CN101908850B - 磁悬浮轴承通用控制器 - Google Patents

Abstract

一种磁悬浮轴承通用控制器，包括A/D转换电路(1)、FPGA控制电路(2)、CAN通信接口模块(3)和控制信号输出模块(4)。其中模数转换电路(1)将来自磁轴承的转子位移反馈信号(11)和线圈电流反馈信号(12)转换成数字信号；FPGA控制电路(2)由FPGA芯片(U3)及与其匹配的PlatformFlash配置存储器构成，实现悬浮控制算法、广义陷波算法、三电平脉冲宽度调制算法以及CAN通信控制逻辑算法四个功能；通信接口(3)按CAN通信协议接收和发送经FPGA控制电路(2)处理后的CAN信号；控制输出模块(4)将FPGA控制电路(2)的处理后信号以多路PWM信号(41)和模拟控制电压信号(42)两种形式输出。本发明具有模块化、集成度高且通用性好的特点。

Description

磁悬浮轴承通用控制器

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轴承的数字控制器。

背景技术

磁悬浮轴承利用电磁力将转子悬浮，具有无摩擦，长寿命，高转速，高精度等特点，是研制开发高精尖数控加工装备的基础部件。控制器是在磁悬浮轴承的实验和调试阶段用来对磁悬浮轴承的悬浮、位移和旋转等特性进行控制的装置。对控制器的设计是电磁轴承设计阶段的核心工作，只有选择合理的控制律与控制器参数，才能实现对磁悬浮轴承的高性能的悬浮与高精度的控制。在磁悬浮轴承的研发阶段，当针对不同规格的磁轴承进行实验和调试时，往往会需要用到控制律和控制参数差异较大的控制器，因此，如果能构建一个模块化的通用控制平台并在该平台上调试控制器的控制律和控制参数，将会使磁轴承的研制周期大大缩短。

从现有技术来看，磁悬浮轴承的数字控制器一般由A/D、处理器和D/A三个部分组成，通常与模拟功放配套使用，而模拟功放的输入一般为模拟电压信号，这就需要一个D/A环节将数字控制器产生的数字信号再还原成模拟信号送到功放，这种结构增加了电路中间环节，降低了系统抗干扰能力。此外不同规格的磁轴承功放输入信号范围不同，A/D、处理器和D/A架构的磁悬浮轴承数字控制器难以实现模块化设计。

综上所述，模块化的磁轴承控制器应当可以直接输出PWM信号以驱动功放级的全桥换能电路，同时，作为通用控制平台，模块化的磁轴承控制器也应该保留D/A环节，从而兼容模拟功放的配置，使得该模块化的磁轴承控制器能够广泛适用于磁轴承研制周期中的各种实验和调试条件。在一些分布式应用的场合，磁轴承控制器的输入信号还能以数字形式在总线上传递，因此模块化的磁轴承控制器还应该具备总线接口功能。以上这些对控制器的核心处理器提出了很高的要求：既要具备高精度运算能力，又要能方便的实现PWM时序逻辑和商业总线接口协议。

目前，从国内的研究情况看，当涉及到陷波等比较复杂的控制算法时，磁悬浮轴承的数字控制器往往采用DSP芯片作为控制器的运算处理器，而商业现货DSP芯片的PWM端口资源有限，当轴承控制自由度较多时，基于DSP芯片的磁轴承控制器就难以满足集成控制的要求。

发明内容

本发明的目的是为了满足磁悬浮轴承的研发阶段的实验和调试对具有不同控制律和控制参数的控制器的需求，提供一种以FPGA芯片为核心处理器的通用磁悬浮轴承控制平台，以模块化的设计使得控制器的控制律和控制参数更易于调试，并能够广泛适用于不同的实验和调试条件，从而缩短磁悬浮轴承系统的研制周期。

本发明的进一步目的是通过在该FPGA芯片上集成悬浮PID控制算法模块、广义陷波算法模块、三电平脉冲宽度调制算法模块和CAN通信控制逻辑算法模块，以获得更高的电路集成度。

为实现上述发明目的，一种磁悬浮轴承通用控制器，该通用控制器以FPGA芯片作为核心处理器，该通用控制器包括：

A/D转换电路，将来自磁轴承的转子位移反馈信号和线圈电流反馈信号转换成数字信号，所述数字信号包括转子位移反馈信号的数字信号和线圈电流反馈信号的数字信号；

FPGA控制电路，即由FPGA芯片组成的核心处理器，该FPGA控制电路包括悬浮PID控制算法模块、广义陷波算法模块和三电平脉冲宽度调制算法模块，该FPGA控制电路接收所述数字信号，所述数字信号经该悬浮PID控制算法模块、该广义陷波算法模块和该三电平脉冲宽度调制算法模块进行相应的运算处理后输出处理后信号；以及

控制信号输出模块，将该FPGA控制电路输出的所述处理后信号以多路PWM信号和/或模拟控制电压信号输出。

本发明的积极效果是：

设计了磁悬浮轴承的研发阶段为实验调试而应用的模块化通用控制平台，使得控制器的控制律和控制参数更易于调试，从而有效缩短磁轴承研制周期；在一片FPGA芯片里集成了悬浮控制算法、广义陷波算法、三电平脉冲宽度调制算法以及CAN通信控制逻辑，电路集成度高；模块化的磁轴承控制器能直接输出PWM信号驱动功放级的全桥换能电路，同时具有D/A环节，兼容模拟功放；控制器既可以通过A/D转换芯片采集模拟信号得到控制器所需的输入信息，也可以通过CAN总线获得输入信息(即在FPGA中有实现CAN通信协议的CAN通信接口模块)；控制器的处理结果以多路PWM信号和模拟控制电压信号两种形式输出，还可以将控制算法处理的结果通过CAN总线以CAN数据帧的形式进行远程发送，以控制其他节点处的磁悬浮轴承，因此具有更为灵活的控制方式，并能够广泛适用于不同的实验和调试条件。

附图说明

图1是本发明的磁悬浮轴承通用控制器的原理框图。

图2是图1所示的磁悬浮轴承通用控制器的模数转换电路的电路图。

图3是图1所示的磁悬浮轴承通用控制器的FPGA控制电路的电路图。

图4是图1所示的磁悬浮轴承通用控制器的CAN通信接口模块的电路图。

图5是图1所示的磁悬浮轴承通用控制器的控制信号输出模块的电路图。

对附图标记说明如下：

1-模数转换电路

11-转子位移信号

12-电磁线圈电流信号

2-FPGA控制电路

21-悬浮PID控制算法模块

22-广义陷波算法模块

23-三电平脉冲宽度调制算法模块

231-电流反馈增益子模块

232-电流PD校正子模块

233-三电平脉冲宽度调制算法子模块

24-CAN通信控制逻辑模块

3-CAN通信接口模块

4-控制信号输出模块

41-经过缓冲后的多路PWM开关信号

42-D/A环节输出的模拟控制电压信号

43-D/A转换模块

44-I/O模块

具体实施方式

以控制四自由度磁悬浮轴承的通用控制器作为本发明的实施例。

本发明提供一种以FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片为核心处理器的磁悬浮轴承通用控制器。

现场可编程门阵列(FPGA：Field Programmable Gate Array)是一种高密度的可编程逻辑器件，它由三种可编程单元和一个用于存放编程数据的静态存储器组成。这三种可编程单元是输入输出模块(I/O Block)、可编程逻辑模块(Configurable Logic Block)和互连资源(Interconnect Resource)，它们的工作状态全部由编程数据存储器中的数据设定。目前商业FPGA的资源规模可以达到数百万等效逻辑门，输入输出端口的数量也都在数百量级，可以输出足够多路的PWM脉冲驱动多自由度磁悬浮轴承。

此外FPGA芯片极具特色的以面积换速度的设计理念使其非常适合实现并行特征明显的系统功能，而磁悬浮轴承各个自由度的控制功能正是独立并行的。FPGA芯片设计中还有大量可供设计复用的IP核可以使设计效率大大提高。综上所述，FPGA芯片是磁悬浮轴承通用数字控制器的理想实现平台。

本发明的磁悬浮轴承通用控制器以FPGA芯片作为核心处理器，其总体原理框图如图1所示，它包括A/D转换电路1、FPGA控制电路2、CAN通信接口模块3、控制信号输出模块4个部分。

其中模数转换电路1将来自磁轴承的转子位移反馈信号11和线圈电流反馈信号12转换成数字信号。

FPGA控制电路2由FPGA芯片(即芯片U3)组成(即FPGA芯片核心处理器)，该FPGA控制电路2具有悬浮PID控制算法模块21、广义陷波算法模块22和三电平脉冲宽度调制算法模块23以及CAN通信控制逻辑模块24四部分。其中，三电平脉冲宽度调制算法模块23包括电流反馈增益子模块231、电流PD校正子模块232及三电平脉冲宽度调制算法子模块233这三个子模块。该FPGA控制电路2接收所述数字信号，所述数字信号经该悬浮PID控制算法模块21、广义陷波算法模块22和三电平脉冲宽度调制算法模块23进行相应的运算处理后输出处理后信号。

其中，该悬浮PID控制算法模块21对转子位移反馈信号11的数字信号进行悬浮控制算法运算，以获得第一运算后信号；广义陷波算法模块22对转子位移反馈信号11的数字信号进行广义陷波算法运算，以获得第二运算后信号；以及对所述第一运算后信号和所述第二运算后信号进行相同极性的反馈，以获得加和信号。

其中，所述三电平脉冲宽度调制算法模块23对线圈电流反馈信号12的数字信号及所述加和信号进行三电平脉冲宽度调制算法运算。具体而言，由电流反馈增益子模块231接收所述线圈电流反馈信号12的数字信号并对其进行增益放大，以获得放大后信号；电流PD校正子模块232对所述放大后信号和所述加和信号进行相反极性的反馈以获得反馈信号，再对所述反馈信号进行电流PD校正，以获得校正后信号；以及三电平脉冲宽度调制算法子模块233对所述校正后信号进行三电平脉冲宽度调制算法运算，以获得调制后信号，并将调制后信号输出至该控制信号输出模块4。

控制输出模块4将该FPGA控制电路2输出的所述处理后信号以16路PWM信号41和/或4路模拟控制电压信号42两种形式输出。具体而言，该控制输出模块4包括D/A转换模块43和I/O模块44，该D/A转换模块43接收所述加和信号并将其转换为模拟控制电压信号42，而该I/O模块44接收所述调制后信号，并将其输出为多路PWM信号41。

CAN通信控制逻辑算法模块24接收所述数字信号并对其进行CAN通信控制逻辑算法，以输出CAN信号，所述CAN信号包括转子位移反馈信号11的CAN信号和线圈电流反馈信号12的CAN信号。

CAN通信接口模块3按CAN通信协议接收来自总线其他节点的线圈电流反馈数字信号和转子位移反馈数字信号，或将CAN通信控制逻辑算法模块24采集到并处理过的线圈电流反馈信号12的CAN信号和转子位移反馈信号11的CAN信号处理为CAN接口信号并发送给总线上的其他节点，所述CAN接口信号包括转子位移反馈信号11的CAN接口信号和线圈电流反馈信号12的CAN接口信号。

本发明的磁悬浮轴承通用控制器的模数(A/D)转换电路1的电路如图2所示。涉及磁悬浮轴承每个自由度的信号均有两路，即转子位移反馈信号和电磁线圈电流反馈信号。四个自由度就共有8路模拟信号需要采样，故采用两片四通道并行A/D芯片AD7863(即芯片U1、U2)作为A/D转换电路1，芯片U1和U2的模数转换结果均以14位精度的信号并行输出，每个AD7863还需要4位控制信号输出，故作为FPGA控制电路2的FPGA芯片(即芯片U3，如图3所示)需定义14×2共28位输入端口以接收模数转换结果，同时定义用于输出所述处理后信号的27位输出端口，在所述的27位输出端口中：8位输出端口用于输出两个AD7863芯片(即芯片U1、U2)需要的控制信号(分别连接至芯片U1、U2的“A0”、“CONVST*”、“CS”和“RD”针脚)；3位输出端口用于输出所述D/A转换模块43需要的控制信号；16位输出端口用于输出所述I/O模块44需要的16路PWM信号。

本发明的磁悬浮轴承通用控制器的CAN通信接口模块3的电路如图4所示。采用一片八通道缓冲门芯片LVCC3245(即芯片U32)将FPGA芯片输出的3.3V电平信号转换为5V电平信号，用来驱动CAN总线控制器SJA1000(即芯片U34)，通过读写该芯片中的寄存器来与总线上的其他节点通信。

本发明的磁悬浮轴承通用控制器的控制信号输出模块4的电路如图5所示，其包括D/A转换模块43和I/O模块44两部分。采用一片D/A转换芯片AD5644(即芯片U4)作为D/A转换模块43并输出模拟控制电压信号，FPGA通过芯片U4的“DIN”、“SCLK”和“SYNC*”针脚将模数转换所需要的信息输入芯片U4，芯片U4的“VOUTA～D”四个针脚输出模拟控制电压信号，FPGA输出的16路PWM信号经两片八通道缓冲门芯片HC244SJ(即芯片U5、U6)缓冲后接到20针排针芯片(即芯片U7)上，作为PWM控制信号输出，其中这两片八通道缓冲门芯片HC244SJ(即芯片U5、U6)和20针排针(即芯片U7)构成I/O模块44。FPGA产生的IO1～IO16十六路信号作为芯片U5的输入，与其输出PWM1～PWM16一一对应，排针U7的1～8脚和11～18脚接PWM1～PWM16，9、10两脚接地，19、20脚接VCC电源。

本实例的磁悬浮轴承的自由度可以根据需要增加或者减少。

为理解本发明的原理，现说明FPGA芯片的运算处理过程。

整个运算处理分为悬浮控制算法、广义陷波算法和三电平脉冲宽度调制算法三部分，悬浮控制算法、广义陷波算法的输出求和后的结果是线圈电流控制模块23中的电流PD校正子模块232的一个输入。

设轴承上某个自由度的位移反馈信号值记为x，悬浮PID控制算法的输出记为y_pid。广义陷波部分的输出记为y_nc，悬浮控制部分的输出记为i_c，其物理意义为使电磁线圈中的电流为此值时轴承转子可以在电磁力作用下稳定悬浮。

悬浮PID控制算法的步骤如下：

比例项＝K_p·x，其中K_p为比例系数。

积分项＝积分项当前值+K_i·x，其中K_i为积分系数。

微分项＝K_d·(x-x_p)，其中x_p为前一时刻的位移误差，K_d为微分系数，。

悬浮PID控制算法的输出：y_pid＝比例项+积分项+微分项

广义陷波算法的步骤如下：

1)将转子同一平面两个正交方向在直角坐标系中的位移量(x_s，y_s)通过公式(1)变换到旋转坐标系中，记为：(x_r，y_r)。

$\left\{\begin{array}{c}{x}_r=x_s\cos \mathrm{\Ωt}+y_s\sin \mathrm{\Ωt}\\ y_r=-x_s\sin \mathrm{\Ωt}+y_s\cos \mathrm{\Ωt}\end{array}\right.---\left(1\right)$

2)对(x_r，y_r)以较低的通频带进行低通滤波得到(x′_r，y′_r)。

滤波环节的传递函数G_nf(s)求取为公式(2)。

3)将(x′_r，y′_r)反变换回直角坐标系得到这两个通道的同频补偿分量(x_nc，y_nc)，反变换表达式为(3)式。

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{nc}}=x_r^{\′}\cos \mathrm{\Ωt}-y_r^{\′}\sin \mathrm{\Ωt}\\ y_{\mathrm{nc}}=x_r^{\′}\sin \mathrm{\Ωt}+y_r^{\′}\cos \mathrm{\Ωt}\end{array}\right.---\left(3\right)$

对上述悬浮PID控制算法的结果和广义陷波算法的结果进行加和运算，得到悬浮控制算法的输出(即加和信号)：i_c＝y_pid+y_nc

悬浮控制算法部分的计算结果i_c经D/A环节输出后可以直接驱动模拟功放。对于不具备信号处理能力的仅包含全桥换能电路结构的功放级，i_c需要经三电平脉冲宽度调制算法模块23处理后才能驱动功放。

三电平脉冲宽度调制算法包括电流反馈增益算法、电流PD校正算法和三电平脉冲宽度调制算法。

首先，在电流反馈增益算法之后，电流误差信号(即悬浮控制算法部分的计算结果与放大后的电流反馈信号之差)为：，其中为电流误差信号，α_i为电流反馈增益系数，i是线圈电流反馈信号，i_c是悬浮控制算法部分的计算结果。

其次，电流PD校正算法步骤包括：

，其中k_p为比例系数。

，其中为前一时刻的电流误差，k_d为微分系数。

则电流PD校正算法的输出信号(即校正后信号)：f_pd＝比例项+微分项

所输出的PWM信号还需要经三电平脉冲宽度调制子算法来进行运算，以继续计算占空比：

占空比其中[f_pd]_max代表PD算法输出的最大值。

占空比计算出来后，按三电平PWM的原理输出多路开关信号(即调制后信号)。

在本领域中，上述计算的各系数的取值范围因为不同的控制对象而差异很大，这部分请参考专利公开号CN1599239的文献。

Claims (12)

1.一种磁悬浮轴承通用控制器，该控制器包括： 

A／D转换电路(1)，将来自磁悬浮轴承的转子位移反馈信号(11)和线圈电流反馈信号(12)转换成数字信号，所述数字信号包括转子位移反馈信号(11)的数字信号和线圈电流反馈信号(12)的数字信号； 

FPGA控制电路(2)，即由FPGA芯片(U3)组成的核心处理器，该FPGA控制电路(2)接收所述数字信号，并对所述数字信号依次进行悬浮PID控制算法、广义陷波算法和三电平脉冲宽度调制算法的运算处理，以获得和输出处理后信号；以及 

控制信号输出模块(4)，将该FPGA控制电路(2)输出的所述处理后信号以PWM信号(41)和／或模拟控制电压信号(42)输出；其中 

该FPGA控制电路(2)包括广义陷波算法模块(22)，对转子位移反馈信号(11)的数字信号进行广义陷波算法运算，以获得第二运算后信号， 

该广义陷波算法包括： 

1)将转子同一平面两个正交方向在直角坐标系中的位移量(x_s，y_s)变换到旋转坐标系中，记为：(x_r，y_r)； 

2)对(x_r，y_r)以较低的通频带进行低通滤波得到(x′_r，y′_r)， 

其中，滤波环节的传递函数G_nf(s)的求取公式为 

以及 

3)将(x′_r，y′_r)反变换回直角坐标系得到这两个通道的同频补偿分量(x_nc，y_nc)。 

2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承通用控制器，其中该FPGA控制电路(2)还包括CAN通信控制逻辑算法模块(24)，其接收所述数字信号并对其进行CAN通信控制逻辑算法运算，以输出CAN信号，所述CAN信号包括转子位移反馈信号(11)的CAN信号和线圈电流反馈信号(12)的CAN信号；以及 

该控制器还包括CAN通信接口模块(3)，按照CAN通信协议接收所述CAN信号，并发送经该CAN通信接口模块(3)处理后的CAN接口信号。 

3.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承通用控制器，其中该FPGA控制电 路(2)还包括： 

悬浮PID控制算法模块(21)，对转子位移反馈信号(11)的数字信号进行悬浮控制算法运算，以获得第一运算后信号； 

其中对所述第一运算后信号和所述第二运算后信号进行加和运算，以获得加和信号；以及 

三电平脉冲宽度调制算法模块(23)，对线圈电流反馈信号(12)的数字信号及所述加和信号进行三电平脉冲宽度调制算法运算，以获得并输出调制后信号。 

4.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承通用控制器，其中所述三电平脉冲宽度调制算法模块(23)包括： 

电流反馈增益子模块(231)，接收所述线圈电流反馈信号(12)的数字信号并对其进行增益放大，以获得放大后信号； 

电流PD校正子模块(232)，对所述放大后信号和所述加和信号进行相反极性的反馈以获得反馈信号，再对所述反馈信号进行电流PD校正，以获得校正后信号；以及 

三电平脉冲宽度调制算法子模块(233)，对所述校正后信号进行三电平脉冲宽度调制算法运算，以获得所述调制后信号，并将所述调制后信号输出至该控制信号输出模块(4)。 

5.根据权利要求4所述的磁悬浮轴承通用控制器，其中该FPGA控制电路(2)输出的所述处理后信号包括所述加和信号和所述调制后信号，其中所述调制后信号为16路PWM信号。 

6.根据权利要求5所述的磁悬浮轴承通用控制器，其中所述控制信号输出模块(4)包括： 

D／A转换模块(43)，接收所述加和信号并将其转换为所述模拟控制电压信号(42)；以及 

I／O模块(44)，接收所述调制后信号，并将其输出为多路PWM信号(41)。 

7.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承通用控制器，其中所述CAN通信接口模块(3)与CAN总线连接，以按照CAN通信协议输送所述CAN接口信号。 

8.根据权利要求6所述的磁悬浮轴承通用控制器，其中所述 A／D转换电路(1)由两片四通道并行AD7863芯片(U1、U2)实现，其接收转子位移反馈信号(11)和线圈电流反馈信号(12)共8路模拟信号，且并行输出14位精度的转子位移反馈信号(11)的数字信号和14位精度的线圈电流反馈信号(12)的数字信号，且每个AD7863芯片还需要4位控制信号，所述4位控制信号由该FPGA芯片(U3)输出。 

9.根据权利要求8所述的磁悬浮轴承通用控制器，其中所述FPGA芯片(U3)具有用于接收转子位移反馈信号(11)的数字信号、线圈电流反馈信号(12)的数字信号和该A／D转换电路(1)的控制信号的28位输入端口，以及具有用于输出所述处理后信号的27位输出端口，在所述的27位输出端口中：8位输出端口用于输出两个AD7863芯片(U1、U2)需要的控制信号；3位输出端口用于输出所述D／A转换模块(43)需要的控制信号；16位输出端口用于输出所述I／O模块(44)需要的16路PWM信号。 

10.根据权利要求6所述的磁悬浮轴承通用控制器，其中所述D／A转换模块(43)由一片D／A转换AD5644芯片(U4)实现。 

11.根据权利要求6所述的磁悬浮轴承通用控制器，其中所述I／O模块(44)由两片八通道缓冲门HC244SJ芯片(U5、U6)和20针排针芯片(U7)实现，该FPGA芯片(U3)输出的16路PWM信号经所述两片八通道缓冲门HC244SJ芯片(U5、U6)缓冲后接到该20针排针芯片(U7)上，作为经缓冲后的多路PWM信号(41)输出。 

12.根据权利要求7所述的磁悬浮轴承通用控制器，其中所述CAN通信接口模块(3)由八通道缓冲门LVCC3245芯片(U32)和CAN总线控制器SJA1000芯片(U34)实现，其中该LVCC3245芯片(U32)将该FPGA芯片(U3)输出的3.3V电平信号转换为5V电平信号，以驱动该CAN总线控制器SJA1000芯片(U34)，通过读写该SJA1000芯片(U34)中的寄存器来与所述CAN总线上的其他节点进行通信。