技術(shù)

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，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

    主動磁懸浮軸承（AMB，以下簡稱磁軸承）是集眾多門學(xué)科于一體的，最能體現(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)：無接觸、無摩擦、高速度、高精度。傳統(tǒng)軸承使用時(shí)間長后，磨損嚴(yán)重，必須更換，對油潤滑的軸承使用壽命會延長、但時(shí)間久了不可避免會出現(xiàn)漏油情況，對環(huán)境造成影響，這一點(diǎn)對磁懸浮軸承就可以避免，它可以說是一種環(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。其中最為關(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)的動態(tài)性能以及剛度、阻尼和穩(wěn)定性?？刂破饔址譃閮煞N：模擬控制器和數(shù)字控制器。雖然國內(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)性能差不能不說是其原因之一，因此，數(shù)字化方向是磁軸承的發(fā)展趨勢。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)信息還未見報(bào)道。

    從當(dāng)前國內(nèi)外發(fā)展情況來看，國外的研究狀況和產(chǎn)品化方面都領(lǐng)先國內(nèi)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(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 。目前國內(nèi)還沒有一家磁懸浮軸承公司，要趕上國外磁懸浮軸承發(fā)展水平，必須加大人力、物力等方面的投入。國內(nèi)對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碚f不是很高，而且每個(gè)系統(tǒng)都必須對應(yīng)相應(yīng)的K_P，K_I，K_D，調(diào)節(jié)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(chǎn)品化，必須解決上述問題，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題。解決此問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題以及實(shí)現(xiàn)手段，可為最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)模型精確地描述是非常困難，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)子就會偏離平衡位置，偏移為