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RTLinux構(gòu)建的磁懸浮軸承控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
摘要：介紹了一種全新的基于PC機(jī)與RTLinux構(gòu)建的磁懸浮控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。與基于DSP構(gòu)建的控制平臺(tái)進(jìn)行比較，證明此平臺(tái)在成本、開發(fā)效率、性能等方面具有優(yōu)越性。最后介紹了新平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：RTLinux 磁懸浮軸承 飛輪 控制平臺(tái)
磁軸承（Magnetic Bearing，簡稱MB），又稱為磁懸浮軸承，是利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸的一種新型、高性能軸承。與傳統(tǒng)的滾珠軸承、滑動(dòng)軸承以及油膜軸承相比，磁軸承不存在機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)子可以運(yùn)行到很高的轉(zhuǎn)速，具有機(jī)械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高速、真空、超凈等特殊環(huán)境中[1]。
隨著控制理論的發(fā)展以及對磁懸浮軸承系統(tǒng)性能要求的不斷提高，磁懸浮系統(tǒng)控制器需要實(shí)現(xiàn)的控制算法的復(fù)雜程度日漸加大。傳統(tǒng)的模擬控制器雖然具有成本低、速度快、性能穩(wěn)定、對PID控制算法適應(yīng)良好等優(yōu)點(diǎn)，但卻難以滿足用戶日益增高的需求。于是數(shù)字控制成為磁軸系統(tǒng)控制的主流趨勢。
在磁軸承系統(tǒng)控制中，普遍采用了基于DSP構(gòu)建的數(shù)控平臺(tái)。此平臺(tái)難以克服其硬件成本高、開發(fā)周期長、延續(xù)性差、對用戶軟硬件能力要求高等缺點(diǎn)。開發(fā)一種低成本、高效率、易開發(fā)、易維護(hù)的控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)便成為迫切的需要。
基于PC機(jī)與RTLinux構(gòu)建的控制平臺(tái)恰恰能滿足這一需求，其強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算與實(shí)時(shí)處理功能，為磁懸浮系統(tǒng)性能的提高提供了可靠的保障。事實(shí)上，國外已有將基于PC機(jī)一RTLinux構(gòu)建的控制平臺(tái)應(yīng)用于高階磁軸承控制器的成功實(shí)例[2]。
1 數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡介
一個(gè)典型的磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中的電磁轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子屬機(jī)械裝置。傳感器采用清華大學(xué)機(jī)電與控制實(shí)驗(yàn)室自行研制的高精度、高穩(wěn)定度電渦流傳感器。功放采用大功率電流控制開關(guān)功放。系統(tǒng)工作時(shí)，由傳感器檢測轉(zhuǎn)子各自由度位移信號(hào)，并由數(shù)字系統(tǒng)對此信號(hào)進(jìn)行采樣。位移信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)作為控制器的輸入，控制算法對輸入信號(hào)進(jìn)行解算，得出控制信號(hào)；輸出的控制信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出，控制功放輸出電流，此電流流過電磁鐵線圈使電磁鐵產(chǎn)生電磁力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮。
2 DSP數(shù)控平臺(tái)
前一代實(shí)驗(yàn)室數(shù)控平臺(tái)為DSP平臺(tái)，采用TI的第三代浮點(diǎn)DSP即TMS320C32構(gòu)建。在采用DSP平臺(tái)進(jìn)行磁懸浮系統(tǒng)控制的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)此平臺(tái)具有一些難以克服的缺點(diǎn)：
(1) 資源有限影響性能。此DSP芯片為40MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，總線速度只有20MHz，且由于其提供的內(nèi)部存儲(chǔ)空間太小（僅有512字節(jié)），必須使用外部擴(kuò)展內(nèi)存，于是控制算法需要對外部存儲(chǔ)器頻繁地進(jìn)行訪問。在訪
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