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6.2 软件架构与实现

磁悬浮轴承系统的数字化控制器是其核心“大脑”，而承载并执行控制算法的软件则是赋予其智能与生命的关键。软件架构定义了从底层硬件驱动到上层控制逻辑的组织方式、数据流、任务调度与通信机制。一个设计优良的软件架构，不仅能够确保系统的实时性、可靠性和确定性，还能提升软件的重用性、可维护性与可扩展性。本节将围绕磁悬浮轴承控制器的软件架构层次、关键实现技术、开发方法以及测试验证展开详细论述。

6.2.1 软件架构的分层模型

现代磁悬浮轴承控制软件普遍采用分层架构，以分离关注点，降低系统复杂度。典型的架构可分为硬件抽象层、实时控制内核、控制算法层以及软件框架与应用层。

6.2.1.1 硬件抽象层
硬件抽象层（HAL）是软件与具体硬件平台（如特定的DSP、FPGA、ADC、PWM模块）之间的接口层。其主要功能是将硬件操作（如寄存器读写、中断配置）封装成统一的API（应用程序编程接口）。例如，无论底层使用TI的TMS320F28335还是STM32F407，通过HAL都可以用相同的函数ADC_ReadChannel()读取位移传感器数据。这使得控制算法能够与硬件解耦，极大地提高了软件的可移植性。

6.2.1.2 实时控制内核
这是确保系统确定性的核心层，通常由嵌入式实时操作系统（RTOS）或定时中断调度机制构成。RTOS通过多任务管理，将复杂控制逻辑分解为多个具有不同优先级和周期的任务（如高速电流环任务、中速位置环任务、低速监控通信任务）。RTOS负责任务的调度、同步与通信，确保高优先级任务能在规定时间内抢占执行。例如，在基于DSP的系统中移植µC/OS-II，或采用国产RT-Thread系统，均能有效管理任务，简化程序设计并提升可靠性。

6.2.1.3 控制算法层
该层包含了实现转子悬浮稳定的所有核心算法。通常采用双闭环控制结构：内环为高速电流环，用于精确跟踪电磁线圈的电流指令；外环为位置环，根据转子位移偏差计算所需的控制力（或等效电流指令）。算法实现上，可采用经典PID及其改进型（如带微分限制和积分分离的PID），也可实现现代控制策略（如鲁棒控制、自适应控制）。在某些高性能或商业控制器（如东元TMBC-006A）中，为实现五自由度解耦和更高带宽，控制算法可能在FPGA中以硬件逻辑并行执行。

6.2.1.4 软件框架与应用层
该层提供系统级的服务和管理功能，包括：

• 参数管理：存储和加载控制器参数（如PID增益），支持通过上位机在线调整。
• 系统监控与故障诊断：实时监测位移、电流、转速等状态，判断是否超限并触发声光报警或安全保护（如降速、停靠）。
• 通信接口：实现与上位机、HMI（人机界面）或其他