CN101510098A - 混合磁路磁悬浮轴承集成控制器 - Google Patents

混合磁路磁悬浮轴承集成控制器 Download PDF

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黄平林
齐洪喜
于晓东
吴小青
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711th Research Institute of CSIC
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Abstract

本发明公开了一种混合磁路磁悬浮轴承集成控制器，包括一自带AD转换器的ARM单片机、位置信号处理电路、功率放大电路，安装在轴承上的位置传感器通过位置信号处理电路与AD转换器连接，单片机输出端的PWM信号输出端口和换向信号输出端口分别与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端与各路电磁线圈连接，位置信号处理电路还与监控/显示电路连接，监控/显示电路与ARM单片机连接，本发明控制芯片的PWM信号输出端口可以减少一半，可有效地解决永磁偏置混合磁路磁悬浮轴承的集成控制问题，集成度高，轻便易携，控制精度好，效率高，运行稳定，成本低，适于推广。

Description

混合磁路磁悬浮轴承集成控制器
技术领域
本发明涉及一种主动磁悬浮轴承的控制装置，特别是一种混合磁路磁悬浮轴承集成控制器。
背景技术
目前，采用主动控制的磁悬浮轴承的控制装备主要针对电磁悬浮轴承，对一个五自由度的磁悬浮轴承系统，控制器至少需要有10路控制信号输出，分别控制轴承径向和轴向的位置，每路控制通过调节输出电流或电压的大小来改变电磁力的大小，达到调节轴承转子位置的目的，这类控制器的输出电压或电流在控制中只改变大小值，不改变方向，控制芯片需要较多的PWM信号输出端口，造成线路麻烦，控制装备的体积比较大，且不适合具有永磁偏置混合磁路的磁悬浮轴承系统的控制。
发明内容
本发明的目的是为克服现有磁悬浮轴承控制器在具有永磁偏置的混合磁路磁悬浮轴承应用上的不足，提供一种混合磁路磁悬浮轴承集成控制器，不仅能对具有永磁偏置的混合磁路磁悬浮轴承系统进行集成控制和驱动，还能够对轴承的工作状态进行实时监控和在线显示。
本发明的目的通过以下技术方案实现的：一种混合磁路磁悬浮轴承集成控制器，包括一自带AD转换器的ARM单片机、位置信号处理电路、功率放大电路，安装在轴承上的位置传感器通过位置信号处理电路与AD转换器连接，单片机输出端的PWM信号输出端口和换向信号输出端口分别与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端与各路电磁线圈连接。
上述的混合磁路磁悬浮轴承集成控制器，所述的功率放大电路由逻辑运算电路、光耦隔离电路、驱动电路和H型功放电路组成，对于每一路放大电路，单片机输出端输出一路PWM信号及一路控制换向的电平信号，PWM信号输出端口和换向信号输出端口与逻辑运算电路输入端连接，逻辑运算电路把这两个信号进行逻辑运算后输出两路PWM信号，每一路PWM信号输出端分别与光耦隔离电路和驱动电路顺序连接，H型功率电路由电源、4个MOS管连接组成，两路驱动电路分别与H型功率电路的开关元件连接，H型功率电路的输出端与一路电磁线圈连接。
上述的混合磁路磁悬浮轴承集成控制器，位置信号处理电路与监控/显示电路连接，监控/显示电路与ARM单片机连接。
由于采用了上述结构，对控制每一自由度的两组线圈通以相同大小的电流，只是不断地改变电流的大小和方向，就可以达到控制转子位置的目的，单片机输出端输出一路PWM信号及一路控制换向的电平信号，控制芯片的PWM信号输出端口可以减少一半，所以本发明可有效地解决永磁偏置混合磁路磁悬浮轴承的集成控制问题，明显的节省了控制器PWM控制信号的使用量，有效的节省控制芯片的系统资源，简化了控制电路，降低其复杂程度，降低整个系统的故障率。
附图说明
图1是永磁偏置混合磁悬浮轴承的结构示意图。
图2是本发明的原理图。
图3是本发明功率放大电路的原理图。
其中图2兼做摘要附图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
如图2所示，一种混合磁路磁悬浮轴承集成控制器，包括一自带AD转换器的ARM单片机、位置信号处理电路、功率放大电路，安装在轴承上的位置传感器12通过位置信号处理电路与AD转换器连接，单片机输出端的PWM信号输出端口和换向信号输出端口分别与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端与各路电磁线圈14连接，所述的功率放大电路由逻辑运算电路、光耦隔离电路、驱动电路和H型功率电路组成，对于每一路放大电路，单片机输出端输出一路PWM信号及一路控制换向的电平信号，PWM信号输出端口和换向信号输出端口与逻辑运算电路输入端连接，逻辑运算电路由一个非门和两个与非门组成，非门芯片采用74HC04，与非门芯片采用74HC00。(非门的输出端和一个与非门一个输入端连接，PWM信号输出端口分别和两个与非门的一个输入端连接，换向信号和与非门的一个输入端连接，同时和非门的输入端连接。)逻辑运算电路把这两个信号进行逻辑运算后输出两路PWM信号，每一路PWM信号输出端分别与光耦隔离电路和驱动电路顺序连接，驱动芯片采用IR2184，H型功放电路由开关电源、4个MOS管连接组成，两路驱动电路分别与H型功放电路的开关元件连接，H型功放电路的输出端与一路电磁线圈14连接，位置信号处理电路还与监控/显示电路连接，监控/显示电路连接与ARM单片机连接。
永磁偏置混合磁悬浮轴承的结构如图1所示。正常工作时图中转子10处于悬浮的中间位置(也称为参考位置)，由于结构的对称性，环形永久磁铁11产生的永磁磁通在转子10上方气隙15处和转子10下方气隙处是相等的。此时若不计重力，则两气隙处对转子10的吸力相等。假设在参考位置上转子受到一个向下的外扰，转子就会偏离其参考位置向下运动，上下气隙处对转子的吸力不再相等，需要通过控制器向电磁线圈14提供电流，产生电磁力，将转子重新拉回中间位置。本发明实现这一功能的过程为：采用ARM单片机作为控制电路的数字控制芯片、芯片自带AD转换器，工作时位置传感器实时检测磁悬浮轴承转子的位置，并把位置信号以电压量的形式送到控制芯片的AD转换器输入端，控制芯片对输入进来的位置信号进行模拟量/数字量的转换，再经过数字控制算法，输出PWM电压信号和换向信号到功率放大电路，功率放大电路对接收的PWM电压信号进行放大，并根据换向信号决定最终输出的驱动电压的方向。对于每一路放大电路，单片机控制芯片输出一路PWM信号及一路控制换向的电平信号，利用逻辑芯片把这两个信号进行逻辑运算后输出两路PWM信号，这两路信号经过光耦电路进行信号隔离，再经过驱动电路增强信号的驱动能力后，分别去控制H型功放电路上下桥臂的开关元件，最终实现输出功率的放大。这些大小和方向均可调的驱动电压输出到混合磁路磁悬浮轴承的各路电磁线圈上，即可调节电磁力的大小，从而把磁悬浮转子控制在所需的位置上。位置传感器同时把磁悬浮转子的位置信号传送给监测和显示电路，实现对磁悬浮轴承工况的在线监测和显示。本发明可有效地解决永磁偏置混合磁路磁悬浮轴承的集成控制问题，控制芯片的PWM信号输出端口可以减少一半，明显的节省了控制器PWM控制信号的使用量，有效的节省控制芯片的系统资源，简化了控制电路，降低其复杂程度，降低整个系统的故障率。

Claims (3)

1、一种混合磁路磁悬浮轴承集成控制器，包括一自带AD转换器的ARM单片机、位置信号处理电路、功率放大电路，其特征在于：安装在轴承上的位置传感器(12)通过位置信号处理电路与AD转换器连接，单片机输出端的PWM信号输出端口和换向信号输出端口分别与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端与各路电磁线圈(14)连接。
2、根据权利要求1所述的混合磁路磁悬浮轴承集成控制器，其特征在于：所述的功率放大电路由逻辑运算电路、光耦隔离电路、驱动电路和H型功率电路组成，对于每一路放大电路，单片机输出端输出一路PWM信号及一路控制换向的电平信号，PWM信号输出端口和换向信号输出端口与逻辑运算电路输入端连接，逻辑运算电路把这两个信号进行逻辑运算后输出两路PWM信号，每一路PWM信号输出端分别与光耦隔离电路和驱动电路顺序连接，H型功率电路由电源、4个MOS管连接组成，两路驱动电路分别与H型功放电路的开关元件连接，H型功放电路的输出端与一路电磁线圈(14)连接。
3、根据权利要求1或2所述的混合磁路磁悬浮轴承集成控制器，其特征在于：位置信号处理电路与监控/显示电路连接，监控/显示电路连接与ARM单片机连接。
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