本文介紹磁懸浮主軸系統的組成及工作原理，提出了一種在常規PID基礎上的智能PID控制器的新型數字控制器設計。其核心部件是TI公司的TMS320LF2407A，設計了五自由度磁懸浮主軸系統的硬件總體框圖。用C2000作為開發平臺，設計在常規PID基礎上的智能PID控制器。理論分析結果表明：這種智能PID控制器能實現更好控制效果，達到更高的控制精度要求。1 引 言

    主動磁懸浮軸承（AMB，以下簡稱磁軸承）是集眾多門學科于一體的，最能體現機電一體化的產品。磁懸浮軸承與傳統的軸承相比具有以下優點：無接觸、無摩擦、高速度、高精度。傳統軸承使用時間長后，磨損嚴重，必須更換，對油潤滑的軸承使用壽命會延長、但時間久了不可避免會出現漏油情況，對環境造成影響，這一點對磁懸浮軸承就可以避免，它可以說是一種環保型的產品。而且磁軸承不僅具有研究意義，還具有很廣闊的應用空間：航空航天、交通、醫療、機械加工等領域。國外已有不少應用實例。

    磁懸浮軸承系統是由以下五部分組成：控制器、轉子、電磁鐵、傳感器和功率放大器。其中最為關鍵的部件就是控制器。控制器的性能基本上決定了整個磁懸浮軸承系統的性能。控制器的控制規律決定了磁軸承系統的動態性能以及剛度、阻尼和穩定性。控制器又分為兩種：模擬控制器和數字控制器。雖然國內目前廣泛采用的模擬控制器雖然在一定程度上滿足了系統的穩定性，但模擬控制器與數字控制器相比有以下不足：（一）調節不方便、（二）難以實現復雜的控制、（三）不能同時實現兩個及兩個以上自由度的控制、（四）互換性差，即不同的磁懸浮軸承必須有相對應的控制器、（五）功耗大、體積大等。磁軸承要得到廣泛的應用，模擬控制器的在線調節性能差不能不說是其原因之一，因此，數字化方向是磁軸承的發展趨勢。同時，要實現磁軸承系統的智能化，顯然模擬控制器是難以滿足這方面的要求。因此從提高磁軸承性能、可靠性、增強控制器的柔性和減小體積、功耗和今后往網絡化、智能化方向發展等角度，必須實現控制器數字化。近三十年來控制理論得到飛速發展并取得了廣泛應用。磁懸浮軸承控制器的控制規律研究在近些年也取得了顯著的進展，目前國外涉及到的控制規律有：常規PID和PD控制、自適應控制、H∞控制等，國內涉及到的控制規律主要是常規PID及PD控制和H∞控制，但H∞控制成功應用于磁懸浮軸承系統中的相關信息還未見報道。

    從當前國內外發展情況來看，國外的研究狀況和產品化方面都領先國內很多年。國外已有專門的磁懸浮軸承公司和磁懸浮研究中心從事這方面的研發和應用方面工作，如SKF公司、NASA等。其中SKF公司的磁軸承的控制器所用控制規律為自適應控制，其產品適用的范圍：承載力50～2500N、轉速1,800～100,000r/min，工作溫度低于220℃。NASA是美國航天局，他們開展磁懸浮研究已有幾十年，主要用于航天上，研究領域包括火箭發動機和磁懸浮軌道推進系統（2002年9月已完成在磁懸浮軌道上加2g加速度下可使火箭的初始發射速度達到643～965km/h 。目前國內還沒有一家磁懸浮軸承公司，要趕上國外磁懸浮軸承發展水平，必須加大人力、物力等方面的投入。國內對磁懸浮軸承控制器的控制規律研究起步較晚，當前使用較多的都是常規PID和PD控制，實際電路中也有使用PIDD的。控制精度相對來說不是很高，而且每個系統都必須對應相應的K_P，K_I，K_D，調節起來很麻煩，使用者同樣會覺得很不方便。為了使磁懸浮軸承產品化，必須解決上述問題，任何人都能很方便的使用，必須把它做成象“傻瓜型設備一樣的產品”，這就得首先解決控制器的問題。解決此問題就是使控制器智能化。智能化的內容包括硬件的智能化和軟件的智能化。本文僅討論控制器在控制算法方面的智能化問題以及實現手段，可為最終解決磁懸浮軸承智能化奠定一定的基礎。

2 磁軸承系統的組成及工作原理

    磁軸承系統由轉子、電磁鐵、傳感器、控制器和功率放大器五部分組成。磁軸承系統是一個非常復雜的機電一體化系統，用數學模型精確地描述是非常困難，一般都采用在平衡點附近進行分析，再進行線性化處理。在不考慮五自由度之間耦合的情況下，只需進行單自由度的分析，如圖1所示。

圖1 單自由度磁軸承系統原理圖

    工作原理：轉子在偏置電流I₀的作用下處于平衡位置x₀，若某時刻出現一干擾f₀，轉子就會偏離平衡位置，偏移為