基于DSP的主动磁轴承数字控制器的设计与实现

表1 仿真参数及性能  

曲线
Kp
Td
Ti
ε
最大超调量
调节时间（μs)

响应曲线1
100
0.00065
0.2
0.01
40
70

响应曲线2
100
0.00047
0.2
0.01
10
40

2.3 控制器软件结构  

根据采样定理来考虑系统采样周期，针对转子转速为54000rpm设计数字控制器，采样周期T选100μs，满足香农定理。系统中采用内部定时器中断结构，时间常数取十进制1000，保证T=100μs。主程序完成对寄存器初始化，设置中断方式及中断时间常数，四个通道的PID控制系数的计算，然后开中断及等待中断。中断处理程序完成四个自由度独立的 PID控制算法参数的采样输入、运算及D/A转换输出过程。在此采样和输出有多种方案，如：①四路A/D同时采样，运算完成后，四路D/A同时输出；②转子两端各两个自由度为一组，即两路A/D同时采样，两路D/A同时输出；③单路分别流水作业。具体采用何种形式，主要取决于所采用的硬件条件，本实验系统中采流水作业的方式进行编程。系统中A/D和D/A转换时间一次为7μs左右，对一个自由度控制器来说，实现采样、运算处理、输出等一系列活动，60条指令左右即可，包含输入/输出转换时间，完全可以控制在20μs内，所以对四自由度的磁轴承来说，采样周期100μs完全可以满足54000rpm转速的实时采样控制的要求。另外，为了减少系统响应的超调量，使得控制器的性能更为满意，编程时必须同时采用积分分离和遇限削弹积分PID控制思想来综合开发程序。  



3 调试方法及结果  

系统调试时将PID控制器的有关参数设置在DBGC25H调试界面上，通过修改相应控制参数，进行在线实时调试。通常是四分别先调试磁轴承同一端的两个自由度的控制器，然后四个自由度一起调试。具体调试方法见文献，依据仿真优化结果，通过微调比例系数和微分系数使系统获得满意的响应曲线后，调节积分时间常数，在保持系统响应良好的情况下，使输入静差得到消除。本文实验时，转子在空载情况，运行在0～54000rpm时，转子振动的峰-峰值在20μm左右，运行性能良好。实时调试完后，将程序写入EPROM，不需开发板，最小系统可以脱机单独控制。试验结果表明：数字控制器参数调整简便，体积小、成本不高、可靠性好，实现各种控制算法仅需改变控制程序，调整有关控制参数即可满足磁轴承控制性能的要求。本套数控实验系统为进一步研究数控算法和轴承的工作性能提供了一个较好的实验平台。