磁悬浮轴承位移信号采集系统设计

胡叨福，王凡，赵科杰

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海，519070）

0 引言

磁悬浮轴承具有无机械接触、无需润滑油路系统等一系列优点，转子可以实现无摩擦高速旋转，其转速只受转子材料强度的限制。这些优点使磁悬浮轴承广泛应用于暖通压缩机、轨道交通、航空航天、高精度主轴等领域。

磁悬浮轴承控制器是磁悬浮轴承系统的核心部分，其中位移信号采集系统又是磁悬浮轴承控制器的关键组成部分之一，控制器通过位移传感器获取转子的位置信息，然后通过CPU进行分析处理，输出控制信号到功率放大器。磁悬浮轴承的各项基本性能，如刚度、阻尼、转子悬浮精度和不平衡响应都主要取决于它的控制性能。随着智能化、数字集成化的发展，采用数字控制器是磁悬浮轴承系统发展的必然趋势，大部分磁悬浮轴承的位移信号采集系统都由数字信号处理器来实现。

本文以项目中的主动磁悬浮轴承为研究对象，采用TI公司高性能DSP芯片TMS320F28335（以下称F28335）作为控制器的CPU，以16位AD作为模拟数字转换器，采用FIR滤波器对采集的信号进行滤波处理，用VS2010编写软件接收并保存采集的数据，以便对磁悬浮轴承的运行数据进行离线分析。

1 采集系统硬件结构设计

系统的硬件结构如图1所示，由信号采样及预处理、模数转换、DSP和上位机组成，由DSP采集的位移信号经处理后可通过以太网通信发送给上位机，上位机实现网络接收、显示程序，可实时显示和保存DSP发送来的数据。

图1 采集系统总体结构框图

■1.1 F28335与AD976电路设计介绍

AD976是AD公司的一种高速、低功耗、单通道同步采样转换，单+5V供电的16位高速并行接口的高性能模数转换器，内部集成2.5V基准电压源、高速并行接口和时钟。它还有一个更重要的特点就是它的模拟信号输入范围为-10V到+10V，这是其他很多AD转换芯片所不能及的。REF为外部参考电源输入，AGND为REF的参考地，无论在是使用内部或者外部参考电源，在REF和AGND之间都要跨接2.2μF的钽电容；CS为片选信号，低电平有效[1]。

F28335是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位浮点DSP，它具有丰富的IO口、数据、地址总线等外设接口资源[2]，由于F28335的IO口电平为3.3V，AD976电平为5V，为提高电路可靠性，两个芯片之间需要增加电平转换芯片，具体连接原理图如图2所示。

图2 F28335与AD976连接原理图

■1.2 DSP与PC机之间的网络通讯硬件设计

本系统采用WIZnet公司的高性能以太网接口芯片W5500作为DSP与上位机之间的以太网通信桥梁，该芯片集成了硬件TCP/IP协议栈、以太网数据链路层和以太网物理层，支持TCP、UDP等协议[3]，还集成了SPI（外设串行接口）通信接口，可与 F28335无缝对接，实现DSP与PC机之间的互联网连接，具体通信原理图如图3所示。

图3 F28335以太网通信电路

2 采集系统软件设计

■2.1 AD采集程序设计

通过定时中断能精准控制AD采样节拍，保证采样频率固定，AD976的初始化、开始采样和数据读取均用软件实现，部分功能程序如下：

void StartSample(void) //启动AD

{

ADCS=0;

ADRC=0;

delay_ns(t1) ;

while(!ADBUSY);

delay_ns(t2) ;

ADRC=1;

}

void ReadData(void) //读取数据

{

ADRC=1;

ADCS=0;

result=ptrChannel;

}

■2.2 信号滤波程序设计

由于转子位移信号的准确性在磁悬浮轴承系统中作用非常关键，由于磁悬浮轴承工作在强磁场环境，采集系统的滤波性能占有非常重要的地位，目前，数字滤波器是数字信号处理的常用方法，在下位机反馈数据给上位机之前，利用数字滤波器对采集的数据进行滤波处理，用DSP芯片实现数字滤波具有运算速度快、稳定性好、移植方便等优点，在程序中通过修改滤波器的相关系数可十分方便地改变滤波器的带宽、截止频率等特性。本系统采用有限冲激响应(FIR)滤波器，其独特的优点为：FIR系统只有零点，系统总是稳定的，另外容易实现线性相位和允许实现多通道滤波。FIR滤波器的一个主要特征就是其单位冲激响应是有限长的，令x[n]表示时刻n的输入信号，则n时刻的输出信号y[n]可以表示为：

其中hi和h[i]等价，即hi=h[i](i= 0 ,1,2,⋅⋅⋅,N)是滤波器的系数[5]。

实际中可采用MATLAB的数字信号处理软件包提供的专用函数来直接计算FIR滤波器系数，也可通过MATLAB工具箱中的FDATool(Filter Design&Analysis Tool)生成相应的滤波器系数[4]，本设计采用FDATool生成的系数头文件不要做任何修即可加载到DSP的工程中实现滤波效果，图4为DSP对所采集混合信号滤波前后的波形，从图中可明显看出所设计的滤波器有很好的滤波效果。

■2.3 上位机网络通信显示界面程序设计

本文采用VS2010设计了基于TCP/IP协议的上位机界面，使用C#编写通信及数据实时显示程序，使用Socket接口与下位机进行以太网连接，在上位机界面里输入IP地址和端口号完成与下位机的匹配连接，部分程序如下：

//建立基于TCP/IP协议的套接字

SocketClient = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

//识别输入的IP地址

IPAddress ip = IPAddress.Parse(txtClientIP.Text.Trim());

//将IP地址和端口号映射到endPoint

IPEndPoint endPoint = new IPEndPoint(ip,int.Parse(txtClientPort.Text));

//将套接字连接到endPoint上

SocketClient.Connect(endPoint);

//保留10像素环绕控件的外部边缘

zedGraphControlV.Location = new Point(10, 10);

//建立采集数据链表

PointPairList listPrecisionFX1 = new PointPairList();

//采集缓冲区

List＜double> tempPrecisionFX1 = new List＜double>();

//FX1位移曲线显示

LineItem myCurveFX1 = myPane.AddCurve(“FX_Accu”, listPrecisionFX1, Color.Red, SymbolType.Circle);

控制器作为服务器，上位机作为客户端，建立使用TCP/IP协议的套接字，用户通过界面输入服务器的IP和端口号， SocketClient.Connect(endPoint)用来建立与服务器的链接，使用zedGraph进行波形绘制，通过PointPairList()建立不同的波形绘制窗口，通过myPane.AddCurve()实现波形数据实时显示，具体显示效果如图5所示。

图5 VS界面显示位移曲线效果

3 结束语

本文阐述了基于DSP和网络通信的磁悬浮轴承位移信号采集系统设计与实现，该系统可快速、有效采集转轴在运转中的位置信号，实践结果表明，该系统具有实时性高、抗干扰能力强、传输距离远等特性，满足磁悬浮轴承的应用要求。