基于VC33主动磁轴承控制系统的设计.pdfVIP

基于VC33 主动磁轴承控制系统的设计1 尹国华，徐龙祥 南京航空航天大学机械设计及理论系，南京（210016 ） E-mail ：yinguohua@ 摘 要：基于美国 TI 公司推出的浮点DSP 芯片TMS320VC33 设计了磁悬浮轴承系统的数 字控制器，并运用可编程逻辑器件（CPLD ）实现了DSP 对A/D 和D/A 的逻辑操作。采用 嵌入式 C 语言和汇编语言混合编写了磁悬浮轴承数字控制器的 PID 控制算法。成功实现了 五自由度磁悬浮轴承系统的稳定悬浮。静态悬浮试验结果表明设计的磁悬浮轴承系统控制器 稳定性好、可靠性好、其控制精度达到了预期的效果。为进一步实现先进的控制算法提供了 硬件平台。 关键词：磁悬浮轴承；TMS320VC33；PID 控制；稳定悬浮 中图分类号：TP332.3 1．引言 磁悬浮轴承是一种利用电磁场力将转子悬浮于空间，不需要任何介质而实现承载的非接 触式支承装置，与传统的滚动轴承和滑动轴承相比，磁悬浮轴承明显的特点在于没有机械接 触，而且其支承力可控[1] 。由此而具有传统轴承无法比拟的优越性能：由于没有机械摩擦和 磨损，所以降低了工作能耗和噪声，延长了使用寿命[2] ；动力损失小，便于应用在高速运转 场合；由于不需要润滑和密封系统，排除了污染，可应用于真空超净，腐蚀性介质以及极端 [3] 温度和压力等特殊工作环境 。 TMS320C3X 是TI 推出的第三代产品，也是第一代浮点DSP 芯片。TMS320VC33 是必威体育精装版的 一款32 位高性能数字信号处理器。指令周期分 13ns 和17ns 两种，单周期完成32 位整数、 40 位浮点乘法运算，DSP 工作在75MHz 主频时，其浮点运算能力可达 150MFLOPS （Million Floating-Point Operations Per Second[6] 。TMS320 信号处理器家族具有特别适合信号处理的硬 件结构和指令系统, 而该信号处理器家族的高性能浮点处理器系列TMS320C3X 又增加了许 多浮点处理功能,因此在信号处理的各个应用领域都得到了广泛应用。目前主要应用于数字 化音频、视频会议、工控和机器人，电力系统在线监测等方面。 2 ．控制器硬件电路的设计 2.1 时钟及复位电路的设计 VC33 的时钟发生器给设计者提供了两种选择：一是采用内部的时钟发生电路：在XIN和 XOUT之间接晶体，EXTCLK引脚接地；二是将外部时钟直接接到EXTCLK管脚，XOUT悬 空，XIN接地。VC33 的时钟发生器包括芯片内部的晶振和锁相环电路(PLL)，PLL 电路在硬 件上可自行设置。VC33 的CPU有2个时钟模式选择引脚CLKMD0和CLKMD1，可将CLKMD0 和CLKMD1引脚通过上拉电阻连接到电源，使CLKMD0和CLKMD1 同时为高电平。 为了使系统能被复位信号初始化，复位信号的脉冲宽度必须至少为 10 个H1 以上，如 果TMS320VC33 －150 工作在75Mhz,则复位时间至少为 10×13ns＝130ns，不过上电之后， 系统振荡器达到稳定工作状态至少需要 20ms ，因此复位电路需要产生 100～200ms 低电平 复位脉冲比较适合[7] 。本文选择的是TPS3823-33DBVT，该芯片能实现一下四个方面的功能： 1）在电路上电后产生一个200ms 的复位信号。2 ）具有一个独立的看门狗 3 ）具有手动复 1本课题得到教育部博士点基金（20030287012 ）的资助。 - 1 - 位功能。大大提高了复位系统的可靠性和精度。具体复位电路如图 1 所示: 图1 复位及看门狗电路 2.2 AD 输入模块的设计 A/D 采样通道是将来自传感器的模拟信号尽可能准确的转换为数字量。本设计采用两片 MAX125 构成模拟输入部分。芯片内部包含一个分辨率为14 位、最高采样频率为250KSPS 逐次逼近型A/D 转换器,一个+2.5V 的内部电压基准源,一组可以对4 路输入信号进行同时采 样