專利名稱：一種集成化、低功耗磁軸承數(shù)字控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成化、低功耗磁軸承數(shù)字控制裝置，用于對電磁軸承的主動控制，特別適用于低功耗、高集成度等場合。
背景技術(shù)：
主動磁軸承是一種高科技機電一體化產(chǎn)品，在航空航天、渦輪機械、真空技術(shù)以及機床等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
現(xiàn)有的磁軸承控制器分為模擬控制器和數(shù)字控制器兩大類。模擬控制器以運算放大器為核心，具有響應(yīng)速度快和可靠性高的優(yōu)點，但模擬控制器最大的問題是不靈活、抗干擾能力差，表現(xiàn)在控制參數(shù)修改困難，調(diào)試過程復(fù)雜，難于實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法。數(shù)字控制的優(yōu)點表現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制器功能，在開發(fā)階段，數(shù)字控制器易于進行各種可能控制策略的試驗；適合集成化，模塊化設(shè)計，并且可以做到體積小，功耗低；采用數(shù)字控制，使得傳感器、偏置和其他參數(shù)的標(biāo)定更為容易；在線監(jiān)測，載荷、位移、振動、軸承電流及其它運行工況可以顯示、記錄及遠距離傳輸；對意外和緊急情況、以及相應(yīng)的安全問題可做出智能反應(yīng)；系統(tǒng)的更新?lián)Q代由于只涉及軟件而更為容易。但是現(xiàn)有的磁軸承數(shù)字控制裝置普遍采用了數(shù)字控制器加模擬功放的方式，這就需要一個D/A環(huán)節(jié)將數(shù)字控制器產(chǎn)生的數(shù)字信號再還原為模擬信號才能與模擬功放連接。這種結(jié)構(gòu)增加了電路中間環(huán)節(jié)，降低了系統(tǒng)抗干擾能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有模擬控制器和數(shù)字控制器的不足，提供一種功耗低、集成度高、抗干擾能力強、體積小、重量輕的磁軸承數(shù)字控制裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種集成化、低功耗磁軸承數(shù)字控制裝置，包括接口電路、DSP系統(tǒng)以及功率模塊，其中接口電路包括位移傳感器接口電路、轉(zhuǎn)速信號接口電路、電流傳感器接口電路，功率模塊包括高速光電隔離電路、脈沖保護驅(qū)動電路、全橋式換能電路、電流傳感器，磁軸承位移傳感器通過位移傳感器接口電路連接到DSP系統(tǒng)，霍爾傳感器通過轉(zhuǎn)速信號接口電路連接到DSP系統(tǒng)，電流傳感器通過電流傳感器接口電路連接到DSP系統(tǒng)，DSP系統(tǒng)分別獲取磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號、轉(zhuǎn)速信號和線圈電流信號等數(shù)據(jù)后，進行運算生成控制量并將其進行PWM調(diào)制，再將調(diào)制完成的PWM波直接經(jīng)過高速光電隔離電路、脈沖驅(qū)動保護電路傳送給全橋式換能電路，生成磁軸承線圈所需的控制電流，從而實現(xiàn)磁軸承的主動控制。
本發(fā)明的原理是本發(fā)明提供了模擬量和脈沖信號的輸入接口，提供了經(jīng)功率放大后的電流輸出接口，以及DSP與上位機相連的在線調(diào)試與診斷通訊接口，由位移傳感器輸出的五個自由度的位移信號和電流傳感器檢測的磁軸承線圈中的電流信號被DSP的ADC模塊采樣，DSP對采樣進來的位移信號根據(jù)一定的數(shù)字控制算法進行運算處理；同時利用DSP的脈沖寬度調(diào)制PWM生成器對控制信號進行PWM調(diào)制，輸出PWM調(diào)制信號以控制功率開關(guān)器件，通過接口提供給電磁軸承線圈控制電流。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明利用了一種高性能的DSP來構(gòu)建磁軸承控制器，與現(xiàn)有電磁軸承普遍采用的模擬控制器和數(shù)字控制器相比具有以下特點(1)較傳統(tǒng)的以運算放大器為核心的模擬控制器而言，本發(fā)明具有數(shù)字控制器的優(yōu)點調(diào)試靈活、方便。電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、調(diào)試靈活方便、便于實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。
(2)本發(fā)明所采用的電路結(jié)構(gòu)省去了現(xiàn)有數(shù)字控制裝置中的D/A環(huán)節(jié)以及模擬功放中的PWM產(chǎn)生電路，用DSP將控制信號直接調(diào)制為PWM信號。該設(shè)計簡化了電路，加快了系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。
(3)采用一片DSP芯片作為處理器完成磁軸承的主動控制，并實現(xiàn)了磁軸承功放脈沖生成電路的數(shù)字化，降低了控制器功耗。特別適用于航空航天等對功耗有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。
(4)實現(xiàn)了數(shù)字控制器與數(shù)字功放的集成化設(shè)計，滿足最大程度的磁軸承控制系統(tǒng)集成化的要求，使得本發(fā)明做到了裝置體積小、重量輕。
(5)裝置采用的TMS320F2812可以快速實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，滿足磁軸承控制信號的實時性要求。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成框圖；圖2為本發(fā)明在整個磁軸承中的控制原理框圖；圖3為本發(fā)明的DSP系統(tǒng)電路框圖；圖4為本發(fā)明DSP系統(tǒng)的算法程序圖；圖5為本發(fā)明的單個通道高速光電隔離電路、脈沖保護驅(qū)動電路和全橋式換能電路的電路圖；圖6為本發(fā)明的單個通道的位移傳感器接口電路；圖7為本發(fā)明的單個通道的電流傳感器接口電路；圖8為本發(fā)明的轉(zhuǎn)速信號接口電路。
具體實施例方式
如圖1、2所示，本發(fā)明包括接口電路10、DSP系統(tǒng)4以及功率模塊11，其中接口電路10包括位移傳感器接口電路1、轉(zhuǎn)速信號接口電路2、電流傳感器接口電路3，功率模塊11包括高速光電隔離電路5、脈沖保護驅(qū)動電路6、全橋式換能電路7、電流傳感器8，磁軸承位移傳感器由位移傳感器輸出的5個自由度的位移信號通過位移傳感器接口電路1連接到DSP系統(tǒng)4，霍爾傳感器通過轉(zhuǎn)速信號接口電路2連接到DSP系統(tǒng)4，電流傳感器8通過電流傳感器接口電路3連接到DSP系統(tǒng)4，DSP系統(tǒng)4分別采樣位移傳感器輸出的5個自由度的位移信號、霍爾傳感器輸出的轉(zhuǎn)速信號和電流傳感器檢測的磁軸承線圈中的電流信號后，根據(jù)數(shù)字控制算法進行運算處理，同時電流信號與控制信號進行比較后輸出PWM信號，PWM信號直接經(jīng)過高速光電隔離電路5、脈沖驅(qū)動保護電路6傳送給全橋式換能電路7，以控制功率開關(guān)器件組成的全橋式換能電路7生成磁軸承線圈所需的控制電流，從而實現(xiàn)磁軸承的主動控制。本發(fā)明還設(shè)計有RS232接口9，可以進行DSP與PC機之間的通訊，通過PC機完成控制參數(shù)的在線修改以及對磁軸承工作狀態(tài)進行監(jiān)控。
如圖3所示，本發(fā)明的DSP系統(tǒng)4采用TMS320F2812，5路位移傳感器信號(四個徑向通道AX、AY；BX，BY。一個軸向通道Z)以及電流傳感器信號經(jīng)過接口電路放大，電平偏移后與A/D輸入范圍相匹配(0～3V)，然后經(jīng)過前置抗混疊低通濾波(截止頻率可以根據(jù)所采取的采樣頻率而進行調(diào)節(jié))后送入DSP系統(tǒng)4的A/D輸入端，霍爾傳感器給出的轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)整形、隔離后送入TMS320F2812捕獲端，可以利用軟件直接計算其頻率，然后DSP系統(tǒng)4按照數(shù)字控制的控制算法進行運算處理，產(chǎn)生5個自由度的控制量。TMS320F2812由3個帶可編程死區(qū)控制的比較單元可產(chǎn)生獨立的3對(即六個輸出)PWM信號，這樣直接對TMS320F2812運算產(chǎn)生的5個自由度的控制量同時直接進行PWM調(diào)制，輸出5對(10路)PWM信號。由于TMS320F2812為設(shè)計人員提供了整套的片上系統(tǒng)，該設(shè)計使DSP系統(tǒng)不必擴展任何外圍器件，就可以由一片DSP芯片完成磁軸承的五個通道的主動控制以及磁軸承功放的數(shù)字化，從而取代現(xiàn)有模擬功放電路中的控制信號與電流傳感器電流信號的混合運算電路，以及相對復(fù)雜、功耗較大的脈沖生成電路。進而最大程度地滿足系統(tǒng)集成化的要求，從而簡化電路結(jié)構(gòu)，降低控制電路的功耗，提高電路的集成度和系統(tǒng)的可靠性。
如圖4所示，本發(fā)明采用了PID加交叉反饋的控制算法，可以有效抑制其他與轉(zhuǎn)速相關(guān)的各種渦動模態(tài)振動，實現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)子的高速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸兩端分別定義為A端和B端。Sax、Say分別表示A端位移傳感器X、Y兩個正交方向的轉(zhuǎn)子徑向位移信號；Sbx、Sby分別表示B端位移傳感器X、Y兩個正交方向的轉(zhuǎn)子徑向位移信號；Sz表示軸向傳感器輸出的軸向位移信號。Iax、Iay分別表示A端電流傳感器X、Y方向的磁軸承線圈電流信號；Ibx、Iby分別表示B端電流傳感器X、Y方向的磁軸承線圈電流信號；Iz表示軸向電流傳感器輸出的軸向磁軸承線圈電流信號。
PWMax+、PWMax-為DSP輸出的A端X方向的控制量的一對PWM調(diào)制信號；PWMay+、PWMay-為DSP輸出的A端Y方向的控制量的一對PWM調(diào)制信號；PWMbx+、PWMbx-為DSP輸出的B端X方向的控制量的一對PWM調(diào)制信號；PWMby+、PWMby-為DSP輸出的B端Y方向的控制量的一對PWM調(diào)制信號；PWMz+、PWMz-為DSP輸出的軸向控制量的一對PWM調(diào)制信號。輸出的五個自由度的控制量算式為OUTax＝PIDSax(k)+(Sby(k)-Say(k))KcOUTbx＝PIDSbx(k)-(Sby(k)-Say(k))KcOUTay＝PIDSay(k)+(Sax(k)-Sbx(k))KcOUTby＝PIDSby(k)-(Sax(k)-Sbx(k))KcOUTz＝PIDSz(k)PIDSax為A端X方向的位移偏差的PID運算結(jié)果，PIDSbx、PIDSay、PIDSby含義類推。Kc為引入了轉(zhuǎn)速后的交叉反饋通道增益。為提高控制的電流響應(yīng)速度將輸出的控制量與電流反饋信號的偏差做PD運算，然后對該結(jié)果進行PWM調(diào)制并輸出調(diào)制波形。具體的程序運算流程見圖4。
如圖5所示，為本發(fā)明的單個通道高速光電隔離電路、脈沖保護驅(qū)動電路和全橋式換能電路的電路圖，其余四個通道類似。高速光耦TLP2630實現(xiàn)了DSP輸出的PWM信號與強電脈沖的隔離。PWM信號經(jīng)IR2110驅(qū)動功率管IRF3710。比較器LM339和TLP2630、4001、4025構(gòu)成的電路可以防止MOSFET電源側(cè)直通并能提供磁軸承線圈的過電流保護。可以通過調(diào)節(jié)電位器W1和W2來設(shè)置磁軸承線圈的電流門限值。當(dāng)磁軸承電流超過設(shè)定值或DSP輸出的一個通道的一對PWM信號出現(xiàn)全高時，4025都輸出低電平，從而防止磁軸承直流測電源直通以及磁軸承線圈過電流。
如圖6所示，位移傳感器接口電路對位移傳感器輸出的位移信號作差分，然后進行放大和電平偏移，與A/D輸入量程相匹配(0-3V)，再經(jīng)過一級二階低通濾波器，濾除高頻噪聲信號防止產(chǎn)生頻譜混疊。
如圖7所示，電流傳感器實時檢測磁軸承線圈電流，電流傳感器接口電路對電流傳感器信號進行放大和電平偏移，與A/D輸入量程相匹配(0-3V)，再經(jīng)過一級二階低通濾波器，濾除高頻噪聲信號防止產(chǎn)生頻譜混疊。
如圖8所示，霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈沖信號。轉(zhuǎn)速傳感器接口電路用高速光耦6N137將轉(zhuǎn)速脈沖信號進行隔離，并將其幅值調(diào)整為0-3.3V，用74HC14進行脈沖整形后送入DSP的捕獲單元(CAP3)，通過測量脈沖周期實現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測量。
本發(fā)明可以作為一種通用的磁軸承控制的硬件平臺，提供了足夠的硬件資源。應(yīng)用者可以根據(jù)其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域通過修改軟件來靈活方便地實現(xiàn)其功能。
權(quán)利要求
1.一種集成化、低功耗磁軸承數(shù)字控制裝置，其特征在于包括接口電路(10)、DSP系統(tǒng)(4)以及功率模塊(11)，其中接口電路(10)包括位移傳感器接口電路(1)、轉(zhuǎn)速信號接口電路(2)、電流傳感器接口電路(3)，功率模塊(11)包括高速光電隔離電路(5)、脈沖保護驅(qū)動電路(6)、全橋式換能電路(7)、電流傳感器(8)，磁軸承位移傳感器通過位移傳感器接口電路(1)連接到DSP系統(tǒng)(4)，霍爾傳感器通過轉(zhuǎn)速信號接口電路(2)連接到DSP系統(tǒng)(4)，電流傳感器(8)通過電流傳感器接口電路(3)連接到DSP系統(tǒng)(4)，DSP系統(tǒng)(4)分別獲取磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號、轉(zhuǎn)速信號和線圈電流信號等數(shù)據(jù)后，進行運算生成控制量并將其進行PWM調(diào)制，再將調(diào)制完成的PWM波直接經(jīng)過高速光電隔離電路(5)、脈沖驅(qū)動保護電路(6)傳送給全橋式換能電路(7)，生成磁軸承線圈所需的控制電流，從而實現(xiàn)磁軸承的主動控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化、低功耗磁軸承數(shù)字控制裝置，其特征在于所述的DSP系統(tǒng)(4)采用一片TMS320F2812芯片作為處理器，完成磁軸承轉(zhuǎn)子5個自由度的控制，不需擴展任何外圍器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化、低功耗磁軸承數(shù)字控制裝置，其特征在于磁軸承控制器與磁軸承功放脈沖生成電路采用集成化設(shè)計，所述的DSP系統(tǒng)(4)輸出信號為數(shù)字控制量的PWM調(diào)制信號，DSP系統(tǒng)(4)與功率模塊(11)之間沒有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和PWM產(chǎn)生電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化、低功耗磁軸承數(shù)字控制裝置，其特征在于霍爾傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)轉(zhuǎn)速信號接口電路(2)接入到DSP系統(tǒng)(4)，利用DSP的捕獲端口直接對轉(zhuǎn)速脈沖信號頻率進行測量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化、低功耗磁軸承數(shù)字控制裝置，其特征在于所述功率模塊(11)中，位于高速光電隔離電路(5)與全橋式換能電路(7)之間設(shè)計有防止功率開關(guān)器件直通以及磁軸承線圈過流的脈沖保護驅(qū)動電路(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化、低功耗磁軸承數(shù)字控制裝置，其特征在于DSP系統(tǒng)(4)上接有RS232接口(9)，所述接口連接到具有在線參數(shù)改變與診斷功能的調(diào)試/監(jiān)控計算機，進行磁軸承剛度，阻尼調(diào)節(jié)等控制參數(shù)調(diào)節(jié)。
全文摘要
一種集成化、低功耗磁軸承數(shù)字控制裝置，是一種能夠用來對電磁軸承進行主動控制的控制裝置，其主要包括接口電路、DSP系統(tǒng)、以及功率模塊，DSP通過接口電路獲取磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號、線圈電流、轉(zhuǎn)速信號等數(shù)據(jù)，按照一定的控制算法進行運算生成控制量并將其進行PWM調(diào)制，再將調(diào)制完成的PWM信號經(jīng)脈沖保護驅(qū)動電路后傳送到功率器件組成的全橋式換能電路，生成磁軸承線圈所需的控制電流，從而實現(xiàn)對電磁軸承的主動控制。本發(fā)明實現(xiàn)了磁軸承數(shù)字控制器與數(shù)字功放的集成化設(shè)計，使得磁軸承控制器集成度大大提高，減小了體積和重量，并降低了控制器的功耗。
文檔編號F16C32/04GK1728528SQ20051001197
公開日2006年2月1日 申請日期2005年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月21日
發(fā)明者房建成, 田希暉, 劉剛, 樊亞洪, 劉虎 申請人:北京航空航天大學(xué)