CN102843087B - 一种在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，由调压电路和调流电路两部分组成。调压电路由比较电路、MOSFET驱动电路、MOSFET及滤波电路组成。调压电路基于以上模块可将控制器输出的电压信号转变成与其波形相似的功率信号。调流电路由H桥电路及两个半桥驱动电路组成。通过控制H桥电路对桥的开通和关断，可将调压电路输出的功率信号的电流方向交错改变，满足动平衡头驱动线圈工作的需要。通过调压电路和调流电路相配合，可输出可满足在线主动平衡头励磁线圈要求的驱动电压。采用本发明设计的驱动电路，可驱动平衡头励磁线圈，使配重盘相对于主轴转动，进而校正高速主轴的不平衡，从而降低机器的振动水平，提高机器的运行质量、效率和寿命。

Description

一种在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置

技术领域

本发明属于旋转机械动平衡技术领域，涉及一种在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置。

背景技术

不平衡是造成各类旋转机械运行时发生振动进而导致破坏或寿命下降的主要原因。在线动平衡技术是在不停机且无人干预的情况下，通过在转子上安装一个自动平衡头，由自动平衡头提供一个附加的、可调节的不平衡量，以实现对轴系质量的重新分配，完成动平衡。

磁平衡头是近几十年发展起来的新型非接触动平衡装置，其中包括采用“电磁+永磁”的混合励磁方式使用永磁体与环形线圈组成磁路，实现配重盘的转动和自锁。“电磁+永磁”混合励磁的磁平衡头由驱动器（又称定子）和作动器（又称转子）两部分组成。驱动器固定于旋转机械的静止壳体上，由铁芯和励磁线圈组成。作动器安装在旋转主轴上随主轴一起转动，由磁性盘、配重盘、轴承、隔磁环、基体、端盖等核心零件组成。

作动器装配时以基体为中心，两边结构对称。配重盘呈圆盘形，通常在其半圆周上开若干个均布圆孔形成不平衡质量，此外，还应在配重盘整圆周上开数十个均布圆孔，并在孔内安装永磁体，且使相邻两个永磁体的极性相反。整个配重盘通过滚动轴承支承在基体上，基体和需要平衡的转轴过盈连接在一体；磁性盘设计在配重盘的两侧，为内齿结构，齿数等于永磁体数的一半，齿厚等于相邻两个永磁体的间距，磁性盘凸齿端面与永磁体端面之间留较小的工作间隙，磁性盘的作用主要是将驱动线圈的磁力线引入到作动器中并和永磁体磁路之间形成相互作用，产生驱动力；隔磁环设计在配重盘的外侧，为圆环形结构，主要作用是防止驱动线圈的磁力线从永磁体径向穿入，隔磁环与配重盘外圆柱面之间留一定量的间隙，防止二者碰摩。

磁平衡头采用“永磁实现自锁，电磁克服永磁使配重盘配重重新分配”模式工作。磁平衡头驱动器励磁线圈没有电流时，配重盘上的永磁体和磁性盘的凸齿处于“磁阻最小”位置，由于静磁力的存在，配重盘与磁性盘不会产生相对运动。由于配重盘安装在轴承上，而磁性盘与主轴一起旋转，故磁性盘与永磁体之间的静磁力会带动配重盘转动，实现自锁状态。当主轴存在不平衡而需要配重盘配重改变以进行补偿时，需给驱动器中的励磁线圈通入一定的电流，以产生一定强度的电磁力克服静磁力而使配重盘发生相对旋转。在驱动的起始时刻，由于配重盘和永磁铁之间处于“磁阻最小”状态，两者之间的静磁力最大，这时励磁线圈需产生较大的电磁力，才能克服静磁力使配重盘转动；当配重盘偏离自锁状态时，由于配重盘和永磁铁之间偏离“磁阻最小”状态，静磁力减小，这时励磁线圈需产生的电磁力也应减小，所以，加载在线圈两端的电压应为一个斜率为负的下降直线，如图1(a)的Ⅰ段波形。当配重盘运动到两个自锁状态的中间位置附近时，电磁力应维持一个较小、较为稳定的恒定值，以使配重盘向下一自锁位置运动，但这个电磁力不能一直维持到下一自锁状态，否则，惯性力的存在会使配重盘在下一平衡位置发生振荡。所以，这个位置附近加载在线圈两端的电压应为一个较小的恒定值，如图1(a)的Ⅱ段波形。当配重盘在电磁力控制下运动到距下一自锁状态还有一定时刻前，应关断电磁力，使动平衡头在永磁体磁力的控制之下运动到自锁状态，否则会引起配重盘在自锁状态的过冲振荡。所以在这个位置附近，加载在励磁线圈两端的电压应为0，如图1(a)的Ⅲ段波形。通过以上三步，动平衡头中的配重盘走了一个步距，即一个磁性盘齿厚对应的角度。如果配重盘还要继续运动，线圈两端的电压应继续重复以上Ⅰ～Ⅲ的波形，但是，由于配重盘中的永磁铁的极性是交错的，移动一个步距以后，与磁性盘的凸齿相对的永磁铁的极性发生了改变，要使配重盘继续运动，激励线圈产生的电磁场方向须与上次相反，即励磁线圈中的电流方向需要反相，故下一个步距线圈两端的电压波形应如如图1(a)Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ所示。综上所述，当驱动器励磁线圈两端的电压按图1(a)的Ⅰ～Ⅶ的步序，配重盘将会向一个方向转动了两个步距。如果配重盘要向相反方向转动，和以上分析相似，驱动器励磁线圈两端的电压按图1(b)的Ⅰ～Ⅶ的步序，配重盘才会向相反方向转动两个步距。

此外，在设计磁平衡头时，作动器中的永磁体通常选用高矫顽力的稀土永磁材料制成，并且永磁体和磁性盘之接的间距非常小，以在自锁时形成非常强的自锁力。然而，当需驱动励磁线圈产生电磁场克服静磁力时，除了励磁线圈两端的电压波形按上述变化外，线圈中的电流应足够大，才能克服掉自锁了。所以励磁线圈的驱动信号应是大电流型的功率信号。根据检索专利和论文知，国内尚未有公开的针对动平衡励磁线圈的驱动电路。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，该驱动装置能够满足“电磁+永磁”混合励磁的励磁线圈的电流、电压变化要求，满足对动平衡头励磁线圈的驱动。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，包括直流电源、调压电路模块和调流电路模块；调压电路模块和调流电路模块分别接收动平衡控制所需要的电压控制信号和电流控制信号；调压电路模块和调流电路模块相结合，输出电压按“下降→恒值→停止”变化、电流按“正向→停止→反方→停止”特征的功率信号，驱动励磁线圈产生所需要的电磁场。

调压电路模块和直流电源相串联，调压电路模块和调流电路模块相并联，调流电路模块与励磁线圈的相串联。

所述的调压电路模块包括比较电路、MOSFET驱动电路、MOSFET和滤波电路，MOSFET和滤波电路之间设有接地点；

比较电路的输入端接收三角波信号和动平衡控制电路发出的电压控制信号，比较电路对输入的三角波信号和控制信号比较，根据比较结果产生开关电平信号；

MOSFET驱动电路接收比较电路发出的开关电平信号，产生控制MOSFET的开通、关断的驱动信号；

与直流电源串联的MOSFET接收驱动信号后，对直流电源进行斩波，输出脉动电压信号；

滤波电路接收脉动电压信号，滤除脉动成分，输出电压幅值按电压控制信号要求变化的功率信号。

所述的三角波信号的幅值、频率为定值，其值根据磁平衡头所需功率来确定。

所述的根据比较结果产生开关电平信号为：当控制信号幅值大于三角波信号幅值时，输出为高电平信号，否则，输出低电平信号；

MOSFET驱动电路接收高电平信号发出控制MOSFET开通的驱动信号，接收低电平信号发出控制MOSFET关断的驱动信号。

所述的调流电路模块包括分别与动平衡控制电路相连接的左半桥MOSFET驱动电路和右半桥MOSFET驱动电路，左半桥MOSFET驱动电路驱动第一MOSFET和第四MOSFET，右半桥MOSFET驱动电路驱动第二MOSFET和第三MOSFET；

相串联的第一MOSFET和第四MOSFET组成左半桥电路，相串联的第二MOSFET和第三MOSFET相串联组成右半桥电路；第一MOSFET和第二MOSFET相连接，第四MOSFET和第三MOSFET相连接；

励磁线圈串接于左半桥电路和右半桥电路的中间节点，形成一个H桥驱动电路，其中，第一MOSFET和第三MOSFET形成第一组对桥，第二MOSFET和第四MOSFET形成第二组对桥；

动平衡控制电路发出电流控制信号，通过左半桥MOSFET驱动电路和右半桥MOSFET驱动电路，控制H桥驱动电路中第一组对桥、第二组对桥的开通和关断，由此对流过励磁线圈的电流方向、持续时间进行控制。

所述的滤波电路的输出端连接在第一MOSFET和第二MOSFET之间，第四MOSFET和第三MOSFET之间设有接地点。

所述的动平衡控制电路分别向左半桥MOSFET驱动电路和右半桥MOSFET驱动电路发出互补的控制信号，发出高电平信号驱使左半桥MOSFET驱动电路控制第一MOSFET开通、第四MOSFET关断，发出低电平信号驱使右半桥MOSFET驱动电路控制第三MOSFET开通、第二MOSFET关断；

或者发出低电平信号驱使左半桥MOSFET驱动电路控制第一MOSFET关断、第四MOSFET开通，发出高电平信号驱使右半桥MOSFET驱动电路控制第三MOSFET关断、第二MOSFET开通。

所述的H桥驱动电路中第一组对桥、第二组对桥的开通和关断为：

第一组对桥开启、第二组对桥关闭时，有正向电流流过励磁线圈；当第二组对桥开启、第一组对桥关闭时，有反向电流流过励磁线圈。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，可对“电磁+永磁”式的混合磁力在线主动平衡头进行驱动，通过调压电路和调流电路相结合，输出电压按“下降→恒值→停止”变化、电流按“正向→停止→反方→停止”特征的功率信号，使驱动线圈获得满足性能要求的驱动信号，驱动励磁线圈产生所需的电磁场，使平衡头的配重盘发生偏转，进而对旋转机械的质量分布不均问题进行有效的补偿，降低旋转机械的振动水平，使机器的运行质量、效率和寿命得到提高。

本发明提供的在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，调压电路由比较电路、MOSFET驱动电路、MOSFET及滤波电路组成。调压电路基于以上模块可将控制器输出的电压信号转变成与其波形相似的功率信号。调流电路由H桥电路及两个半桥驱动电路组成。通过控制H桥电路对桥的开通和关断，可将调压电路输出的功率信号的电流方向交错改变，满足动平衡头驱动线圈工作的需要。通过调压电路和调流电路相配合，可输出可满足在线主动平衡头励磁线圈要求的驱动电压。

附图说明

图1为磁力动平衡励磁线圈电压波形；其中图1（a）和图1（b）分别为配重盘转动方向相反的两种电压波形；

图2为本发明的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，用于旋转机械的“电磁-永磁”混合型在线主动平衡头励磁线圈的驱动，主要由调压电路和调流电路两部分组成。下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供的在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，是针对“电磁+永磁”式的混合磁力在线主动平衡头进行驱动，由于驱动波形需要符合图1（a）或图1（b）所示的波形变化，及不同情况的平衡，所以驱动电路在实际使用时，必须由控制电路发出相应的控制信号。因此，本驱动装置针对匹配在线磁平衡头所需要信号转换为符合励磁线圈要求的功率信号提出解决方案，是在发出匹配在线磁平衡头所需要信号的动平衡控制电路下的解决方案，不限定动平衡控制电路的实现方式，仅指定动平衡控制电路发出两路信号：输入到比较器电路中的电压控制信号（比如模拟信号）以及用于控制电流方向的电流控制信号（比如数字信号）。这些信号的大小及持续时间可以根据传感器测量获得的不平衡量、当前的转速，并参照平衡头的具体参数计算获得。所以本驱动装置最好与测控系统（包括传感器、信号调理板卡）、控制系统及平衡头配合使用。

为了满足对“电磁+永磁”式的混合磁力在线主动平衡头进行驱动，所采用的在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，包括直流电源、调压电路模块和调流电路模块；调压电路模块和调流电路模块分别接收动平衡控制所需要的电压控制信号和电流控制信号；调压电路模块和调流电路模块相结合，输出电压按“下降→恒值→停止”变化、电流按“正向→停止→反方→停止”特征的功率信号，驱动励磁线圈产生所需要的电磁场；其中，调压电路模块和直流电源相串联，调压电路模块和调流电路模块相并联，调流电路模块与励磁线圈的相串联。

如图1所示，在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置的的一种实现方式为：

调压电路包括依次连接的比较电路、MOSFET驱动电路、MOSFET及滤波电路，MOSFET和滤波电路之间设有接地点；

比较电路的输入端接收三角波信号和动平衡控制电路发出的电压控制信号，比较电路对输入的三角波信号和控制信号比较，根据比较结果产生开关电平信号；

MOSFET驱动电路接收比较电路发出的开关电平信号，产生控制MOSFET的开通、关断的驱动信号；

与直流电源串联的MOSFET接收驱动信号后，对直流电源进行斩波，输出脉动电压信号；

滤波电路接收脉动电压信号，滤除脉动成分，输出电压幅值按电压控制信号要求变化的功率信号。

具体的，比较电路的输入端接收三角波信号和动平衡控制电路发出的电压控制信号，比较电路对输入的三角波信号和控制信号比较，根据比较结果产生开关电平信号；

MOSFET驱动电路接收比较电路发出的开关电平信号，产生控制MOSFET的开通、关断的驱动信号；

与直流电源串联的MOSFET接收驱动信号后，对直流电源进行斩波，输出脉动电压信号；

滤波电路接收脉动电压信号，滤除脉动成分，输出电压幅值按电压控制信号要求变化的功率信号。

工作时，比较电路对输入的三角波信号和控制电路发出的控制信号进行比较，产生开关电平信号。当控制信号幅值大于三角波信号幅值时，输出为高电平信号，否则，输出低电平信号。开关电平信号输入到MOSFET驱动电路后，驱动电路产生相应的驱动信号，控制MOSFET的开通、关断，将此MOSFET与直流电源串联后，可对直流电源进行斩波，输出脉动电压信号。脉动电压信号经过低通滤波电路滤除脉动成分，最后产生与控制器输出信号较为相似的功率信号，用来驱动励磁线圈，使动平衡头中的配重盘产生运动。

具体的三角波信号的幅值、频率为定值，其值根据磁平衡头所需功率来确定。驱动MOSFET的驱动电路可采用通用的半桥驱动芯片（如LM5104）来实现。

励磁线圈驱动电路的调压部分产生了电压按图1（a）中Ⅰ～Ⅲ变化的电压，但此电压为正向电压，而励磁线圈工作时要求其驱动电压正负交错变化，为了实现这一要求，采用调流模块来实现：

调流电路模块包括分别与动平衡控制电路相连接的左半桥MOSFET驱动电路和右半桥MOSFET驱动电路，左半桥MOSFET驱动电路驱动第一MOSFET Q1和第四MOSFET Q4，右半桥MOSFET驱动电路驱动第二MOSFET Q2和第三MOSFET Q3；

相串联的第一MOSFET和第四MOSFET组成左半桥电路，相串联的第二MOSFET和第三MOSFET相串联组成右半桥电路；第一MOSFET和第二MOSFET相连接，第四MOSFET和第三MOSFET相连接；

励磁线圈串接于左半桥电路和右半桥电路的中间节点，形成一个H桥驱动电路，其中，第一MOSFET和第三MOSFET形成第一组对桥，第二MOSFET和第四MOSFET形成第二组对桥；

动平衡控制电路发出电流控制信号，通过左半桥MOSFET驱动电路和右半桥MOSFET驱动电路，控制H桥驱动电路中第一组对桥、第二组对桥的开通和关断，由此对流过励磁线圈的电流方向、持续时间进行控制。

具体的，滤波电路的输出端连接在第一MOSFET和第二MOSFET之间，第四MOSFET和第三MOSFET之间设有接地点，这样实现调压模块和调流模块的并联，直流电源就可以给励磁线圈供电。

直流电源的电压大小需根据在线平衡头不同参数进行设定。

动平衡控制电路分别向左半桥MOSFET驱动电路和右半桥MOSFET驱动电路发出互补的控制信号，发出高电平信号驱使左半桥MOSFET驱动电路控制第一MOSFET开通、第四MOSFET关断，发出低电平信号驱使右半桥MOSFET驱动电路控制第三MOSFET开通、第二MOSFET关断；

或者发出低电平信号驱使左半桥MOSFET驱动电路控制第一MOSFET关断、第四MOSFET开通，发出高电平信号驱使右半桥MOSFET驱动电路控制第三MOSFET关断、第二MOSFET开通；

上述的左半桥MOSFET驱动电路和右半桥MOSFET驱动电路可采用通用的半桥驱动芯片（如LM5104）来实现。

具体的H桥驱动电路中第一组对桥、第二组对桥的开通和关断为：

第一组对桥（Q1、Q3）开启、第二组对桥（Q2、Q4）关闭时，有正向电流流过励磁线圈；当第二组对桥开启（Q2、Q4）、第一组对桥（Q1、Q3）关闭时，有反向电流流过励磁线圈。这样通过控制开关管的开通和关断，实现了电流方向的改变，时加载在励磁线圈两端的电压正负交错，满足励磁线圈的工作要求。

Claims (7)

1.一种在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，其特征在于，包括直流电源、调压电路模块和调流电路模块；调压电路模块和调流电路模块分别接收动平衡控制所需要的电压控制信号和电流控制信号；调压电路模块和调流电路模块相结合，输出电压按“下降→恒值→停止”变化、电流按“正向→停止→反方→停止”特征的功率信号，驱动励磁线圈产生所需要的电磁场；

调压电路模块和直流电源相串联，调压电路模块和调流电路模块相并联，调流电路模块与励磁线圈相串联；

调压电路模块包括比较电路、MOSFET驱动电路、MOSFET和滤波电路，MOSFET和滤波电路之间设有接地点；

比较电路的输入端接收三角波信号和动平衡控制电路发出的电压控制信号，比较电路对输入的三角波信号和控制信号比较，根据比较结果产生开关电平信号；

MOSFET驱动电路接收比较电路发出的开关电平信号，产生控制MOSFET的开通、关断的驱动信号；

与直流电源串联的MOSFET接收驱动信号后，对直流电源进行斩波，输出脉动电压信号；

滤波电路接收脉动电压信号，滤除脉动成分，输出电压幅值按电压控制信号要求变化的功率信号。

2.如权利要求1所述的在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，其特征在于，所述的三角波信号的幅值、频率为定值，其值根据磁平衡头所需功率来确定。

3.如权利要求1所述的在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，其特征在于，所述的根据比较结果产生开关电平信号为：当控制信号幅值大于三角波信号幅值时，输出为高电平信号，否则，输出低电平信号；

MOSFET驱动电路接收高电平信号发出控制MOSFET开通的驱动信号，接收低电平信号发出控制MOSFET关断的驱动信号。

4.如权利要求1所述的在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，其特征在于，调流电路模块包括分别与动平衡控制电路相连接的左半桥MOSFET驱动电路和右半桥MOSFET驱动电路，左半桥MOSFET驱动电路驱动第一MOSFET和第四MOSFET，右半桥MOSFET驱动电路驱动第二MOSFET和第三MOSFET；

相串联的第一MOSFET和第四MOSFET组成左半桥电路，相串联的第二MOSFET和第三MOSFET相串联组成右半桥电路；第一MOSFET和第二MOSFET相连接，第四MOSFET和第三MOSFET相连接；

励磁线圈串接于左半桥电路和右半桥电路的中间节点，形成一个H桥驱动电路，其中，第一MOSFET和第三MOSFET形成第一组对桥，第二MOSFET和第四MOSFET形成第二组对桥；

动平衡控制电路发出电流控制信号，通过左半桥MOSFET驱动电路和右半桥MOSFET驱动电路，控制H桥驱动电路中第一组对桥、第二组对桥的开通和关断，由此对流过励磁线圈的电流方向、持续时间进行控制。

5.如权利要求4所述的在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，其特征在于，滤波电路的输出端连接在第一MOSFET和第二MOSFET之间，第四MOSFET和第三MOSFET之间设有接地点。

6.如权利要求4所述的在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，其特征在于，所述的动平衡控制电路分别向左半桥MOSFET驱动电路和右半桥MOSFET驱动电路发出互补的控制信号，发出高电平信号驱使左半桥MOSFET驱动电路控制第一MOSFET开通、第四MOSFET关断，发出低电平信号驱使右半桥MOSFET驱动电路控制第三MOSFET开通、第二MOSFET关断；

或者发出低电平信号驱使左半桥MOSFET驱动电路控制第一MOSFET关断、第四MOSFET开通，发出高电平信号驱使右半桥MOSFET驱动电路控制第三MOSFET关断、第二MOSFET开通。

7.如权利要求4所述的在线磁平衡头励磁线圈的驱动装置，其特征在于，所述的H桥驱动电路中第一组对桥、第二组对桥的开通和关断为：

第一组对桥开启、第二组对桥关闭时，有正向电流流过励磁线圈；当第二组对桥开启、第一组对桥关闭时，有反向电流流过励磁线圈。