基于FPGA的磁浮軸承控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

　　0 引言

　　磁浮軸承(Magnetic Bearing)是以磁性力完全非接觸式支持旋轉(zhuǎn)體的軸承，其廣義上的定義是可支持直線運(yùn)動物體的軸承及局部有機(jī)械性接觸的軸承。其作用原理是借磁場感應(yīng)產(chǎn)生的磁浮力來抵抗重力場及轉(zhuǎn)軸運(yùn)動時產(chǎn)生的作用力，將轉(zhuǎn)軸懸浮起來，使得轉(zhuǎn)子與軸承不互相接觸。

　　1 磁軸承控制系統(tǒng)

　　磁軸承控制系統(tǒng)的研究一直是磁軸承技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，磁軸承控制系統(tǒng)一般包括無接觸的位移傳感器、功率放大器、控制器和電磁激勵器(即電磁線圈和轉(zhuǎn)軸)四部分。本文研究的立式磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于立式結(jié)構(gòu)的電機(jī)系統(tǒng)來講，軸向軸承主要承載的是轉(zhuǎn)子本身的自重，屬于單方向靜態(tài)載荷，而其動態(tài)載荷相對較小，所以可采用單邊工作方式的圓盤電磁鐵系統(tǒng)。而徑向軸承無靜態(tài)載荷，但需要承擔(dān)雙向的動態(tài)載荷，因此，可以在每個自由度上設(shè)計(jì)兩個電磁鐵來進(jìn)行差動控制，以使其產(chǎn)生正向力和負(fù)向力來滿足動態(tài)載荷的雙向變化要求。

　　由于控制算法往往較為復(fù)雜，在磁軸承的控制器設(shè)計(jì)上，一般都采用數(shù)字控制方法，即建立基于DSP(Digital Signal Processor)的控制平臺。然而，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，FPGA(Field Programmable Gate Array，即現(xiàn)場可編輯門陣列)以其性能好、規(guī)模大、可重復(fù)編程、開發(fā)投資小等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為各種電子產(chǎn)品不可或缺的重要部件。其高性能的并行性、定制化、靈活性和高性價比等特性正使得FPGA可編程門陣列器件成為實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字信號處理和數(shù)字系統(tǒng)控制的首選器件之一。

　　2 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)

　　FPGA (Field Programmable Gate Atray)是現(xiàn)場可編程門陣列的英文縮寫，是可編程專用集成電路(ASIC)的一種(同類的還包括CPLD)。1984年，Xilinx公司首創(chuàng)了現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FP-GA)這一創(chuàng)新性技術(shù)，并于1985年首次推出了世界上第一塊FPGA芯片。在二十多年的發(fā)展過程中，F(xiàn)PGA的硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件開發(fā)工具都在不斷的完善且日趨成熟。從最初的1200個可用門到90年代時的幾十萬個可用門，發(fā)展到目前的數(shù)百萬門至上千萬門的單片F(xiàn)PGA芯片，Xilinx、Ahera等世界頂級廠商已經(jīng)將FPGA器件的集成度提高到了一個新的水平。

　　本文使用的是Spartan－3E Starter Kit Board開發(fā)板，芯片采用Xilinx公司的Spartan-3E系列中的XC3S500E芯片。XC3S500E系統(tǒng)門資源包括1164個可配置單元(可換算為4656個片資源)、4個DCM、360K位塊存儲器、20個乘法器以及232個可以使用的IO端口。設(shè)計(jì)時可以采用MathWorks公司的Matlab和Xilinx公司的System Generator來負(fù)責(zé)系統(tǒng)級設(shè)計(jì)。

　　Matlab作為線性系統(tǒng)的一種分析和仿真工具，在工程和計(jì)算科學(xué)上有著廣泛的應(yīng)用。Simulink作為Matlab的一個工具箱(toolbox)，在整個的數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)設(shè)計(jì)中起著舉足輕重的作用。它是一個交互式的工具，可用于對復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析。System Generator是Xilinx公司的一個模塊集(blockset)，是simulink的一個插件，其中設(shè)置了Xilinx特有的DSP功能的IP核，也包括了基本DSP函數(shù)和邏輯算符，如FIR ( Finite Impulse Re-sponse)、FFT(Fast Fourier Transform)、存儲器、數(shù)學(xué)函數(shù)、轉(zhuǎn)換器、延時線等。這些預(yù)先定義好的模塊保證了FPGA實(shí)現(xiàn)時的位(-bit)和周期(-cycle)的正確性。使用它可以自動生成VHDL／Verilog語言、測試向量以及可以對ModelSim進(jìn)行仿真的“．do'’文件。為了得到最佳的性能、密度和可預(yù)測性，System Generator還會自動將特定的設(shè)計(jì)模塊映射成高度優(yōu)化了的IP核模型。XilinxBlockset中的模塊，有的可以直接映射到硬件，有的對應(yīng)著IP核。它們中每個都可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求更改參數(shù)，并支持雙精度和定點(diǎn)的算法。這個模塊集是一個可以外部擴(kuò)展的庫，使用的是C++的定點(diǎn)算法，所以，用戶可以創(chuàng)建自己的基于C++類的Simulink庫元件，以在設(shè)計(jì)中被當(dāng)作黑箱(Blackbox)處理。System Generator同Simulink模型工具相結(jié)合，可以參數(shù)化、最優(yōu)化算法。也可以自動從行為級的系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換到FPGA實(shí)現(xiàn)，且其間不再需要手工重設(shè)，因而大大節(jié)省了開發(fā)時間并降低了出錯概率。通過軟件，用戶可以在DSP函數(shù)的算法、性能、節(jié)能、硅片面積中進(jìn)行選取，以便快速分析出它的運(yùn)算速度和花費(fèi)。

　　3 磁浮軸承系統(tǒng)仿真

　　一般的磁軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由圖可見，軸向磁浮軸承主要借助軸向電磁鐵對轉(zhuǎn)子的電磁吸力來平衡轉(zhuǎn)子自身的重量，同時對轉(zhuǎn)子的軸向運(yùn)動進(jìn)行約束。軸向軸承主要承載的是轉(zhuǎn)子本身的自重，屬于單方向靜態(tài)載荷，而其動態(tài)載荷相對較小，故可采用單邊工作方式的圓盤電磁鐵系統(tǒng)。圖2為軸向磁鐵／推力盤懸浮系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的簡易結(jié)構(gòu)圖。圖中，x0為軸向軸承在平衡位置的間隙，i0，ic分別為電磁鐵線圈的偏置電流和控制電流，F(xiàn)為電磁鐵對轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的電磁力。

　　在圖2所示的簡化模型中，其磁鐵和推力盤間總的吸力為：