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RTLinux構(gòu)建的磁懸浮軸承控制器實驗平臺
摘要：介紹了一種全新的基于PC機與RTLinux構(gòu)建的磁懸浮控制器實驗平臺。與基于DSP構(gòu)建的控制平臺進行比較，證明此平臺在成本、開發(fā)效率、性能等方面具有優(yōu)越性。最后介紹了新平臺的實際應用情況。關(guān)鍵詞：RTLinux 磁懸浮軸承 飛輪 控制平臺
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(zhuǎn)子懸浮于空中，使轉(zhuǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)子可以運行到很高的轉(zhuǎn)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(yōu)點，特別適用于高速、真空、超凈等特殊環(huán)境中[1]。
隨著控制理論的發(fā)展以及對磁懸浮軸承系統(tǒng)性能要求的不斷提高，磁懸浮系統(tǒng)控制器需要實現(xiàn)的控制算法的復雜程度日漸加大。傳統(tǒng)的模擬控制器雖然具有成本低、速度快、性能穩(wěn)定、對PID控制算法適應良好等優(yōu)點，但卻難以滿足用戶日益增高的需求。于是數(shù)字控制成為磁軸系統(tǒng)控制的主流趨勢。(范文先生網(wǎng)www.panasonaic.com收集整理)
在磁軸承系統(tǒng)控制中，普遍采用了基于DSP構(gòu)建的數(shù)控平臺。此平臺難以克服其硬件成本高、開發(fā)周期長、延續(xù)性差、對用戶軟硬件能力要求高等缺點。開發(fā)一種低成本、高效率、易開發(fā)、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(gòu)建的控制平臺恰恰能滿足這一需求，其強大的數(shù)值運算與實時處理功能，為磁懸浮系統(tǒng)性能的提高提供了可靠的保障。事實上，國外已有將基于PC機一RTLinux構(gòu)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(shù)字控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡介
一個典型的磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中的電磁轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)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(wěn)定度電渦流傳感器。功放采用大功率電流控制開關(guān)功放。系統(tǒng)工作時，由傳感器檢測轉(zhuǎn)子各自由度位移信號，并由數(shù)字系統(tǒng)對此信號進行采樣。位移信號與轉(zhuǎn)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轉(zhuǎn)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(chǎn)生電磁力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮。
2 DSP數(shù)控平臺
前一代實驗室數(shù)控平臺為DSP平臺，采用TI的第三代浮點DSP即TMS320C32構(gòu)建。在采用DSP平臺進行磁懸浮系統(tǒng)控制的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)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(qū)動，總線速度只有20MHz，且由于其提供的內(nèi)部存儲空間太小（僅有512字節(jié)），必須使用外部擴展內(nèi)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(fā)現(xiàn)，即使僅采用PID算法進行控制，在控制通道中加上二階陷波器算法后，數(shù)據(jù)處理周期（包括完成一次A/D采樣、控制數(shù)據(jù)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(xiàn)更復雜的算法，則系統(tǒng)延遲會繼續(xù)增加。另外，512字節(jié)的片內(nèi)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(nèi)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(quán)宜的辦法也難以滿足需求，系統(tǒng)性能會進步下降�？傊珼SP有限的運算資源與有限的存儲器資源對控制算法的實現(xiàn)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(shù)也在快速發(fā)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(fā)需要較高的硬件設計與調(diào)試水平，且由選型到最終實現(xiàn)控制平臺的功能，要經(jīng)歷一個比較長的周期。另外其更新?lián)Q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(fā)平臺的支持。一般而言，這樣的開發(fā)系統(tǒng)價格是非常昂貴的。而且，這樣的新開發(fā)平臺與前一代的軟硬件差異不小，再開發(fā)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(xù)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(fā)效率很低、代碼的可重用性并），沒有通用的操作系統(tǒng)（開發(fā)時必須自己編寫任務調(diào)度程序，難于實現(xiàn)多任務能力）。雖然國外有研究人員曾經(jīng)實現(xiàn)了DSP上的多任務調(diào)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(guān)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(yōu)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(yōu)勢：
（1） 可以使用C語言進行開發(fā)，不必擔心效率問題（PC機平臺下優(yōu)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(xù)的開發(fā)工作不必從頭開始。
（2） 軟件資源豐富，尤其在RTLinux下，所需開發(fā)軟件均為免費軟件，不存在軟件開發(fā)成本問題。能在圖形界面下進行開發(fā)，充分利用PC機平臺的開發(fā)優(yōu)勢。有強大的實時操作系統(tǒng)支持，可輕松實現(xiàn)多任務調(diào)度。通過多任務編程，能實時改變控制參數(shù)和控制算法，實時監(jiān)控控制器的輸入、輸出及內(nèi)部變量。
（3） A/D、D/A板卡可從專業(yè)廠商處獲取，價格不高，不需自行開發(fā)，硬件平臺可以很快構(gòu)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(xiàn)網(wǎng)絡編程，必要時可通過局域網(wǎng)進行遠程監(jiān)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(huán)境干擾的穩(wěn)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。
圖5 采用PC機與RTLinux開發(fā)的控制平臺的基本結(jié)構(gòu)
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(tǒng)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(tǒng)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”。
事實上，DOS在“中斷響應時間”上無可挑剔，便考慮到其不具備任務調(diào)度能力（除非另行開發(fā)任務調(diào)度代碼），并且沒有圖形開發(fā)環(huán)境，將來軟件開發(fā)成本會很高，故不予考慮。
Windows為一多任務操作系統(tǒng)，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(guān)資料表明，Winodws的中斷響應時間會在幾百微秒到幾百毫秒的范圍內(nèi)波動。Windows下，系統(tǒng)在“任務切換時間”、“中斷響應時間”方面，表現(xiàn)均很差。
RTLinux是一硬實時系統(tǒng)，作為一新興的實時平臺，可從網(wǎng)上免費獲取，并且基源碼是完全公開的。它是由美國新黑西哥理工學院開發(fā)的基于標準Linux的嵌入式操作系統(tǒng)。到目前為止，RTLinux已成功應用于從航天飛機的空間數(shù)據(jù)采集、科學儀器測控到電影特技圖像處理等廣泛的應用領(lǐng)域[4]。
RTLinux提供了一個精巧的實時內(nèi)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(diào)度。這樣做的好處是好Linux的改動量最小，充分利用了Linux平臺現(xiàn)有的豐富的軟件資源。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
這樣的結(jié)構(gòu)，一方面保證了它的穩(wěn)定性，另一方面由于它將實時進程的優(yōu)先級設為高于標準的Linux進程，從而保證了系統(tǒng)的實時性。并且RTLinux的實時特性與硬件密切相關(guān)，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(fā)揮微機平臺硬件速度上的優(yōu)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(fā)信號；腳2由低電平變?yōu)楦唠娖綍r會觸發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的實時要求。
5 控制平臺構(gòu)建
磁軸承各種數(shù)字控制算法的實現(xiàn)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(tǒng)總線能很好滿足系統(tǒng)需求。A/D卡可以采用ISA總線，也可采用PCI總線與CPU交換數(shù)據(jù)。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(jié)的突發(fā)（Burst）數(shù)據(jù)傳輸率。PCI2.1規(guī)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(jié)的突發(fā)（Burst）數(shù)據(jù)傳輸率
。而ISA總線的時鐘頻率率是8MHz，最多實現(xiàn)0.5M字節(jié)左右的數(shù)據(jù)傳輸率。另外，與ISA總線比較，PCI總線增加了奇偶校驗（PERR）、系統(tǒng)錯（SERR）、從設備結(jié)束（STOP）等控制信號以及超時處理等可靠性措施，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃源鬄樵黾印?/p>
考慮到系統(tǒng)要求很高的數(shù)據(jù)吞吐能力，以盡量減少A/D采樣帶來的數(shù)據(jù)延遲，最終選取了商用高速PCI數(shù)采卡。此PCI卡采用ADS7819作為數(shù)據(jù)采集芯片，最大數(shù)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(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出。磁懸浮控制系統(tǒng)要求5路傳感器信號采集，另外需要監(jiān)測轉(zhuǎn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。
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(zhuǎn)換輸出，能達到系統(tǒng)的速度要求。
基于以上選取的硬件，采用了PC機與RTLinux開發(fā)的控制平臺的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。
硬件選擇完畢之后，需進行相應的軟件編制以實現(xiàn)完整的控制谷倉中。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——“RTiC”開發(fā)平臺。但“R-TiC”平臺的一些圖形功能會影響系統(tǒng)的運行速度，同時考慮到系統(tǒng)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(fā)。
軟件在RTLinux下用C語言進行開發(fā)，主要完成以下幾個功能：(1)數(shù)據(jù)采集，采樣位移傳感器信號；(2)轉(zhuǎn)速監(jiān)測，監(jiān)測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，向控制算法提供實時轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)；（3）算法實現(xiàn)，完成位移與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)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(qū)動功放輸出控制電磁力。與之相適應的軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。
6 平臺應用
平臺搭建完成后，對系統(tǒng)性能進行了評測。采用的方式如下：
令系統(tǒng)工作周期為10kHz，每一周期，PC機完成A/D采樣、數(shù)據(jù)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(guān)），控制算法所能利用的時間（即數(shù)據(jù)處理部分）可達50μs以上。在評測時，數(shù)據(jù)處理代碼段循環(huán)進行如下工作：計數(shù)器累加、浮點乘法運算、譯碼并存儲結(jié)果到目的數(shù)，循環(huán)次數(shù)可達3000次以上。此評測雖然簡單，卻很好地反映了系統(tǒng)對磁懸浮數(shù)字控制（需要進行大量的譯碼與浮點乘法運算）的優(yōu)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(tǒng)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(xiàn)，并最終使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速超過了20000rpm。
本文介紹了基于PC機與RTLinux構(gòu)建的新一代磁懸浮系統(tǒng)數(shù)控平臺相對于DSP控制平臺的優(yōu)越性，并詳細說明了構(gòu)建此系統(tǒng)的情況。此平臺的成功構(gòu)建及實際投入使用，有力地推動了磁懸浮系統(tǒng)研究的深入開展，最終使力矩陀螺轉(zhuǎn)速超20000rpm的目標得以順利實現(xiàn)。
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