CN103618484B

CN103618484B - 磁悬浮高速电机的一体化控制系统及其控制方法

Info

Publication number: CN103618484B
Application number: CN201310526868.0A
Authority: CN
Inventors: 纪历; 徐龙祥
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: CN103618484A

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮高速电机的一体化控制系统及其控制方法，用于控制采用磁悬浮轴承支撑的高速电机，该一体化控制系统包括控制电路板、功率放大器以及传感器，所述的控制电路板包括AC/DC电源转换模块、信号处理芯片以及A/D模数信号转换芯片；所述的功率放大器包括整流模块、直流母线排、磁悬浮轴承开关器件以及变频器开关器件；所述传感器包括用于检测磁悬浮轴承的转子位置信号的位移传感器、用于检测磁悬浮轴承线圈电流信号的第一电流传感器、用于检测高速电机绕组线圈电流信号的第二电流传感器。因此，本发明将原本独立的磁悬浮轴承控制系统与电机变频器进行了整合，并省去了两者间的通讯设备。不仅操作简便，而且节约了成本。

Description

磁悬浮高速电机的一体化控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于一种数字控制设备，应用于主动磁悬浮轴承支承的高速变频电机。

背景技术

高速电机（指转速超过10000r/min的电机）是当前国际电工领域的研究热点之一。相比中低速电机，它的优点主要表现在：

l转速高，电机的功率密度大，其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机，节约材料；

l高速电机转子的转动惯量较小，动态响应快；

l高速电机省去了传统的机械变速装置，因而可减小噪音，提高传动系统的效率。

然而高速电机的发展常受到轴承技术以及润滑技术的制约。采用磁悬浮轴承支承技术后，高速电机的转子与轴承之间实现了无接触，进而不会发生机械摩擦和磨损，不需要润滑系统，且省去了机械变速装置，市场前景广阔，具有传统电机无法比拟的技术特点。

磁悬浮轴承（文中指主动磁悬浮轴承）需要一套控制系统来实现转子的稳定悬浮。而高速电机则需要变频器来调节电机转速。由于磁悬浮轴承与电机控制属于不同的学科，因此，磁悬浮轴承的控制系统与高速电机的变频器通常是两个分立的设备。而操作这两个设备时也有严格的顺序，开启时必须先开启磁悬浮轴承的控制系统使转子稳定悬浮，之后才能够开启变频器转动电机，而关机时则必须先关闭变频器，等到转子停止旋转后才能关闭磁悬浮轴承的控制系统。否则将有可能导致电机损坏。此外，出于安全性的考虑，这两个设备之间需要一套通讯设备以获取彼此的信息。如变频器需要知道磁悬浮轴承的工作状态，一旦在工作中磁悬浮轴承出现失稳的迹象，变频器必须立刻停止向高速电机提供驱动转矩，以免造成整台设备损坏。如此一来，要使一台磁悬浮高速电机能够工作至少需要一套磁悬浮控制系统、一台变频器以及一套通讯设备。并且需要按照指定的顺序操作才能正确启停。而常规电机则无需这些配套设备，而且操作非常简单，往往只需要接通电源就能工作。以至于许多单位在权衡考虑之后放弃了磁悬浮高速电机而继续使用常规电机。

综上所述，配套设备繁多、操作复杂、成本较高限制了磁悬浮高速电机的推广。因此，对于有着广阔市场前景的磁悬浮高速电机，迫切需要研发一种一体化程度高、操作简便且成本较低的控制系统。

发明内容

针对现有磁悬浮高速电机配套设备繁多、操作复杂、成本较高的不足。本发明提供了一种磁悬浮高速电机一体化控制系统，将原本独立的磁悬浮轴承控制系统与电机变频器进行了整合，并省去了两者间的通讯设备。不仅操作简便，而且节约了成本。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁悬浮高速电机的一体化控制系统，用于控制采用磁悬浮轴承支撑的高速电机，该一体化控制系统包括控制电路板、功率放大器以及传感器，所述的控制电路板包括AC/DC电源转换模块、信号处理芯片以及A/D模数信号转换芯片；所述的功率放大器包括整流模块、直流母线排、磁悬浮轴承开关器件以及变频器开关器件；所述传感器包括用于检测磁悬浮轴承的转子位置信号的位移传感器、用于检测磁悬浮轴承线圈电流信号的第一电流传感器、用于检测高速电机绕组线圈电流信号的第二电流传感器；整流模块将所接入的交流市电转换为直流电储存在直流母线排；磁悬浮轴承开关器件、变频器开关器件并联在直流母线排上；位移传感器、第一电流传感器、第二电流传感器均通过A/D模数信号转换芯片与信号处理芯片连接；信号处理芯片依次通过第一接口电路、磁悬浮轴承开关器件与磁悬浮轴承线圈连接，同时信号处理芯片依次通过第二接口电路、变频器开关器件与高速电机绕组线圈连接；信号处理芯片根据位移传感器所反馈的转子位置信号、第一电流传感器所反馈的磁悬浮轴承线圈电流信号，输出轴承控制信号，经第一接口电路转换后，通过磁悬浮轴承开关器件控制磁悬浮轴承的位置；同时数据处理装置根据第二电流传感器所反馈的高速电机绕组线圈电流信号，输出变频器控制信号，经第二接口电路转换后，通过变频器开关器件控制高速电机的旋转。

本发明另一技术目的是提供一种基于上述磁悬浮高速电机的一体化控制系统的控制方法，所述信号处理芯片接收到一体化控制系统启动信号后，首先向磁悬浮轴承开关器件输出轴承控制信号，直到位移传感器、第一电流传感器反馈至信号处理芯片的信号表明磁悬浮轴承的转子处于稳定悬浮状态后，信号处理芯片才向变频器开关器件输出变频器控制信号，控制高速电机旋转；所述信号处理芯片接收到关闭一体化控制系统的信号后，信号处理芯片首先向变频器开关器件输出变频器控制信号，控制高速电机降速，直至信号处理芯片接收到第二电流传感器反馈的信号表明高速电机转速为零后，才通过磁悬浮轴承开关器件，关闭磁悬浮轴承。

作为本发明的进一步改进，所述信号处理芯片根据位移传感器、第一电流传感器所反馈的信息，判断出磁悬浮轴承开关器件处于失稳状态，则向变频器开关器件输入变频器控制信号，切断变频器开关器件向高速电机的控制信号输出。

本发明的有益效果是：

1.将原本独立的磁悬浮轴承控制系统与电机变频器进行了整合，省去了两者重复的硬件设备，节省了控制电路与功率放大器的成本；

2.由于控制系统同时控制磁悬浮轴承与高速电机，原本繁琐的启停逻辑完全可以在控制芯片（DSP芯片）中编程实现，对外界操作人员可以实现简单的一键操作。大大降低了操作难度，使磁悬浮高速电机的可用性得到提高；

3.原先两个设备之间的通讯系统将被取消，不但节省了成本，而且避免了由于通讯失效导致的设备故障；

4.由于使用同一套A/D转换以及数据处理芯片，使得磁悬浮控制和电机控制能够轻松的实现数据共享。在电机的控制中可以实时地得到磁悬浮轴承的状态信息，一旦磁悬浮轴承有失稳迹象，控制系统可以立即切断电机驱动信号，很大程度上提高了安全性，此外在磁悬浮的控制中也获得了精确的转速信号以及转子位置信息，为磁悬浮不平衡补偿等需要转速信号的优化控制方法提供了很大的便利；

5.相比原先独立的两个设备，整合使得控制系统的尺寸大为减小，一些中小功率的磁悬浮高速电机甚至可以直接用电机机壳作为功率放大器的散热器，将控制系统与高速电机做成一个整体，对外界只留有一个电源接口，实现了磁悬浮高速电机的小型化、一体化。

附图说明

图1为磁悬浮高速电机示意图；

图2为磁悬浮高速电机一体化控制系统电路原理图；

图3是磁悬浮高速电机启动阶段的程序流程图；

图4是磁悬浮高速电机停机阶段的程序流程图；

图中标号名称：1、高速电机；2、磁悬浮轴承；3、磁悬浮高速电机一体化控制系统；4、交流市电；5、电机负载；6、控制电路板；7、功率放大器；8、AC/DC模块；9、DSP芯片；10、A/D芯片；11、磁悬浮控制信号接口电路；12、变频器控制信号接口电路；13、整流模块；14、直流母线排；15、磁悬浮轴承所需开关器件；16、变频器所需开关器件；17、电流传感器；18、电源接口；19、磁悬浮轴承线圈接口；20、电机绕组线圈接口；21、磁悬浮轴承位移传感器；22、位移传感器接口。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

本发明所述磁悬浮高速电机一体化控制系统能够实现的技术基础：

由于磁悬浮轴承控制系统与电机变频器都是典型的数字控制系统，这两个设备在硬件电路上具有很多想通之处。两者都需要通过A/D（模拟/数字）转换将传感器采集到的模拟信号转变成为数字信号；两者都需要用到数字信号处理器（磁悬浮控制系统一般使用DSP芯片，变频器也可以使用DSP芯片）处理相关的传感器信号；两者基本都使用开关功率放大器来放大控制信号，且被控对象都为绕组线圈。不同之处有两个方面：在控制电路方面，磁悬浮轴承控制系统需要采集的是转子相对平衡位置的位移信号以及磁悬浮轴承线圈的电流信号，而变频器采集的则是电机绕组线圈的电流信号。在功率放大方器面，两者需要的功率放大器在电路拓扑结构上有所不同（磁悬浮轴承功率放大器一般为H桥结构，而变频器一般为三相全桥结构）。

本发明的思路是将两者相同的部分进行整合，使原本独立的两个设备合二为一。

首先，在控制电路方面，不难看出磁悬浮轴承控制系统与电机变频器的不同仅为使用的传感器不同，其他部分以及在控制流程上都是相同的。因此，设计一块控制电路板，其上同时布置有磁悬浮控制需要的位移、电流信号传感器电路以及变频器需要的电流信号传感器电路。控制电路板上使用一个A/D转换芯片同时采样转换磁悬浮控制以及变频器控制需要的所有信号。转换得到的数字信号传送给同一个数字信号处理芯片（本发明使用DSP芯片，当然也可以使用其他数字信号处理芯片），该处理器芯片在同一个控制周期内同时完成磁悬浮轴承的位置控制以及高速电机的转速控制，这对于当前的DSP芯片来说完全可以做到。处理后的控制信号同时传送给功率放大器。

第二，在功率放大器方面，虽然两者的电路拓扑结构不同，但是同样有许多相同之处。两者都属于开关功率放大器，同样需要整流电路，同样需要储能电容与直流母线排结构。本发明将原本独立的两套整流电路与直流母线排进行整合，将磁悬浮轴承与电机变频器控制所需要的开关器件并联到同一套整流电路与直流母线上，使之成为一个复合功率放大器，与上述控制电路板连接构成磁悬浮高速电机一体化控制系统。

图1展示了采用一体化控制系统的磁悬浮高速电机，整机包括高速电机1、磁悬浮轴承2、一体化控制系统3三个部分。电机可带任意负载5，如风机叶轮等等。对于小功率磁悬浮高速电机可采用图1中的结构形式，将一体化控制系统与磁悬浮高速电机本体安装在一起，利用电机的外壳做功率放大器的散热器。对于中大功率的高速电机也可以采用电机本体与控制系统分立的模式。注意这两种形式对于外界均只有一个电源接口，操作人员只需将交流市电4接入磁悬浮高速电机便可以实现一键操作。

下面结合图2说明一体化控制系统3的组成以及工作原理。该控制系统3主要有两大部分组成，控制电路板6与功率放大器7。其中控制电路板至少包括三个部分：AC/DC模块8、DSP芯片9以及A/D芯片10。控制电路板通过两个接口电路11与12同功率放大器连接。功率放大器则包含四个部分：整流模块13、直流母线排14、磁悬浮轴承开关器件15以及变频器开关器件16。系统共需要两种传感器，分别是电流传感器17、以及位移传感器21；电流传感器分为两类，包括用于检测磁悬浮轴承线圈电流信号的第一电流传感器、用于检测高速电机绕组线圈电流信号的第二电流传感器，第一电流传感器、第二电流传感器只是用于区分两类电流传感器，而不是用于局限两者的数量或者排列顺序，事实上，按照目前的磁悬浮轴承，一般至少需要同种类型的5或10个电流传感器，而高速电机则需要2个同一型号的电流传感器。整个一体化控制系统共有四个接口：电源接口18、磁悬浮轴承线圈接口19、电机绕组线圈接口20、位移传感器接口22。其中磁悬浮轴承线圈接口19、电机绕组线圈接口20、位移传感器接口22与磁悬浮高速电机连接，对于整台磁悬浮高速电机来说属于内部接口。对于使用人员只有一个外部电源接口18。

下面介绍一体化控制系统3的工作原理。

首先介绍控制电路板，接入的市电通过AC/DC模块8转换为控制电路板所需的+5V以及±15V的直流电。A/D芯片10采集磁悬浮控制与变频器控制所需要的信号，包括：磁悬浮轴承位移信号、磁悬浮轴承线圈电流信号以及电机绕组电流信号，并将这些信号转换为数字信号传送给DSP芯片9。DSP芯片在一个控制周期内完成磁悬浮轴承与变频器的控制算法，并将控制信号通过接口电路11与12传送给功率放大器7。

功率放大器则通过整流模块13将交流市电4转换为直流电并存储在直流母线排14上。磁悬浮轴承的开关器件15与变频器的开关器件16并联在直流母线排14上，并根据控制电路板传送来的相应的控制信号完成各自的开关操作，输出相应的控制电流分别完成磁悬浮轴承的位置控制以及高速电机的旋转控制。

与使用两台分立的设备相比，一体化控制系统除了能够同时完成磁悬浮轴承的位置控制以及高速电机的旋转控制外，还具有另两种功能：自动启停功能和故障保护功能。

如前文所述，在使用分立的磁悬浮轴承控制系统与电机变频器时，磁悬浮高速电机有严格的启动、停止顺序。操作人员必须首先开启磁悬浮控制系统，当转子稳定悬浮后才能开启变频器。同样停机时必须先关闭变频器，直到电机转速下降为零，才能关闭磁悬浮轴承控制系统。一旦操作顺序错误，将有可能造成设备损坏。而采用一体化控制系统后，可以实现自动启停功能，在系统上电后，若操作人员按下启动开关，控制电路板首先输出磁悬浮轴承的控制信号，而不输出变频器的控制信号，完成转子的稳定悬浮后再输出变频器的控制信号，控制电机旋转。若操作人员关闭启动开关，则控制电路板先通过变频器使电机降速，在转速下降为零后，关闭磁悬浮轴承。启停逻辑完全在DSP芯片中编程实现，简化了操作流程，减低了因人员操作失误导致设备故障的概率。

此外，使用两台分立的设备时，磁悬浮控制系统只获取磁悬浮轴承的相关信息，变频器同样仅对高速电机有效。若电机在高转速工作时磁悬浮轴承出现故障而变频器继续工作则必将导致设备损坏。因此，必须在两台设备之间建立数据通讯，这不但增加了成本，而且增加了由于通讯设备故障导致整机失效的可能性。而采用一体化的控制系统，在控制电路板中同时具有磁悬浮轴承与高速电机两者的信息，一旦控制电路板判断出磁悬浮轴承有失稳的迹象能够在第一时间切断变频器的输出，将设备损坏的概率降到最低。

磁悬浮轴承的转子处于稳定悬浮状态、磁悬浮轴承开关器件处于失稳状态，主要是根据磁悬浮轴承的位移信号进行判断的。磁悬浮轴承有检测转子的位置的位移传感器。转子处于一个平衡位置是磁悬浮轴承的工作点。如果位移信号偏离这个设定的位置超出一定的范围（这个阈值一般根据传感器性能以及工况自行设定）就认为磁悬浮轴承没有正常工作。

另外，文中提到的硬件模块，比如磁悬浮轴承开关器件、变频器开关器件等，均为市售产品，除了在DSP芯片中植入了我们的特定程序。

Claims

1.一种磁悬浮高速电机的一体化控制系统，用于控制采用磁悬浮轴承支撑的高速电机，该一体化控制系统包括控制电路板、功率放大器以及传感器，其特征在于：所述的控制电路板包括AC/DC电源转换模块、信号处理芯片以及A/D模数信号转换芯片；所述的功率放大器包括整流模块、直流母线排、磁悬浮轴承开关器件以及变频器开关器件；所述传感器包括用于检测磁悬浮轴承的转子位置信号的位移传感器、用于检测磁悬浮轴承线圈电流信号的第一电流传感器、用于检测高速电机绕组线圈电流信号的第二电流传感器；整流模块将所接入的交流市电转换为直流电储存在直流母线排；磁悬浮轴承开关器件、变频器开关器件并联在直流母线排上；位移传感器、第一电流传感器、第二电流传感器均通过A/D模数信号转换芯片与信号处理芯片连接；信号处理芯片依次通过第一接口电路、磁悬浮轴承开关器件与磁悬浮轴承线圈连接，同时信号处理芯片依次通过第二接口电路、变频器开关器件与高速电机绕组线圈连接；信号处理芯片根据位移传感器所反馈的转子位置信号、第一电流传感器所反馈的磁悬浮轴承线圈电流信号，输出轴承控制信号，经第一接口电路转换后，通过磁悬浮轴承开关器件控制磁悬浮轴承的位置；同时信号处理芯片根据第二电流传感器所反馈的高速电机绕组线圈电流信号，输出变频器控制信号，经第二接口电路转换后，通过变频器开关器件控制高速电机的旋转；所述信号处理芯片接收到一体化控制系统启动信号后，首先向磁悬浮轴承开关器件输出轴承控制信号，直到位移传感器、第一电流传感器反馈至信号处理芯片的信号表明磁悬浮轴承的转子处于稳定悬浮状态后，信号处理芯片才向变频器开关器件输出变频器控制信号，控制高速电机旋转；所述信号处理芯片接收到关闭一体化控制系统的信号后，信号处理芯片首先向变频器开关器件输出变频器控制信号，控制高速电机降速，直至信号处理芯片接收到第二电流传感器反馈的信号表明高速电机转速为零后，才通过磁悬浮轴承开关器件，关闭磁悬浮轴承。

2.根据权利要求1所述磁悬浮高速电机的一体化控制系统，其特征在于：所述信号处理芯片根据位移传感器、第一电流传感器所反馈的信息，判断出磁悬浮轴承开关器件处于失稳状态，则向变频器开关器件输入变频器控制信号，切断变频器开关器件向高速电机的控制信号输出。