RTLinux构建的磁悬浮轴承控制器实验平台

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摘要：介绍了一种全新的基于PC机与RTLinux构建的磁悬浮控制器实验平台。与基于DSP构建的控制平台进行比较，证明此平台在成本、开发效率、性能等方面具有优越性。最后介绍了新平台的实际应用情况。

    关键词：RTLinux 磁悬浮轴承 飞轮 控制平台

磁轴承（Magnetic Bearing，简称MB），又称为磁悬浮轴承，是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触的一种新型、高性能轴承。与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中[1]。

随着控制理论的发展以及对磁悬浮轴承系统性能要求的不断提高，磁悬浮系统控制器需要实现的控制算法的复杂程度日渐加大。传统的模拟控制器虽然具有成本低、速度快、性能稳定、对PID控制算法适应良好等优点，但却难以满足用户日益增高的需求。于是数字控制成为磁轴系统控制的主流趋势。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

在磁轴承系统控制中，普遍采用了基于DSP构建的数控平台。此平台难以克服其硬件成本高、开发周期长、延续性差、对用户软硬件能力要求高等缺点。开发一种低成本、高效率、易开发、易维护的控制器实验平台便成为迫切的需要。

基于PC机与RTLinux构建的控制平台恰恰能满足这一需求，其强大的数值运算与实时处理功能，为磁悬浮系统性能的提高提供了可靠的保障。事实上，国外已有将基于PC机一RTLinux构建的控制平台应用于高阶磁轴承控制器的成功实例[2]。

1 数字控制系统的硬件结构简介

一个典型的磁轴承数字控制系统结构如图1所示。图中的电磁转子与转子属机械装置。传感器采用清华大学机电与控制实验室自行研制的高精度、高稳定度电涡流传感器。功放采用大功率电流控制开关功放。系统工作时，由传感器检测转子各自由度位移信号，并由数字系统对此信号进行采样。位移信号与转速信号作为控制器的输入，控制算法对输入信号进行解算，得出控制信号；输出的控制信号通过D/A转换器输出，控制功放输出电流，此电流流过电磁铁线圈使电磁铁产生电磁力，实现转子的悬浮。
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2 DSP数控平台

前一代实验室数控平台为DSP平台，采用TI的第三代浮点DSP即TMS320C32构建。在采用DSP平台进行磁悬浮系统控制的过程中，笔者发现此平台具有一些难以克服的缺点：

(1) 资源有限影响性能。此DSP芯片为40MHz时钟驱动，总线速度只有20MHz，且由于其提供的内部存储空间太小（仅有512字节），必须使用外部扩展内存，于是控制算法需要对外部存储器频繁地进行访问。在访问外部存储器时，会频繁地遇到流水线冲突，此时的运算速度实际上会降为原先的1/4。这样，有限的DSP运算资源无法提供足够的处理速度。实际使用时发现，即使仅采用PID算法进行控制，在控制通道中加上二阶陷波器算法后，数据处理周期（包括完成一次A/D采样、控制数据生成、D/A模拟输出）也不得不降低。由此带来的直接影响是控制器时间延迟的上升。若要实现更复杂的算法，则系统延迟会继续增加。另外，512字节的片内RAM也对程序的长度限制很大，虽然可以采用仅将中断处理程序加载到片内RAM，而其余程序放到扩展RAM的方法来缓解。但是一旦程序长度进一步增加，这种权宜的办法也难以满足需求，系统性能会进步下降。总之，DSP有限的运算资源与有限的存储器资源对控制算法的实现造成了很大的影响。
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    (2) 不菲的软硬件成本、人力成本、时间成本。虽然DSP技术也在快速发展，但DSP软件要求有很强的汇编语言编程能力（DSP的C编译器效率一直不高），硬件开发需要较高的硬件设计与调试水平，且由选型到最终实现控制平台的功能，要经历一个比较长的周期。另外其更新换代具备的向下兼容性并不强，当新版的DSP推出后，又要求一个与之适应的全新的开发平台的支持。一般而言，这样的开发系统价格是非常昂贵的。而且，这样的新开发平台与前一代的软硬件差异不小，再开发的人力成本与时间成本也很高。本实验室的DSP平台由选型到成功应用，杨作兴博士在上边的工作持续了两年的时间。

(3) 基于DSP的软件资源稀缺。DSP平台上缺乏好的C编译器（造成代码的开发效率很低、代码的可重用性并），没有通用的操作系统（开发时必须自己编写任务调度程序，难于实现多任务能力）。虽然国外有研究人员曾经实现了DSP上的多任务调度磁悬浮轴承控制[3]，但其针对的是某一型号的DSP硬件，并且代码及相关资料难于获取，难以形成标准、广泛推广。

3 PC机作为控制器实验平台的优越性

选择PC机作为控制器实验平台是考虑到它有如下的优势：

（1） 可以使用C语言进行开发，不必担心效率问题（PC机平台下优秀的C编译器可以达到汇编语言效率的90%以上）。程序具有移植性，不依赖于硬件。软件的可重用性好，后续的开发工作不必从头开始。

（2） 软件资源丰富，尤其在RTLinux下，所需开发软件均为免费软件，不存在软件开发成本问题。能在图形界面下进行开发，充分利用PC机平台的开发优势。有强大的实时操作系统支持，可轻松实现多任务调度。通过多任务编程，能实时改变控制参数和控制算法，实时监控控制器的输入、输出及内部变量。
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