 的位置变化调整电磁力 ， 从而保证转子稳定的悬 浮在平衡位置上。从工作过程可以看 出， 控制器 在整个控制过程中起着重要的作用， 是整个磁悬 浮电主轴的核心之一。 3 模 拟 P I D控 制 器 P I D控制是一种成熟有效的控制技术 ， 是 目 前应用最普遍的一类控制技术。P I D控制器通常 由比例 、 微分 、 积分3 个环节构成 ， 本文采用串并联 形式的 P I D控制器 ， 如 图 2 所示 。由于比例环节 和积分 以及微分环节 串联在一起 ， 为了保证 刚上 电时 P I D控制器能有电压输 出， 积分环节与微分 环节的输人端均接在 O P 放大器 的正输入端。在 实际电路中， 还需要加上一些信号调理电路与滤 波电路才能使 P I D控制 电路基本能够正常工作。 图2 模拟 P I D控 制器框 图 Fig 2 S t r u ct u r e d ia g r a m o f a na lo g P I D co n t r o lle r 本文设计的模 拟 P I D控制器 比例 、 积分和微 分环节的电路原理图见图 3 。图3 a 中运放的正输 入端接 的电阻 R 和电容 C 是为了消除输入偏 置 电流对运算放大器的影响。但对于 F E T型O P放 大器时 ， 由于偏置 电流 比较小 ， 就不需要在 同相 输入端 与地之间接人 电阻 。图 3 b中并接在 电容 c： 两端的电阻R 。 是为直流负反馈提供稳定的偏 置电压 ， 通常 R 的阻值会取得 比较大 ， 主要是为 了降低对积分常数 的影响。电阻 R 。 。 是保证积分 电路在 电位器被短路时仍能正常工作 ， 阻值选 的 过大则会改变积分常数。图 3 e 中的电阻R 的作 用是 在 电位器 被调至零 时 ， 该 电路仍有 微分作 用 ， R 的作用是防止 R 。 电位器在调节过程 中出 现断路时， 反馈电阻出现无穷大的情况， 阻值选 的过小会改变微分常数。R ， 的作用是当电容在某 一 频率其阻值变为零时 ， 防止微分电路饱和输出。 ) 积分电路 ( c) 微分 电路 图3 模拟 P I D控制器 比例 、 积分 、 微分环节 电路原理图 Fig 3 Pr o p o r t io nin t e gra t io n a n d d if f e r e n t ia t io n cir cu it s ch e ma t ic d ia g r a ms o f a n a lo g PI D co n t r o lle r 6 9 电气传动 2 0 1 3 年第4 3 卷第1 2 期 郑仲桥 ， 等： 数模混合式控制器在磁悬浮电主轴中的应用研究 4 数模 混合式 P I D控制 系统设计 4 1 系统结构 数模混合式P I D 控制器是数字控制部分与模 拟控制器部分组成 ， 其系统结构如图4 所示。位 移传感器采集到的位置信号经A D 转换后送人数 字控制部分 ， 经过预先设定的算 法 ， 将得到的运 算结果送到数字电位器 ， 用 以改变模拟 P I D控制 器中的 ， ， 3 个参数 ， 模拟控制器送 出调理 好的控制信号给功率放大器， 信号经功率放大器 放大后送给执行 电磁铁线圈 ， 改变电磁力使得转 子能够保持稳定的悬浮。 i i I 数 字 电 位 器 数 字 电 位 器 l I 鲤 ! ! X9 1 1 9 I l GP I o TMS 3 2 O F 2 8 3 3 5 ADC X9 1 1 9 l数字电 位器 I -十 堕r一 l I f 。 l f 器l 吼 置 竹 图4 数模混合式P I D控制器系统结构图 Fig 4 S t r u ct u r e o f d ig it a l a na lo g co mb in e d P I D co n t r o lle r 在图4 所示的系统结构图中， 数字部分是利 用高速控制芯片T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5 通过与数字电位 器之间的通信来控制 P I D参数 的电路。数模混合 式 P I D控制器是在串并联形式的P I D控制器基础 上 ， 在 比例环节、 积分环节和微分环节分别加上数 字控制部分。数模混合式 P I D控制器就是用数字 电位器代替模拟 P I D电路 中的机械 电位器 ， 并通 过D S P 芯片来改变数字电位器的阻值， 从而起到 参数调节的作用 。在 比例环节中用 2 个 X 9 1 1 9 代 替模拟电路 中的机械电位器 ， 可 以提高调节 的分 辨率。 4 2 变参数 P I D控制 对于数字控制部分来说 ， 软件是不可缺少的 一 部分 。本文 的数字控制部分 主要作用是实现 变参数 P I D控制 ， 解决磁悬浮系统 中非线性 因素 的影响。变参数P I D控制即在控制过程中P I D 参数 随被控情况 的改变而改变 ， 与一般 的P I D控 制相比多了一个P I D 参数库， 用以实现参数的实 时 在线 调 整 ， 从 而 使 系 统 获得 更 好 的控 制 效 果。参数库是变参数P I D控制的核心部分， 相当 于一个小 型的专家 系统 ， 里面存放 的是在实 际 控制调节过程 中取得 良好动态性能的P I D参 7 0 数 。变参数 P I D控制器 以误差 和误差变化量作 为P I D参数的判定条件 ， D S P 2 8 3 3 5 根据判定条 件为比例 、 积分和微分环节选择合适的参数， 实 现变参数控制。 4 3 A D采样程序 F 2 8 3 3 5具有 2 个序列 发生器 S E Q 1 和 S E Q 2 分别对应 2 个独立 的8 通道模块 。当 2 个 8 通道 级联成一个 1 6 通道模块时 ， S E Q1 和 S E Q 2 也会相 应级联成 l6 位 的序列发生器 ， 一旦转换结束后 ， 采样 到的通道值就会被保存 在结果寄存 器 中 ， F 2 8 3 3 5 提供了 R e s u l t R e g O R e s u lt R e g l5 共 l6 个 通道寄存器 ， 用于保存 l6 个通道的采样结果 。 其转换步骤为 ： 初始化系统控制寄存器 、 P L L 、 看 门狗和时钟 ， G P I O配置 ， 设置 P I E中断向量表 ， 初 始化 A D C模块 与E V A模 块 ， 将 AD C中断入 口地 址装入 P I E中断向量表 、 开 中断、 启动 A D C 、 等待 中断 、 从 A D C中断中读取 A D C 转化结果 ， 启动下 一 次 A D C中断。 4 4 参数确定程序 为了提高数字控制器响应速度 ， 事先将 P I D 的参数值转换成对应的数字 电位器的电阻值 ， 并 且将这些阻值以结构体的形式存储在D S P 芯片 的 F la s h中。参数确定程序 的设计主要包括 ： 计 算偏差和偏差率部分 ， P I D参数查找部分以及 P I D 参数库部分。 计算偏差和偏差率部分的作用是通过对采 样所获取的数据进行分析 ， 为下面的查找部分做 准备 ； P I D参数查找部分主要的作用是依据计算 偏差部分所得出的结果选择参数库里面的参数 ； P I D参数库部分 ， 即存储多组P I D参数的程序 ， P I D参数是通过结构体数组来存储 的。 4 5 数字电位器软件设计 数字 电位器 X 9 1 1 9的器件地址为 0 x 5 0 。D S P 通过 I C串行接 口给X 9 1 1 9 依次发出3 条指令 ， 以 完成对 X 9 1 1 9 的写操作 。D S C 与数字电位器 的 3 次通信包括 ： 发送从器件地址 ， 发送写 WC R指 令 ， 往WC R里面写入具体的值 。 5 实验 结果 用数模混合式P I D控制器和模拟P I D 控制器 在 同一个 2 0 k w 磁悬浮电主轴试 验台上作验证 和测试 ， 稳定转速可达 2 5 0 0 0 3 0 0 0 0 d m in ， 其稳 定性得到明显 的改善 。如图 5 所示 ， 将 涡流传感 器用磁性卡座固定在测量范 围内， 通过测量径向 郑仲桥， 等： 数模混合式控制器在磁悬浮电主轴中的应用研究 电气传动2 0 1 3 年第4 3 卷第1 2 期 跳动来验证 。图6 a 是用模拟 P I D控制器所测得 的4 个径向自由度的跳动曲线， 图6 b 是采用数模 混合式 P I D控制器后所测得 的4 个径 向 自由度的 跳动曲线。其中图6的纵轴单位为mV I x m。 图5 磁悬浮电主轴径向跳动测试台 F i g 5 Ra d i a l r u n o u t t e s t b o a r d o f a ct i v e m a e v e le ct ric s p in d l e ( a ) 采用模拟P J D 控制器 ( b ) 采用数模棍台式P I D控制 器 图 6 电主轴 4 个径 向自由度位移信号 F ig 6 F o u r r a d ial DOF d is p la ce me n t s ig n a ls o f ma g le v e le ct ri c s pin d le 通过 图6 a 和图 6 b 对 比 ， 可 以看 到通 过数模 混合式 P I D控制器 的应用 ， 磁悬浮电主轴 的动态 范 围有 了一定程 度 的提 高 ， 反 映在 电主轴 的最 高转速相 比于应用数模混合 式 P I D控制器 之前 提高 了近 2 0 ， 采用 数模混合式 P I D控 制器后 ， 实现 了变参 数 P I D控制 ， 扩大 了控制 的动态 范 围， 显然 ， 稳定性得到改善， 进一步提高了电主 轴的最高转速。 6结 论 本文 以磁悬浮电主轴为应用对象 ， 针对数字 控制器和模 拟控制器在应用中的不足 ， 基 于 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5 和数字 电位器设计了一种数模混 合式的P I D控制器。该控制器实现了P I D参数 的实时调整， 使得磁悬浮系统能够最大程度的 适应某些瞬态需求 ， 使得系统的鲁棒性得以增 强 。通过 2 0 k W 的磁悬浮电主轴进行 了实验 ， 无 论是从电主轴4 个径向自由度静态位移信号图 形 还是从 测试数据上 来看 ， 控制 器的动态范 围 都得到了提升 ， 提高了磁悬浮电主轴控制系统 的稳定性。 后续研究将考虑提高 D S P在系统 中的利 用 率 ， 使 D S P除 了用 于控制 器 中的参 数调整控 制 外， 还可用于功率放大器的某些参数控制 ， 使功 率放大器也能够实现智能化， 进一步提高磁悬浮 电主轴的稳定性和鲁棒性。 参考文献 1 郭树涛， 主动磁悬浮轴承的工作原理及发展趋势 J 重庆 科技学院学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 8 ( 4 ) ： 4 7 4 8 【 2 j T a u Me n g L i m，Z h a n g D o n g s h e n g C o n t r o l o f L o mn t z F o r ce - t y p e S e lf b e a r in g Mo t o r s wit h Hy b ri