專利名稱：基于dps的智能高速磁懸浮控制及模擬功放裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種高速磁懸浮控制裝置，具體地講是一種基于DSP的智能高速磁懸浮控制及模擬功放裝置。
背景技術：
目前基于高速磁懸浮控制裝置基本采用的是“電壓采集卡+工控機”的方案，即用現成的電壓采集板卡插入工控機中。這種方式具有穩(wěn)定性好，通用性強等優(yōu)點。但是由于在高速采集中隨著采集和處理流量的加大，這種方案由于采用的是16位ISA總線，所以無法滿足要求。隨著控制技術及控制精度的不斷提高和完善，需要對磁懸浮系統(tǒng)進行動態(tài)實時控制和監(jiān)測，而目前的方案無法滿足高速極高精度復雜控制，另外電壓采集卡和工控機的總體成本過高，體積較大，而整體資源利用率相對較低，所以不易實現產業(yè)化發(fā)展。
目前磁軸承開關功放主要有以下四種形式脈寬調制(PWM)型、采樣保持(Sample/Hold)型、滯環(huán)(Hysteresis)型、最小脈寬(Minimum PulseWidth)型。各種工作形式的功放性能各有優(yōu)缺點，脈寬產生、電流檢測形式和控制方式也不一定相同。對于磁懸浮控制系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性好和響應快等特性的具體要求，一般采用的是脈寬調制(PWM)型功率放大器并取得了較好的控制效果。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種基于DSP的智能高速磁懸浮控制及模擬功放裝置，采用的是“DSP+CPLD+D/A”的方案，DSP進行高速信號采集、分析和控制，CPLD和D/A將分析數據通過邏輯適配、驅動和進行模擬信號轉換，最后交給功率放大裝置進行執(zhí)行控制任務，以克服上述的不足。
為了實現上述目的，本發(fā)明的特點是由DSP(數字信號處理器)及外圍電路構成，DSP通過輸入數據線接收電渦流位置傳感器的信號，DSP輸出信號通過D/A(模/數)轉換電路與恒流型開關功率放大裝置相連接，恒流型開關功率放大裝置輸出的控制信號與磁懸浮機械執(zhí)行機構相連接；上述DSP與D/A轉換電路之間還連接有一個CPLD(可編程邏輯器件)，CPLD的輸入端與DSP輸出信號相連，CPLD的輸出端與D/A的數據輸入端相接；上述DSP與CPLD之間采用CAN(控制局域網)總線進行通訊；上述恒流型開關功率放大裝置采用PWM(脈寬調制)型功率放大器，其輸入端還與磁懸浮的磁力線圈上的電流傳感器輸出信號相連接。
本發(fā)明由于采用的是“DSP+CPLD+D/A”的方案，使得本發(fā)明具有脈寬調制PWM(Pulse Width Modulate)PWM產生的方式很多，可以通過模擬器件進行硬件實現也可以通過單片機的專用PWM接口軟件方式產生。由于磁懸浮電源功放數目較多，通過模擬硬件實現的工作穩(wěn)定好但故障率較高而且在硬件調試較為困難；通過單片機軟件實現PWM的工作精度高穩(wěn)定性好但硬件、軟件設計復雜，系統(tǒng)整體利用率不高。所以在設計中，本發(fā)明采用了美國硅通用(Silicon General)公司生產的SG3524/2524 PWM調制器模塊。它屬于由雙極型工藝制成的模擬與數字混合式集成電路，內部包含了雙端輸出開關電源所必須的各種基本電路，適宜構成100-500W中功率推挽輸出式開關電源，并且用高頻變壓器或光電隔離器實現電網隔離，能省掉笨重的工頻變壓器。
CAN控制局域網絡(Control Area Network)CAN原先是由德國Bosch公司為汽車的監(jiān)控和控制方面而設計的，現已逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)部門，且其總線規(guī)范被ISO制定為國際標準。在現場總線中，目前是唯一被批準為國際標準的現場總線。
DSP數字信號專用處理器(Digital Signal Processor)磁懸浮控制系統(tǒng)具有反應快、控制精度高、穩(wěn)定性好等特點。而磁懸浮控制系統(tǒng)可以簡單的說是一個雙環(huán)控制系統(tǒng)，控制外環(huán)是由DSP微處理器對懸浮空間狀態(tài)位置的實時控制。本發(fā)明采用的是美國TI公司的TMS320F2XX系列專用處理器完成各種控制算法。


圖1為本發(fā)明實施例的結構原理框圖。
圖2為本發(fā)明實施例恒流型開關功率放大裝置原理框圖。
圖3為整個磁懸浮裝置的原理框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的描述，但該實施例不應理解為對本發(fā)明的限制。
本發(fā)明的硬件模塊(圖1)主要由9路高速位置電壓轉換模塊，DSP信號采樣及處理模塊，系統(tǒng)保護及穩(wěn)壓模塊，CAN總線通訊模塊，上位機通訊模塊等幾部分組成。本發(fā)明采用的DSP處理芯片為美國Ti公司的TMS320F2812或TMS320C2407專用信號處理模塊。首先，9路電渦流位置傳感器通過9路高速位置電壓轉換模塊將磁懸浮位置大小傳送DSP系統(tǒng)。(將傳感器5v信號轉換為3.3vDSP可采電壓，并對電壓信號進行模擬濾波)。然后DSP信號采集及處理模塊將采集到的電壓信號進行采樣、加權量化、平滑去噪等，按照給定位置電壓進以相應的控制算法處理，最后將10路電源功放的控制參數通過總線方式傳遞給CPLD(ALTERA7128)，CPLD將DSP控制參數經過邏輯轉換、選通和驅動后交給10路12位D/A(AD7545)轉換模塊，從而輸出10路模擬功放控制電壓?？刂葡到y(tǒng)保護及穩(wěn)壓模塊提供系統(tǒng)各功能模塊的穩(wěn)定電壓和抗干擾，以及在系統(tǒng)處于過壓過流或傳感器超量程等異常工作狀態(tài)下，對控制系統(tǒng)提供穩(wěn)壓限流光電隔離保護和報警信號。Can總線將10路數據參數通過總線方式交給上位機(工控機)，進行動態(tài)實時監(jiān)控和顯示，或將數據參數傳給監(jiān)控DSP進行監(jiān)控和顯示處理。
磁懸浮控制系統(tǒng)可以簡單的說是一個雙環(huán)控制系統(tǒng)，控制外環(huán)是由DSP微處理器對懸浮空間狀態(tài)位置的實時控制。該控制方案根據傳感器的位置采樣電壓通過相應的優(yōu)化控制算法，最后經過數模轉換后給出電源功放的實時參考電壓。而控制內環(huán)則是電源功放根據給定的控制電壓信號對磁懸浮線圈進行動態(tài)相應。在動態(tài)相應的過程中在整個控制系統(tǒng)中功率放大器是非常重要的環(huán)節(jié)，功率放大器響應的好壞直接影響到控制算法的實現。在功率放大器工作過程中，為了保證控制精度和控制效果，必須通過線圈回路電流/電壓采樣從而對該開關電源進行恒流/恒壓控制。這就是磁懸浮控制系統(tǒng)執(zhí)行機構的內環(huán)控制。功率放大器的設計要求是在工作效率高的前提下盡可能提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度且具有很好的數字跟隨。
本發(fā)明的功率放大器(圖2)本身就構成了一個小的電流閉環(huán)系統(tǒng)，以保證DA輸出能很精確的控制輸出電流。同時考慮到磁力線圈電流(此閉環(huán)系統(tǒng)的控制對象)由于電感的感性作用而存在很大的滯后輸出，必須想辦法加快其響應速度。這樣在功率放大器的設計時，本發(fā)明采用了脈寬調制的方法。這樣做一方面利用開關特性使電流輸出響應加快，另一方面提高了功率放大器的工作效率，降低了功耗。
本發(fā)明的功率放大器硬件采用美國硅通用(Silicon General)公司生產的SG3524/2524 PWM調制器模塊構成PWM開關恒流源。一般的開關電源只需要對單個MOS功率管進行電流開關控制，但是由于磁懸浮線圈是一個強感性負載，在單極性開關過程中能產生較大電流感抗嚴重影響電流控制效果，所以必須采用開關續(xù)流方式提高控制性能。電流功率放大器的強電輸出部分可以采用H型雙極性全橋式或H型單極性半橋電路，H型全橋式電路具有較好的電流開關和恢復特性但設計較半橋式復雜。全橋式電路由四個MOS管和相應的四個續(xù)流二極管組成。其驅動控制部分采用雙極性脈寬調制法。雙極性脈寬調制電路在輸出電壓平均值較小時，每一個MOS管的門極控制脈沖較寬，能保證晶體管可靠的導通。而普通的單極性工作制在輸出電壓平均值較小時，門極控制脈沖較窄，當窄到一定程度時，就不能保證開關管可靠的導通了，從而影響低電流控制時的效果。由于采取了高頻脈沖調制，因此輸出的電流波形響應速度很快。
目前市場上主要是基于工控機的數字采集卡系統(tǒng)，但是成本較高，性能有限而且普通工控機通過總線方式根本達不到速度要求，國外的該項產品的價格較貴而且與國內產品接口也不十分兼容所以只能采用DSP的嵌入式開發(fā)方案。應用嵌入式開發(fā)方案，具有源代碼小執(zhí)行效率高等優(yōu)點。該方案基于現有的Vxworks和CCStudio(Code Composer Studio，譜碼工作室)嵌入式集成開發(fā)環(huán)境，重點實現對于不同型號信號源的兼容化和可視化工作，它包括全功能調試器(根據傳感器不同的工況選擇不同的采樣頻率和上位通訊接口)，采樣控制算法函數分析庫(根據傳感器不同的工況選擇不同的函數控制算法，例如PID控制、模糊控制、專家控制等)，采樣輸出的動態(tài)可視化窗口，系統(tǒng)外設和控件驅動接口等等。
由于10路DSP控制參數通過總線方式傳送至D/A單元，所以需要對數據進行片選、驅動和邏輯處理，本發(fā)明采用基于MAX-PLUS的CPLD邏輯編程技術完成這一項任務?；贛AX+PLUS邏輯編程具有通用性好，編程靈活、可靠性強等優(yōu)點。
本發(fā)明DSP的軟件程序主要實現以下功能數據采樣及濾波、數據預測及分析、基于CAN總線數據的收發(fā)及處理、基于各種磁懸浮控制算法實現等。數據采樣及濾波模塊采用定時器方式，在500kHz采樣率10路的12位數據點。再將數據進行加權濾波。根據不同的工況要求和性能指標可以采用不同的數據處理算法(插值、預測、擬合)等。最后將控制參數通過總線方式進行輸出。如果是多臺系統(tǒng)并行工作，它們可以將處理好的數據通過CAN總線方式傳送到上位監(jiān)控機。TMS320F2407支持CAN2.0B標準CAN總線接口及協議，具有很好的通用性。基于RS232/USB的上位機通訊負責將數據交給上位監(jiān)控計算機。
本發(fā)明CPLD的軟件程序主要完成以下功能12位數據的輸出驅動、DSP2812外圍邏輯及工作狀態(tài)顯示、多路D/A邏輯片選等等。
本發(fā)明可用于多路控制系統(tǒng)的動態(tài)實時監(jiān)控。例如磁懸浮主軸控制系統(tǒng)，磁懸浮電機控制系統(tǒng)等，另外本發(fā)明還可以用來對一些特殊的結構進行高分辨動態(tài)監(jiān)測，如磁懸浮磁盤的動態(tài)監(jiān)控等等。
本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現有技術。
權利要求
1.一種基于DSP的智能高速磁懸浮控制及模擬功放裝置，其特征在于由DSP(數字信號處理器)及外圍電路構成，DSP通過輸入數據線接收電渦流位置傳感器的信號，DSP輸出信號通過D/A(模/數)轉換電路與恒流型開關功率放大裝置相連接，恒流型開關功率放大裝置輸出的控制信號與磁懸浮機械執(zhí)行機構相連接。
2.如權利要求1所述的基于DSP的智能高速磁懸浮控制及模擬功放裝置，其特征在于DSP與D/A轉換電路之間還連接有一個CPLD(可編程邏輯器件)，CPLD的輸入端與DSP輸出信號相連，CPLD的輸出端與D/A的數據輸入、片選端相接。此外CPLD還負責DSP外部內存和I/O的硬件管理和邏輯適配。
3.如權利要求2所述的基于DSP的智能高速磁懸浮控制及模擬功放裝置，其特征在于DSP與上位機或其他DSP系統(tǒng)之間采用CAN(控制局域網)總線進行通訊。
4.如權利要求1所述的基于DSP的智能高速磁懸浮控制及模擬功放裝置，其特征在于恒流型開關功率放大裝置采用PWM(脈寬調制)型功率放大器，其輸入端還與磁懸浮的磁力線圈上的電流傳感器輸出信號相連接。
5.如權利要求1所述的基于DSP的智能高速磁懸浮控制及模擬功放裝置，其特征在于DSP采用美國Ti公司的TMS320F2812或TMS320C2407專用信號處理模塊。
6.如權利要求1所述的基于DSP的智能高速磁懸浮控制及模擬功放裝置，其特征在于恒流型開關功率放大裝置采用美國硅通用(SiliconGeneral)公司生產的SG3524/2524 PWM調制器模塊構成PWM開關恒流源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于DSP的智能高速磁懸浮控制及模擬功放裝置，由DSP(數字信號處理器)及外圍電路構成，DSP通過輸入數據線接收電渦流位置傳感器的信號，DSP輸出信號通過D/A(模/數)轉換電路與恒流型開關功率放大裝置相連接，恒流型開關功率放大裝置輸出的控制信號與磁懸浮機械執(zhí)行機構相連接，DSP與D/A轉換電路之間還連接有一個CPLD(可編程邏輯器件)，DSP與CPLD之間采用CAN(控制局域網)總線進行通訊。本發(fā)明采用DSP作為主要控制器件，使得本發(fā)明具有反應快、控制精度高、穩(wěn)定性好等特點。本發(fā)明采用PWM(脈寬調制)型功率放大器的高頻變壓器或光電隔離器實現電網隔離，能省掉笨重的工頻變壓器。
文檔編號H02N15/00GK1585259SQ20041001327
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月10日 優(yōu)先權日2004年6月10日
發(fā)明者周祖德, 劉泉, 鐘毅, 胡業(yè)發(fā), 薛立功 申請人:武漢理工大學