CN103427757A - 一种磁悬浮分子泵用磁轴承与电机一体化控制系统 - Google Patents

Abstract

一种磁悬浮分子泵用磁轴承与电机一体化控制系统，包括DC/DC电源模块、电机与磁轴承一体化控制装置、信号隔离功放电路、电机功率主电路、电机电流电压检测与反电势过零检测调理电路、霍尔传感器检测电路、磁轴承电流位移检测电路，电机功率主电路包括三相整流电路、Buck斩波调压电路和三相逆变桥电路，电机与磁轴承一体化控制装置包括霍尔传感器接口电路、反电势过零信号接口、电机控制信号接口电路、电机电流电压传感器信号接口与调理电路、磁轴承控制信号与电流信号接口、磁轴承位移信号接口与调理电路、DSP+FPGA控制单元。本发明的电机与磁轴承控制系统一体化设计，具有装置体积小、硬件资源利用率、可靠性高等优点。

Description

一种磁悬浮分子泵用磁轴承与电机一体化控制系统

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮分子泵用磁轴承与电机一体化控制系统，适用于如磁悬浮分子泵等基于磁悬浮电机技术的高速旋转机械，完成对电机与磁轴承的一体化控制。

背景技术

磁悬浮分子泵借助传统的机械分子泵的技术基础，针对高端真空仪器设备的迫切需求，利用磁悬浮电机无接触摩擦、转速高、无需润滑、寿命长等优点，将磁悬浮电机代替传统以机械轴承为支撑的电机以设计出国际先进水平的大抽速磁悬浮复合分子泵。磁悬浮分子泵应用范围非常广泛，如在高分辨率质谱仪、长寿命电真空器件、高性能激光器、高精度惯性器件以及高端科学仪器等领域均有广泛的应用。

在现有的磁悬浮分子泵中，一般将电机控制电路部分和磁轴承控制电路部分单独设计成两套电路系统，这样的设计会使系统由于模块集成度不高导致整机设备体积过大和设备整体可靠性降低，另外由于电机控制系统和磁轴承控制系统是单独的两套电路，这使得部分硬件资源利用率不高导致资源浪费，造成设计与制造成本升高等一系列缺点和问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有磁悬浮分子泵中将电机控制电路部分和磁轴承控制电路部分单独设计成两套电路系统所存在的由于模块集成度不高导致整机设备体积过大和设备整体可靠性降低等问题，以减小系统整机设备体积、提高系统可靠性与硬件资源利用率和降低设计与制造成本。

本发明的技术解决方案是：一种磁悬浮分子泵用磁轴承与电机一体化控制系统，包括DC/DC电源模块、电机功率主电路、电机与磁轴承一体化控制装置、第一信号隔离驱动电路和第二信号隔离驱动与功放电路、开关式霍尔传感器检测电路、电机反电势过零检测与调理电路、电机电流电压检测检测电路和磁轴承电流位移检测电路，通过DSP+FPGA控制单元，对磁悬浮分子泵转子位置信号、角位置信号进行集中判断识别，根据控制逻辑功能，发出控制指令，进行转子悬浮、升速、降速、断电保护操作，最终实现将电机与磁轴承的一体化；其中DC/DC电源模块用于产生一体化控制电路中各芯片所需的供电电压；三相整流电路将来自电网的三相交流电转换为直流电，BUCK斩波调压模块根据给定的PWM控制信号将整流后的直流电调制为直流电压进行输出作为三相逆变器的直流母线电压，三相逆变器根据6路开关控制信号对上、下桥臂IGBT进行开通与关断控制以完成对无刷直流电机的换相操作；开关式霍尔传感器检测电路、电机反电势过零检测与调理电路、电机电流电压检测和磁轴承位移与电流检测电路所检测到的信号分别经过开关式霍尔传感器接口电路、反电势过零信号接口、电机电流电压传感器信号接口与调理电路、磁轴承位移信号接口与调理电路和磁轴承电流信号接口后，输入到DSP+FPGA控制单元，根据电流检测、位移检测模块检测得到的转子的位置信号，DSP+FPGA控制单元发出转子位置控制指令信号，进行磁轴承位移闭环控制算法运算，所得运算结果以PWM信号的形式输入到磁轴承控制信号接口电路进行电平转换，转换后的PWM控制信号分别经第二信号隔离、驱动、功放电路后再输入磁轴承线圈，实现转子位置控制；同时，DSP+FPGA控制单元根据开关式霍尔传感器检测电路（4）和电机反电势过零检测与调理电路（5）实时检测得到的转子的角位置信号，利用DSP+FPGA控制单元发出转子转速控制指令信号，进行电机双闭环调速控制算法运算，所得运算结果以PWM信号的形式输入到电机控制信号接口电路进行电平转换，转换后的PWM控制信号分别经过第一信号隔离、驱动电路再输入到BUCK调压模块、IGBT三相逆变器，实现对电机转速控制，最终实现对电机与磁轴承的一体化控制。

由于纯电磁式磁轴承控制需要20路PWM控制信号和10路电流信号检测调理电路，而永磁偏置式磁轴承控制需要10路PWM控制信号和5路电流信号检测调理电路，故本发明在PWM控制信号数量和电流检测调理电路数量均。

此外，考虑到用户实际应用场合需要，所述的电机和磁轴承一体化控制装置对无刷直流电机的有传感器控制方式和无传感器控制方式兼容，同时对纯电磁式磁轴承控制和永磁偏置式磁轴承控制也兼容，因此用户可根据各自具体应用场合和性能指标要求来选择无刷直流电机的有、无传感器控制方式，而且对基于纯电磁式磁轴承的产品和基于永磁偏置式磁轴承的产品均适用，此兼容式设计使得本发明使用更为灵活，适用范围也更为广泛。

本发明的原理是：本发明将磁轴承控制电路部分的磁轴承控制器、磁轴承控制信号接口电路、磁轴承电流信号接口、磁轴承位移信号接口与调理电路和电机控制电路部分的电机伺服控制器、电机控制信号接口电路、开关式霍尔传感器接口电路、反电势过零信号接口、电机电流电压传感器信号接口与调理电路、两部分控制信号的电平转换电路以及通讯接口电路进行集成设计，利用DSP+FPGA控制单元，对磁悬浮分子泵转子位置信号、角位置信号进行集中判断识别，根据DSP+FPGA控制单元的控制逻辑功能，发出控制指令，进行转子悬浮、升速、降速、断电保护操作，最终实现将电机与磁轴承的一体化；此控制装置集成了电机控制与磁轴承控制两部分功能，通过霍尔传感器、反电势过零检测、电流电压传感器来检测电机的转速、位置与电流电压信息，通过电流传感器与位移传感器检测磁轴承电流、位移信息，此信息输入到电机与磁轴承一体化控制装置中进行电机与磁轴承控制运算即可得出电机与磁轴承PWM控制信号，此信号再经过PWM信号隔离驱动即可通过控制BUCK模块的输出电压与逆变器换相以实现对电机控制和通过控制全桥式换能电路以实现对磁轴承位移控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明将磁悬浮分子泵中的电机控制电路部分和磁轴承控制电路部分集成于同一控制装置以实现电机与磁轴承的一体化控制，与传统磁悬浮分子泵控制装置相比，使用一套DSP+FPGA控制单元，对磁悬浮分子泵转子位置信号、角位置信号进行集中判断识别，根据DSP+FPGA控制单元的控制逻辑功能，实现整机的控制，提高系统整机集成度和可靠性。

（2）本发明对无刷直流电机的有传感器控制方式和无传感器控制方式均可兼容，同时对纯电磁式磁轴承控制和永磁偏置式磁轴承控制均可兼容，因此用户可根据各自具体应用场合和性能指标要求来选择无刷直流电机的有、无传感器控制方式，而且对基于纯电磁式磁轴承的产品和基于永磁偏置式磁轴承的产品均适用，此兼容性设计使本发明使用更灵活，适用范围更为广泛。

总之，本发明的电机与磁轴承一体化控制系统有效克服和解决了传统的磁悬浮分子泵中将电机控制电路和磁轴承控制电路单独设计的一系列缺点与问题，提高系统整机集成度，减小设备体积，提高系统可靠性，提高系统硬件资源利用率，降低设计与制造成本；另外对无刷直流电机的有传感器控制方式和无传感器控制方式作了兼容性设计，对纯电磁式磁轴承控制和永磁偏置式磁轴承控制也作了兼容性设计，以此拓宽系统应用范围，提高系统的使用灵活性。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为电机与磁轴承一体化控制框图；

图3为本发明的无刷直流电机、无传感器控制方式下的换相信号图和换相表，其中图3a为本发明的无刷直流电机、无传感器控制方式下的换相信号图；图3b为本发明的无刷直流电机、无传感器控制方式下的换相表；

图4为本发明的磁轴承驱动功放电路原理框图；

图5为本发明的电机与磁轴承一体化控制电路中的DSP芯片与FPGA芯片电路原理图，其中图5a为DSP芯片外围配置电路图；图5b为DSP芯片总线通信电路原理图；图5c为FPGA芯片总线通信电路原理图；

图6为控制信号电平转换电路；

图7为磁轴承位移信号调理电路；

图8为电机电压电流调理电路；

图9为霍尔信号、反电势过零信号接口与调理电路；

图10为电机与磁轴承控制信号接口；

图11为过压、过流、欠压保护电路；

图12为通讯接口电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括DC/DC电源模块9、电机与磁轴承一体化控制装置21、第一信号隔离与驱动电路7、第二信号隔离驱动与功放电路13、电机功率主电路20、开关式霍尔传感器检测电路4、电机反电势过零检测与调理电路5、电机电流电压检测6、电流检测位移检测电路15。其中电机功率主电路20包括三相整流电路1、Buck斩波调压电路2和IGBT三相逆变桥电路3三部分；而电机与磁轴承一体化控制装置21包括开关式霍尔传感器接口电路17、反电势过零信号接口18、电机电流电压传感器信号接口与调理电路19、电机控制信号接口电路8、磁轴承控制信号接口电路12、磁轴承电流信号接口14、磁轴承位移信号接口与调理电路16、DSP+FPGA控制单元10。DC/DC电源部分产生各芯片所需供电直流电压；DSP+FPGA控制单元10利用电机反电势过零检测与调理电路5检测得到的反电势过零信号或利用开关式霍尔传感器检测电路4检测得到的开关式霍尔传感器测量信号来计算得出无刷直流电机的换相信号和当前转速值，经过闭环控制器计算后得出相应控制信号并经过电机控制信号接口电路8和第一信号隔离驱动电路7后输入到电机功率主电路，以控制BUCK模块调制直流母线电压和逆变器的换相以最终控制电机转速值，从而实现电机转速的高精度控制；DSP+FPGA控制单元10利用检测到的磁轴承线圈中的电流信号以及磁轴承的5个方向的位移信号来进行电流闭环控制和位移闭环控制，控制信号经过磁轴承控制信号接口电路12和第二信号隔离驱动与放大电路13后输入到磁轴承线圈并形成电磁力以控制磁轴承的位置，从而实现磁轴承位置的高精度控制。

如图2所示为本发明的电机与磁轴承一体化控制框图，其中采用DSP+FPGA来设计磁轴承控制器与电机控制器，通过对霍尔传感器信号、反电势过零信号、电机功率主电路中母线电流信号、磁轴承位移信号与电流信号进行检测与调理，所得信号输入到DSP片内AD模块与AD芯片进行模数转换与测量，测量结果经过DSP+FPGA控制单元内部的速度计算部分、逆变器换相逻辑算法部分、电流计算算法部分以及位移与电流计算部分的计算后分别得出电机速度信息、逆变器换相信号、母线电流值、磁轴承位移值和电流值，DSP+FPGA控制单元对上述信息进行集中判断识别，根据控制逻辑功能，发送控制指令信号，进行转子的位置控制和转速控制。其中，转子位置控制根据磁轴承位移信号接口与调理电路的检测信息，利用DSP+FPGA控制单元进行磁轴承位移闭环控制算法运算，所得运算结果以PWM信号的形式输入到轴承控制信号接口电路进行电平转换，转换后的PWM控制信号分别经第二信号隔离、驱动、功放电路后再输入磁轴承线圈，实现转子位置控制；转子的转速控制根据开关式霍尔传感器接口电路的检测信息，利用DSP+FPGA控制单元进行电机双闭环调速控制算法运算，所得运算结果以PWM信号的形式输入到电机控制信号接口电路进行电平转换，转换后的PWM控制信号分别经过第一信号隔离、驱动电路再输入到BUCK调压模块、IGBT三相逆变器，实现对电机转速控制；转子位置控制和转子转速控制指令操作统一在DSP+FPGA控制单元控制逻辑功能下运行，实现了电机与磁轴承控制的一体化，提高了控制系统的可靠性。

如图3所示，本发明的电机控制部分对无刷直流电机的有传感器控制方式和无传感器控制方式均可兼容。如图3a中上半部分波形所示为电机三相反电势信号波形，其中小正方形框所标注部分为反电势信号过零点处，电机反电势过零检测与调理电路对此三相反电势波形进行过零检测；对应图3a的下半部分波形为三相开关式霍尔传感器检测调理电路处理后所得信号波形，横轴表示时间，由时间对应关系可知三相反电势信号过零点处的相位滞后30°处即与三相霍尔信号的上、下跳变沿处对应，也即为无刷直流电机的理想换相点，因此本发明通过检测开关式霍尔传感器检测电路所得到的三相开关式霍尔信号的上、下跳变沿即可得到无刷直流电机的理想换相信号，另外利用电机反电势过零检测与调理电路所得到的电机三相反电势过零点信号，再通过相位计算亦可得到无刷直流电机的理想换相信号，然后对应图3b换相表来控制三相逆变桥上、下桥臂IGBT的开通与关断即可完成换相操作，从而实现无刷直流电机的有传感器控制和无传感器控制。此即为本发明实现无刷直流电机有、无传感器控制方式兼容设计的原理。

如图4所示，本发明的磁轴承控制部分对于纯电磁式磁轴承的控制和永磁偏置式磁轴承的控制均适用。在DSP芯片中的磁轴承电流闭环控制器和位移闭环控制器的计算结果输入到FPGA芯片中的扩充PWM模块并输出20路PWM控制信号，经过对应的高速光电隔离电路、脉冲保护驱动电路后即输入到全桥式换能电路并最终输入到磁轴承线圈，在电流检测部分设计有10路电流检测和调理电路；由于纯电磁式磁轴承控制需要20路PWM控制信号和10路电流信号检测调理电路，而永磁偏置式磁轴承控制只需要10路PWM控制信号和5路电流信号检测调理电路，由此可知本发明在磁轴承PWM控制信号数量方面和磁轴承线圈电流检测调理电路数量方面对于纯电磁式磁轴承控制和永磁偏置式磁轴承控制均适用。

如图5所示为本发明的电机与磁轴承一体化控制电路中的DSP芯片与FPGA芯片电路原理图部分。图5a为DSP芯片外围配置电路，图5b中标注的AB_DSP、DB_DSP、CB_DSP分别为DSP芯片地址线、数据线和控制线，图5c中标注的AB_FPGA、DB_FPGA、CB_FPGA分别为FPGA芯片的地址线、数据线和控制线，DSP芯片与FPGA芯片通过此相连的三总线进行通信。

如图6所示为本发明的电机与磁轴承一体化控制电路中的电机与磁轴承控制信号的电平转换电路原理图部分，从FPGA芯片输出的电机PWM控制信号与磁轴承PWM控制信号为3.3伏，PWM信号输入到电平转换芯片SN74ALVC164245转化为5伏的电压信号。

如图7所示为本发明的电机与磁轴承一体化控制电路中的磁轴承位移信号调理电路原理图部分。以AX通道位移信号调理电路为例，磁轴承AX方向位移传感器测量得到的位移信号先经过电压跟随器后，再与参考电压信号一同输入到反相加法器并进行反相比例放大，然后经过二阶RC有源滤波器进行滤波处理后再经过3伏稳压二极管即可得到0到3伏的电压信号，此信号再输入到DSP芯片的片内AD模块进行测量后即可计算出磁轴承在AX方向的位移值。此电路还进行了冗余设计以提高系统可靠性。

如图8所示为本发明的电机与磁轴承一体化控制电路中的电机电压电流调理电路原理图部分。以母线电流信号调理电路为例，电流传感器检测得到的母线电流信号经过先经过电压跟随器后再经过二阶RC有源滤波器进行滤波处理，再经过5伏稳压二极管后得到0到5伏的电压信号并输入到AD芯片进行转换测量，经计算后即可得出对应的母线电流值。此电路还进行了冗余设计以提高系统可靠性。

如图9所示为本发明的电机与磁轴承一体化控制电路中的霍尔信号、反电势过零信号接口与调理电路原理图部分，霍尔传感器信号与反电势过零信号通过各自接口传送到此调理电路，一阶无源RC滤波作用为滤除高频噪声，反相器的作用为弥补无源滤波的波形边沿不够陡峭、驱动能力差的缺点。

如图10所示为本发明的电机与磁轴承一体化控制电路中的电机与磁轴承控制信号接口原理图部分，图10中上半部分接口为电机PWM控制信号接口而下半部分接口为磁轴承PWM控制信号，电机与磁轴承的PWM控制信号通过此接口分别传送到各自的隔离、驱动与功放电路，最终实现对电机与磁轴承的控制。

如图11所示为本发明的电机与磁轴承一体化控制电路中的过压、过流、欠压保护电路原理图部分，先利用三个滑动变阻器来分别设定过流保护、过压保护和欠压保护的电压参考值，再通过电压比较器将当前检测得到的电流值和电压值分别与各自的电压参考值进行比较以判断是否发生过零、过压或欠压，假如判断有过零、过压或欠压情况发生即马上进行过压、过流和欠压保护以保证系统和人员安全。

如图12所示为本发明的电机与磁轴承一体化控制电路中的通讯接口电路原理图部分。其中采用HCPL2630芯片来增强CAN收发信号的驱动能力，而74HC14对收发信号起波形整定作用以使得信号波形更为标准。电机与磁轴承一体化控制系统通过CAN通讯接口将系统信息传送到上位机以进行实时监控、数据分析处理等功能，此外上位机可通过此通讯接口将用户控制命令传送给控制系统，使得电机与磁轴承一体化控制系统按照用户设定的参数和指令对电机和磁轴承进行控制。

Claims (1)

1.一种磁悬浮分子泵用磁轴承与电机一体化控制系统，包括DC/DC电源模块（9）、电机功率主电路（20）、电机与磁轴承一体化控制装置（21）、第一信号隔离驱动电路（7）和第二信号隔离驱动与功放电路（13）、开关式霍尔传感器检测电路（4）、电机反电势过零检测与调理电路（5）、电机电流电压检测检测电路（6）和电流检测位移检测电路（15），其特征在于：通过DSP+FPGA控制单元（10），对磁悬浮分子泵转子位置信号、角位置信号进行集中判断识别，根据控制逻辑功能，发出控制指令，进行转子悬浮、升速、降速、断电保护操作，最终实现将电机与磁轴承的一体化；其中DC/DC电源模块（9）用于产生一体化控制电路中各芯片所需的供电电压；三相整流电路（1）将来自电网的三相交流电转换为直流电，BUCK斩波调压模块（2）根据给定的PWM控制信号将整流后的直流电调制为直流电压进行输出作为三相逆变器（3）的直流母线电压，三相逆变器（3）根据6路开关控制信号对上、下桥臂IGBT进行开通与关断控制以完成对无刷直流电机的换相操作；开关式霍尔传感器检测电路（4）、电机反电势过零检测与调理电路（5）、电机电流电压检测（6）和电流检测位移检测电路（15）所检测到的信号分别经过开关式霍尔传感器接口电路（17）、反电势过零信号接口（18）、电机电流电压传感器信号接口与调理电路（19）、磁轴承位移信号接口与调理电路（16）和磁轴承电流信号接口（14）后，输入到DSP+FPGA控制单元（10），根据电流检测位移检测电路（15）检测得到的转子的位置信号，DSP+FPGA控制单元（10）发出转子位置控制指令信号，进行磁轴承位移闭环控制算法运算，所得运算结果以PWM信号的形式输入到磁轴承控制信号接口电路（12）进行电平转换，转换后的PWM控制信号分别经第二信号隔离、驱动、功放电路（13）后再输入磁轴承线圈，实现转子位置控制；同时，DSP+FPGA控制单元（10）根据开关式霍尔传感器检测电路（4）和电机反电势过零检测与调理电路（5）实时检测得到的转子的角位置信号，利用DSP+FPGA控制单元（10）发出转子转速控制指令信号，进行电机双闭环调速控制算法运算，所得运算结果以PWM信号的形式输入到电机控制信号接口电路（8）进行电平转换，转换后的PWM控制信号分别经过第一信号隔离、驱动电路（7）再输入到BUCK调压模块（2）、IGBT三相逆变器（3），实现对电机转速控制，最终实现对电机与磁轴承的一体化控制。

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