摘? 要： 介紹了一種全新的基于PC機與RTLinux構建的磁懸浮控制器實驗平臺" title="實驗平臺">實驗平臺。與基于DSP構建的控制平臺" title="控制平臺">控制平臺進行比較,證明此平臺在成本、開發效率、性能等方面具有優越性。最后介紹了新平臺的實際應用情況。
關鍵詞： RTLinux 磁懸浮軸承 飛輪 控制平臺
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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子懸浮于空中,使轉子與定子之間沒有機械接觸的一種新型、高性能軸承。與傳統的滾珠軸承、滑動軸承以及油膜軸承相比,磁軸承不存在機械接觸,轉子可以運行到很高的轉速,具有機械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優點,特別適用于高速、真空、超凈等特殊環境中[1]。
隨著控制理論的發展以及對磁懸浮軸承系統性能要求的不斷提高,磁懸浮系統控制器需要實現的控制算法" title="控制算法">控制算法的復雜程度日漸加大。傳統的模擬控制器雖然具有成本低、速度快、性能穩定、對PID控制算法適應良好等優點,但卻難以滿足用戶日益增高的需求。于是數字控制成為磁軸承系統控制的主流趨勢。
在磁軸承系統控制中,普遍采用了基于DSP構建的數控平臺。此平臺難以克服其硬件成本高、開發周期長、延續性差、對用戶軟硬件能力要求高等缺點。開發一種低成本、高效率、易開發、易維護的控制器實驗平臺便成為迫切的需要。
??? 基于PC機與RTLinux構建的控制平臺恰恰能滿足這一需求,其強大的數值運算與實時處理能力,為磁懸浮系統性能的提高提供了可靠的保障。事實上,國外已有將基于PC機與RTLinux構建的控制平臺應用于高階磁軸承控制器的成功實例[2]。
1 數字控制系統的硬件結構簡介
一個典型的磁軸承數字控制系統結構如圖1所示。圖中的電磁鐵與轉子屬機械裝置。傳感器采用清華大學機電與控制實驗室自行研制的高精度、高穩定度電渦流傳感器。功放采用大功率電流控制開關功放。系統工作時,由傳感器檢測轉子各自由度位移信號,并由數字系統對此信號進行采樣。位移信號與轉速信號作為控制器的輸入,控制算法對輸入信號進行解算,得出控制信號;輸出的控制信號通過D/A" title="D/A">D/A轉換器輸出,控制功放輸出電流,此電流流過電磁鐵線圈使電磁鐵產生電磁力,實現轉子的懸浮。
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2 DSP數控平臺
前一代實驗室數控平臺為DSP平臺,采用TI的第三代浮點DSP即TMS320C32構建。在采用DSP平臺進行磁懸浮系統控制的過程中,筆者發現此平臺具有一些難以克服的缺點:
(1)資源有限影響性能。此DSP芯片為40MHz時鐘驅動,總線速度只有20MHz,且由于其提供的內部存儲空間太小(僅有512字節),必須使用外部擴展內存,于是控制算法需要對外部存儲器頻繁地進行訪問。在訪問外部存儲器時,會頻繁地遇到流水線沖突,此時的運算速度實際上會降為原先的1/4。這樣,有限的DSP運算資源無法提供足夠的處理速度。實際使用時發現,即便僅采用PID算法進行控制,在控制通道中加上二階陷波器算法后,數據處理周期(包括完成一次A/D采樣、控制數據生成、D/A模擬輸出)也不得不降低。由此帶來的直接影響是控制器時間延遲的上升。若要實現更復雜的算法,則系統延遲會繼續增加。另外,512字節的片內RAM也對程序的長度限制很大,雖然可以采用僅將中斷處理程序加載到片內RAM,而其余程序放到擴展RAM的方法來緩解。但是一旦程序長度進一步增加,這種權宜的辦法也難以滿足需求,系統性能會進一步下降。總之,DSP有限的運算資源與有限的存儲器資源對控制算法的實現造成了很大的影響。
(2)不菲的軟硬件成本、人力成本、時間成本。雖然DSP技術也在快速發展,但DSP軟件要求有很強的匯編語言編程能力(DSP的C編譯器效率一直不高),硬件開發需要較高的硬件設計與調試水平,且由選型到最終實現控制平臺的功能,要經歷一個比較長的周期。另外其更新換代具備的向下兼容性并不強,當新版的DSP推出后,又要求一個與之適應的全新的開發平臺的支持。一般而言,這樣的開發系統價格是非常昂貴的。而且,這樣的新開發平臺與前一代的軟硬件差異不小,再開發的人力成本與時間成本也很高。本實驗室的DSP平臺由選型到成功應用,楊作興博士在上邊的工作持續了兩年的時間。
(3)基于DSP的軟件資源稀缺。DSP平臺上缺乏好的C編譯器(造成代碼的開發效率很低、代碼的可重用性差),沒有通用的操作系統(開發時必須自己編寫任務調度程序， 難于實現多任務能力)。雖然國外有研究人員曾經實現了DSP上的多任務調度磁懸浮軸承控制[3],但其針對的是某一型號的DSP硬件,并且代碼及相關資料難于獲取,難以形成標準、廣泛推廣。
3 PC機作為控制器實驗平臺的優越性
選擇PC機作為控制器實驗平臺是考慮到它有如下的優勢:
(1)可以使用C語言進行開發,不必擔心效率問題(PC機平臺下優秀的C編譯器可以達到匯編語言效率的90%以上)。程序具有移植性,不依賴于硬件。軟件的可重用性好,后續的開發工作不必從頭開始。
(2)軟件資源豐富,尤其在RTLinux下,所需開發軟件均為免費軟件,不存在軟件開發成本問題。能在圖形界面下進行開發,充分利用PC機平臺的開發優勢。有強大的實時操作系統支持,可輕松實現多任務調度。通過多任務編程,能實時改變控制參數和控制算法,實時監控控制器的輸入、輸出及內部變量。
(3)A/D、D/A板卡可從專業廠商處獲取,價格不高,不需自行開發,硬件平臺可以很快構建完畢。且這一部分投資不會因PC機的升級而作廢。
(4)易于實現網絡編程,必要時可通過局域網進行遠程監控。
(5)運算速度以及實時性能隨PC機的升級而自然升級,升級成本低,性能提升迅速。
當然,PC機平臺在體積、抗環境干擾的穩定性上,相對DSP平臺有其劣勢。但是,就研究階段作為控制器實驗平臺而言,它無疑是比DSP平臺更好的選擇。
4 軟件平臺選擇
軟件平臺的選取,應對DOS、Windows及RTLinux進行比較評估,最后確定選擇何種平臺。
由于磁懸浮軸承的控制要求很高的實時性,因而軟件平臺必須是實時平臺。這里先對實時系統進行簡單的介紹。實時性是一個相對的概念,其標準常用“系統響應時間”來衡量。對實時平臺的評估主要用到兩個指標,即“任務切換時間”、“中斷響應時間" title="中斷響應時間">中斷響應時間”。
事實上,DOS在“中斷響應時間”上無可挑剔,但考慮到其不具備任務調度能力(除非另行開發任務調度代碼),并且沒有圖形開發環境,將來軟件開發的成本會很高,故不予考慮。
Windows為一多任務操作系統,其多任務的特性不可避免地對其實時性造成不利影響。有相關資料表明,Windows的中斷響應時間會在幾百微秒到幾百毫秒的范圍內波動。Windows下,系統在“任務切換時間”、“中斷響應時間”方面,表現均很差。
RTLinux是一硬實時系統,作為一新興的實時平臺,可從網上免費獲取,并且其源碼是完全公開的。它是由美國新墨西哥理工學院開發的基于標準Linux的嵌入式操作系統。到目前為止,RTLinux已成功應用于從航天飛機的空間數據采集、科學儀器測控到電影特技圖像處理等廣泛的應用領域[4]。
RTLinux提供了一個精巧的實時內核,并把標準的Linux核心作為實時核心的一個進程,同用戶的實時進程一起調度。這樣做的好處是對Linux的改動量最小,充分利用了Linux平臺現有的豐富的軟件資源。其系統結構如圖2所示。
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這樣的結構,一方面保證了它的穩定性,另一方面由于它將實時進程的優先級設為高于標準的Linux進程,從而保證了系統的實時性。并且RTLinux的實時特性與硬件密切相關,只要硬件速度得到提升,它的實時特性將相應提升。這就能保證充分發揮微機平臺硬件速度上的優勢及硬件升級的便利性。
下面介紹如何對RTLinux的中斷響應時間進行測試。測試前將打印機并口的腳2與腳10(中斷腳)短接,測試程序每隔100μs在地址0X378上輸出0X03,用以在打印機并口腳2、3上獲得周期性的+5V觸發信號;腳2由低電平變為高電平時會觸發中斷,編制中斷處理程序,在程序中將2、3腳上電平拉低,通過示波器觀察腳3上的周期信號即可知系統的中斷響應時間。測試原理如圖3所示。在CPU為PIII800的PC機平臺上的實測表明,系統中斷響應時間平均為5μs,最壞響應時間小于10μs,完全能夠滿足磁軸承控制系統的實時要求。
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5 控制平臺構建
磁軸承各種數字控制算法的實現從根本上看要依賴于所使用的硬件平臺,因此要求其平臺具備強大的運算能力與AD/DA吞吐能力。
PC機采用了PIII800 CPU,其強大的浮點運算能力、高速的系統總線能很好滿足系統需求。A/D卡可以采用ISA總線,也可采用PCI總線與CPU交換數據。與ISA總線相比,PCI總線速度要高得多。所用PC機上的PCI總線為32位/33MHz,可提供每秒132M字節的突發(Burst)數據傳輸率。PCI2.1規范已定義了64位/66MHz的PCI總線標準,因此未來可提供每秒512M字節的突發(Burst)數據傳輸率。而ISA總線的時鐘頻率是8MHz,最多實現0.5M字節左右的數據傳輸率。另外,與ISA總線比較,PCI總線增加了奇偶校驗(PERR)、系統錯(SERR)、從設備結束(STOP)等控制信號以及超時處理等可靠性措施,使數據傳輸的可靠性大為增加。
考慮到系統要求很高的數據吞吐能力,以盡量減少A/D采樣帶來的數據延遲,最終選取了商用高速PCI數采卡。此PCI卡采用ADS7819作為數據采集芯片,最大數采率可達800kHz,支持32路單端或16路差動模擬輸入,另配有16路開關量輸入,16路開關量輸出。磁懸浮控制系統要求5路傳感器信號采集,另外需要監測轉子速度,此卡提供的硬件完全能夠滿足需求。而且,它在板上設置了4K的高速FIFO,具有專門的邏輯控制電路,采樣時可實現通道的自動切換。這樣就為編程時盡可能減少CPU對采樣的干預,從而為CPU計算能力的充分利用提供了基礎。其結構簡圖如圖4所示。
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D/A部分選用了AD公司的高速D/A芯片AD7537,電流建立時間僅1.5μs。D/A板上共放置了5片AD7537,它們可同時進行10路控制信號的D/A轉換輸出,能達到系統的速度要求。
基于以上選取的硬件,采用PC機與RTLinux開發的控制平臺的基本結構如圖5所示。
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硬件選擇完畢之后,需進行相應的軟件編制以實現完整的控制平臺。文獻[1]中,美國維吉尼亞大學的Hilton提供了一整套的基于RTLinux的軟件解決方案——“R-TiC”開發平臺。但“R-TiC”平臺的一些圖形功能會影響系統的運行速度,同時考慮到系統的靈活性、高效性、安全性及對軟件代碼完全有效的控制,因而對軟件平臺進行了完全自主的開發。
軟件在RTLinux下用C語言進行開發,主要完成以下幾個功能:(1)數據采集,采樣位移傳感器信號;(2)轉速監測,監測轉子轉速,向控制算法提供實時轉速數據;(3)算法實現,完成位移與轉速數據到控制量的解算,實時生成控制量;(4)D/A輸出,控制D/A卡輸出電流控制量,驅動功放輸出控制電磁力。與之相適應的軟件結構如圖6所示。
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6 平臺應用
平臺搭建完成后,對系統性能進行了評測。采用的方式如下:
令系統工作周期為10kHz,每一周期,PC機完成A/D采樣、數據處理、D/A輸出等功能。A/D、D/A部分所用時間是固定的(與所采用的硬件水平有關),控制算法所能利用的時間(即數據處理部分)可達50μs以上。在評測時,數據處理代碼段循環進行如下工作:計數器累加、浮點乘法運算、譯碼并存儲結果到目的數,循環次數可達3000次以上。此評測雖然簡單,卻很好地反映了系統對磁懸浮數字控制(需要進行大量的譯碼與浮點乘法運算)的優越性能。
在隨后的實驗中,使用此平臺對一力矩陀螺磁懸浮系統進行了有效控制。PIII800強大的處理能力使復雜的控制算法得以輕松實現,并最終使系統轉速超過了20000rpm。
本文介紹了基于PC機與RTLinux構建的新一代磁懸浮系統數控平臺相對于DSP控制平臺的優越性,并詳細說明了構建此系統的情況。此平臺的成功構建及實際投入使用,有力地推動了磁懸浮系統研究的深入開展,最終使力矩陀螺轉速超20000rpm的目標得以順利實現。
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參考文獻
1 Schweitzer G.， Bleuler H.， Traxler A. Active Magnetic Bearings——Basics， Properties and Application of Active?Magnetic Bearings. ETH， Switzerland： Hochschulverlag AG，1994
2 Hilton? E. F.， Humphrey M. A. Design of an Open?Source， Hard Real Time， Controls Implementation Platform?for Active Magnetic Bearings. In： Seventh International?Symp. on Magnetic Bearings， ETH Zurich,August 23～25，2000:329～334
3 Knospe C. R.， Fedgan S. J. A Multitasking DSP Implementation of Adaptive Magnetic Bearing Control. In： IEEE?Transactions on Control Systems Technology， 1997；5(2)
4 Barabanov M. A Linux-based Real-Time Operating System. M.S. Thesis，Virginia Univ，1997.6