CN103812320B - 一种用于磁悬浮分子泵控制系统的数字电源装置 - Google Patents
一种用于磁悬浮分子泵控制系统的数字电源装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于磁悬浮分子泵控制系统的数字电源装置，其主要包括AC/DC变换器模块、自供电模块、DSP控制模块、低压DC/DC模块、CAN通信接口模块以及HMI人机接口模块。该装置运行时，DSP控制模块根据给定电压值，采用电压传感器和电流传感器的输出作为反馈，通过PWM控制AC/DC变换器模块和高压DC/DC模块中的开关器件，构成电流电压的双闭环控制系统，二者的电压输出作为磁轴承的功放电源和低压DC/DC模块的输入，低压DC/DC模块的输出作为磁轴承系统的控制电源。当外部电网失效时，高压DC/DC模块依靠电机的回馈能量进行电压转换，继续为磁轴承系统提供电能，实现磁轴承的掉电保护功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于磁悬浮分子泵控制系统的数字电源装置，能够为磁悬浮分子泵系统中的磁轴承系统和电机的控制系统提供所需的电源，该装置在外部电力失效时，通过采用传统的UPS或者永磁电机能量回馈的形式对磁轴承系统的电源进行实时补偿功能，特别适用于对于电源可靠性要求较高的高速磁悬浮分子泵控制系统。另外，这种数字电源装置也适用于其他磁轴承控制系统。
背景技术
超高真空系统是我国尖端科学仪器、国防领域核心器件、高技术产业工艺装备研制必不可少的关键仪器设备，是制约其整体性能提升的关键技术瓶颈。分子泵是获得超高真空环境的高端科学仪器设备的关键核心部件。根据转子的支承方式，分子泵分为机械轴承分子泵和磁悬浮分子泵。鉴于机械轴承分子泵的抽速和压缩比低、存在油扩散污染、寿命短等缺点，磁悬浮分子泵已取代机械轴承分子泵。国内仪器厂商仍采用机械轴承分子泵，产品大多面向中低端用户，严重制约我国超高真空科学仪器设备的发展。
磁悬浮分子泵系统采用磁轴承的支承方式，通过电磁力来支承转子，如果出现外部电力失效的情况时，磁轴承丧失电磁力，导致高速转子跌落在保护轴承上，对轴承和转子造成损害，因此磁悬浮分子泵控制系统的电源装置必须具备电力失效补偿功能。
磁悬浮分子泵控制系统的电力失效补偿方法根据原理可以分为采用基于化学电池的不间断电源(UPS)和基于永磁电机能量回馈的电源变换器。传统的磁悬浮分子泵控制系统的电源原理是基于电源集成控制芯片的开关变换器电源，可以使用不间断UPS或者基于永磁电机能量回馈的方法进行电力失效补偿。开关电源的效率高于线性电源，采用模拟控制方式，系统带宽高，但是开关变换器是典型的非线性、参数时变系统，传统的模拟控制方式无法对开关变换器的这种非线性、参数时变特性进行有效补偿，另外开关电源也无法满足现有工业控制系统所具备的现场总线通讯功能，无法和电机控制系统进行有效通讯。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有磁悬浮分子泵系统的开关电源系统无法对于开关变换器所具有的非线性和参数时变特性进行有效补偿以及不具备工业总线通讯功能的缺陷，提出一种以DSP为控制核心，具备基于永磁电机能量回馈的电力失效补偿和工业现场总线通讯功能的数字电源。
本发明的技术解决方案：一种用于磁悬浮分子泵控制系统的数字电源装置，包括：
AC/DC变换器模块2：与电机控制系统1的交流电源相接，输入单相220V交流电压，将第一电压传感器9和第二电压传感器10检测到的电压输出值以及电流传感器13检测到的电流输出值反馈至DSP控制模块5，同时接受DSP控制模块5输出的PWM控制信号，以驱动内部开关管，实现电压变换，AC/DC变换器模块2工作时输出+40V直流电压，与高压DC/DC模块3的输出并联，作为磁轴承系统的功放电源，同时作为低压DC/DC模块8输入；
高压DC/DC模块3：与电机控制系统1的直流母线相接，DSP控制模块5以第三电压传感器11和第四电压传感器12的输出作为反馈，通过电压闭环控制输出PWM信号，控制高压DC/DC模块中的开关管，完成DC/DC转换，输出+40V直流电压，与AC/DC变换器模块2的输出并联，作为磁轴承系统的功放电源，同时作为低压DC/DC模块8的输入，系统外部电力失效时，作为主要工作电路，在DSP控制模块5的控制作用下，将永磁电机回馈至电机控制系统1的直流母线上的电能转换为合适的电源保证磁轴承系统正常工作，实现磁轴承的掉电保护功能；
自供电模块4：与电机控制系统1的交流电源相接，输入单相220V交流电压，采用模拟芯片控制，通过AC/DC转换，得到+5V和+15V电压，为DSP控制模块5提供所需电源；
DSP控制模块5：作为整个数字电源装置的控制核心，与CAN通信接口6以及HMI人机接口设备7相联，进行控制参数设置，同时采用第一电压传感器9、第二电压传感器10、第三电压传感器11、第四电压传感器12和电流传感器13的输出作为反馈信号，通过输出PWM控制AC/DC变换器模块2和高压DC/DC模块3的开关管，实现电压闭环控制，输出+40V直流电压，自供电模块4和低压DC/DC模块8共同为整个数字电源装置提供所需+5V和+15V电源；
低压DC/DC模块8：与AC/DC变换器模块2和高压DC/DC模块3输出相连接，输入+40V直流电压，通过DC/DC转换，输出+5V和+15V电源为DSP控制模块5供电，同时输出+5V、+15V和±15V为磁轴承电机系统提供控制部分电源；
CAN通信接口模块6：与DSP控制模块5相连接，可以同采用CAN总线通信协议的PC上位机进行通信。
HMI人机接口设备7：与DSP控制模块5通过RS-232协议相连接，可以通过其将控制参数输入值DSP控制模块5，并将系统当前状态显示出来，进行监测。
所述DSP控制模块5采用TMS320F28335浮点型DSP作为核心控制芯片。
所述AC/DC变换器模块2和高压DC/DC模块3采用输出并联模式，且系统上电过程为：
(1)系统上电后，自供电模块4首先工作，为DSP控制模块5提供+15V控制电源；
(2)DSP控制模块5控制AC/DC变换器模块2进行AC/DC变换，为磁轴承功放和低压DC/DC模块8提供+40V直流电源；
(3)DSP控制模块5通过第三电压传感器11监控高压DC/DC模块3输入端电压，如果满足高压DC/DC模块3输入电压大于+40V的要求，则DSP控制模块5控制高压DC/DC模块3完成DC/DC变换，将高压输入转换为+40V直流电压和AC/DC变换器模块2的输出并联，同时向磁轴承功放和低压DC/DC模块8提供电源；
(4)低压DC/DC模块8由AC/DC变换器模块2和高压DC/DC模块3同时供电，低压DC/DC模块8输出+5V和+15V电源为DSP控制模块5供电，同时输出+5V、+15V和±15V为磁轴承电机系统提供控制电源；
外部电力失效时，数字电源装置的处理过程为：
(1)DSP控制模块5首先将当前电机转速、分子泵设定转速等控制参数存储，同时将现场掉电故障通过CAN通信接口6反馈给上位机，并在HMI人机接口设备7上显示出来；
(2)AC/DC变换器模块2和自供电模块4停止工作，DSP控制模块5控制高压DC/DC模块3继续工作，将永磁电机回馈至电机控制系统1直流母线的电能转化为+40V直流电压，低压DC/DC模块8继续正常工作，为电机控制系统1的磁轴承功放部分和控制部分提供所需电源；
所述DSP控制模块5在进行AC/DC变换器模块和高压DC/DC模块3的DC/DC控制时，采用了基于自校正的电压闭环控制算法，其中采用非线性滑模控制器和PI调节器，同时设计了扩展卡尔曼观测器，对系统的阻尼比和自然振荡频率等主要参数进行在线估计，当所估计的参数和预设参数相差达到20％时，才根据估计参数进行控制器的重新设计，降低了系统的运算开销，保证了实时性；
本发明的原理：本发明采用两级电源转换，首先通过DSP控制模块分别控制AC/DC模块和高压DC/DC模块，采用电压电流闭环系控制统，为了克服开关变换器的非线性和参数时变带来的干扰，电流环采用非线性滑模控制器，电压环则采用PI线性控制器，同时采用扩展卡尔曼观测器对于系统的主要参数进行实时在线估计，克服系统的参数时变特性。AC/DC模块和高压DC/DC模块的输出并联，同时为磁轴承系统提供功率电，低压DC/DC模块实现二级转换，为DSP控制模块供电，同时为电机系统提供控制用弱电。当外部电力失效时，AC/DC模块首先停止工作，同时，高压DC/DC模块继续工作，将永磁电机回馈至电机控制系统直流母线上的电能，转化为+40V可调直流电压，低压DC/DC模块正常工作。当母线电压降低至100V时，DSP控制模块自动校正输出，控制高压DC/DC模块继续工作，同时保存现场，并通过CAN总线和HMI输出系统状态，随着电压继续降低电源系统最终停止工作。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明是以DSP控制模块为核心的数字电源，功率部分采用两级转换结构，分别控制AC/DC变换器模块和高压DC/DC模块，在正常情况下，两者共同为磁轴承系统供电，而在外部电力失效情况下，采用高压DC/DC模块将永磁电机回馈的电能进行转换，为磁轴承电源提供补偿，完成掉电保护功能。与现有的磁悬浮分子泵所采用的开关电源相比具有以下特点：
(1)本发明采用DSP芯片作为控制核心，采用电压和电流的闭环控制结构，其中内环为非线性滑模控制器，能够克服开关变换器的非线性环节，提高系统响应带宽，外环为线性PI控制器，能够保证控制的稳态精度，同时针对系统参数的时变特性，采用扩展卡尔曼观测器进行系统主要参数的观测，能够对系统的控制参数进行实时校正，普通开关电源采用模拟控制芯片，只能进行模拟控制方法。
(2)本发明采用DSP作为控制核心，具备基于CAN协议的现场总线，可以和电机或磁轴承控制系统进行通讯，能够实时根据控制系统的需求进行电压控制。
(3)本发明采用了两级电源转换结构，其中，AC/DC变换器模块和高压DC/DC模块同时为磁轴承提供控制电源，两者互为备份，大大提高了电源系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为本发明的电流电压双闭环控制系统框图；
图3为本发明的AC/DC变换器模块中的整流电路；
图4为本发明的高压DC/DC模块电路；
图5为本发明的CAN通讯接口电路；
图6为本发明的软件流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要由AC/DC变换器模块2、高压DC/DC模块3、自供电模块4、DSP控制模块5、CAN通信接口模块6、HMI人机接口设备7以及低压DC/DC模块8组成。AC/DC模块2和自供电模块4与电机控制系统1的单相220V交流电源相接，系统正常启动时，自供电模块4首先向DSP控制模块5提供控制+15V电源，DSP控制模块5根据第一电压传感器9、第二电压传感器10和电流传感器13的输出作为反馈，通过电流电压闭环控制输出PWM信号，控制AC/DC变换器模块中的开关管，完成AC/DC转换，输出+40V的直流电压，同时DSP控制模块5以第三电压传感器11和第四电压传感器12的输出作为反馈，通过电压闭环控制输出PWM信号，控制高压DC/DC模块3中的开关管，完成DC/DC转换，输出+40V的直流电压，同时与AC/DC变换器模块2的输出并联，作为磁轴承系统的功放电源，同时作为低压DC/DC模块8的输入，低压DC/DC模块8输出+15V电源为DSP控制模块5供电，同时输出+5V、+15V和±15V为磁轴承电机系统提供控制电源，当系统外部电力失效时，DSP控制模块5则控制高压DC/DC模块3将电机控制系统1回馈至直流母线的电能继续转化为+40V直流电压，为磁轴承系统继续提供电源，实现掉电保护功能，DSP控制模块5可以通过CAN通信接口模块6与其他带有CAN总线的主机设备如变频器，实现系统状态的上传以及控制信号的接收，HMI人机接口设备7直接与DSP控制模块5进行通讯，发送用户的控制指令，显示系统当前状态。
如图2所示，给出了本发明的开关变换器电流电压闭环控制系统结构框图，系统首先给定参考电压Uref，然后根据第二电压传感器10输出的电压检测值，输入DSP控制系统模块5中，通过PI控制器算出系统的电流给定，然后根据输出端电流传感器13的反馈值，通过非线性滑模控制器计算出PWM控制量，通过控制AC/DC变换器模块的开关管，实现电流电压双闭环控制系统，另外为了克服系统参数的时变特性，采用了基于卡尔曼滤波的观测器Q(s)，通过对系统参数实时在线估计，进行控制参数的在线调整，最终实现基于自校正的电流电压双闭环控制系统。
如图3所示，给出了本发明的AC/DC变换器模块2中的整流电路，该电路使用保险丝F1进行过流保护，使用压敏电阻MOV进行防雷保护，使用NTC电阻限制启动电流，然后使用电容C1、C2和共模电感T1组成的滤波器进行共模干扰的滤除，最后通过单相整流桥U1将交流电转化为310V左右的直流电源，为AC/DC变换器模块2提供变换所需高压直流电源，本发明的AC/DC变换器模块包括整流电路和DC/DC转换电路，其中DC/DC转换电路和高压DC/DC模块电路拓扑结构相同。
如图4所示，给出了本发明的高压DC/DC模块电路，该电路采用基于Buck结构的DC/DC变换器结构，输入为电机系统的母线电压，开关管采用1200V IGBT，能够兼容单相和三相交流电源供电的电机控制系统，高压直流电源通过R1和R2 NTC电阻限制了母线电容Cdc1、Cdc2、Cdc3和Cdc4充电电流，然后通过Q2、L1、D2和C3组成的Buck变换器进行直流电压的转换，U1和U3为霍尔电压传感器，为控制系统提供反馈电压和输入电压，U2为霍尔电流传感器，为控制系统提供Buck变换器的电感电流反馈，Buck变换器输出经过二极管D3防止电流倒流。
如图5所示，给出了本发明的CAN通讯接口电路，为了减少干扰，采用了独立供电，DSP控制模块5输出和接受的信息首先通过磁耦芯片ISO7221C进行隔离，然后再采用SN65HVD230芯片进行CAN电平转换，作为和外部的通讯接口。
如图6所示，给出了本发明的软件控制流程图，系统上电后，首先自供电模块4为整个系统提供控制电源+15V，系统通过各个传感器检测电压、电流的测量值以及开关管状态是否正常，如果出现异常，那么判断是否是电力失效故障，电力失效故障时DSP控制模块5继续控制高压DC/DC模块3工作，如果是其他故障，那么需要结合软件算法进行故障诊断，并将故障信息记录，同时进行上位机通讯，电源系统可以正常工作时，首先DSP控制模块5控制AC/DC变换器模块2正常工作，同时通过检测高压DC/DC模块3的输入电压是否达到+40V，如果满足最低需求，那么DSP控制系统5开始驱动高压DC/DC模块3，其输出和AC/DC变换器模块2共同为低压DC/DC模块8供电，此时低压DC/DC模块8正常工作，系统检测状态，重复之前的工作过程。
本发明虽为磁悬浮分子泵控制系统的数字电源装置，但也可以作为一种通用的数字电源装置，适用于电机控制系统，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改系统硬件参数来灵活方便地实现其功能。
Claims (4)
1.一种用于磁悬浮分子泵控制系统的数字电源装置，其特征在于：包括以下模块：
AC/DC变换器模块(2)：与电机控制系统(1)的交流电源相接，输入单相220V交流电压，DSP控制模块(5)以第一电压传感器(9)、第二电压传感器(10)检测到的电压值以及电流传感器(13)检测到的电流值作为反馈，通过电流电压闭环控制输出PWM信号，控制自身模块中的开关管，完成DC/DC转换，输出+40V直流电压，与高压DC/DC模块(3)的输出并联，作为磁轴承系统的功放电源，同时作为低压DC/DC模块(8)输入；
高压DC/DC模块(3)：与电机控制系统(1)的直流母线相接，DSP控制模块(5)以第三电压传感器(11)和第四电压传感器(12)的输出作为反馈，通过电压闭环控制输出PWM信号，控制自身模块中的开关管，完成DC/DC转换，输出+40V直流电压，与AC/DC变换器模块(2)的输出并联，作为磁轴承系统的功放电源，同时作为低压DC/DC模块(8)的输入，系统外部电力失效时，作为主要工作电路，在DSP控制模块(5)的作用下，将永磁电机回馈至电机控制系统(1)的直流母线上的电能转换为合适的电源保证磁轴承系统正常工作，实现磁轴承的掉电保护功能；高压DC/DC模块(3)采用基于Buck结构的DC/DC变换器结构，输入为电机系统的母线电压，开关管采用1200V IGBT，能够兼容单相和三相交流电源供电的电机控制系统；
自供电模块(4)：与电机控制系统(1)的交流电源相接，输入单相220V交流电压，采用模拟芯片控制，通过AC/DC转换，得到+5V和+15V电压，为DSP控制模块(5)提供所需电源；
DSP控制模块(5)：作为整个数字电源装置的控制核心，与CAN通信接口(6)以及HMI人机接口设备(7)相联，进行控制参数设置，同时采用第一电压传感器(9)、第二电压传感器(10)、第三电压传感器(11)、第四电压传感器(12)和电流传感器(13)的输出作为反馈信号，通过输出PWM控制AC/DC变换器模块(2)和高压DC/DC模块(3)的开关管，分别实现电压闭环控制，输出+40V直流电压，自供电模块(4)和低压DC/DC模块(8)共同为整个数字电源装置提供所需+5V和+15V电源；
低压DC/DC模块(8)：与AC/DC变换器模块(2)和高压DC/DC(3)输出相连接，输入+40V直流电压，通过DC/DC转换，输出+5V和+15V电源为DSP控制模块(5)供电，同时输出+5V、+15V和±15V为磁轴承电机系统提供控制部分电源；
CAN通信接口模块(6)：与DSP控制模块(5)相连接，可以同采用CAN总线通信协议的PC上位机进行通信；为了减少干扰，采用了独立供电，DSP控制模块(5)输出和接受的信息首先通过磁耦芯片ISO7221C进行隔离，然后再采用SN65HVD230芯片进行CAN电平转换，作为和外部的通讯接口；
HMI人机接口设备(7)：与DSP控制模块(5)通过RS-232协议相连接，可以通过其将控制参数输入值DSP控制模块(5)，并将系统当前状态显示出来，进行监测。
2.根据权利要求1所述的用于磁悬浮分子泵控制系统的数字电源装置，其特征在于：所述AC/DC变换器模块(2)和高压DC/DC模块(3)采用输出并联模式，且系统上电过程为：
(1)系统上电后，自供电模块(4)首先工作，为DSP控制模块(5)提供+15V控制电源；
(2)DSP控制模块(5)控制AC/DC变换器模块(2)进行AC/DC变换，为磁轴承功放和低压DC/DC模块(8)提供+40V直流电源；
(3)DSP控制模块(5)通过电压传感器(11)监控高压DC/DC模块(3)输入端电压，如果满足高压DC/DC模块(3)输入电压大于+40V的要求，则DSP控制模块(5)控制高压DC/DC模块(3)完成DC/DC变换，将高压输入转换为+40V直流电压和AC/DC变换器模块(2)的输出并联，同时向磁轴承功放和低压DC/DC模块(8)提供电源；
(4)低压DC/DC模块(8)由AC/DC变换器模块(2)和高压DC/DC模块(3)同时供电，低压DC/DC模块(8)输出+5V和+15V电源为DSP控制模块(5)供电，同时输出+5V、+15V和±15V为磁轴承电机系统提供控制电源。
3.根据权利要求1所述的用于磁悬浮分子泵控制系统的数字电源装置，其特征在于：外部电力失效时，数字电源装置的处理过程为：
(1)DSP控制模块(5)首先将当前电机转速和分子泵设定转速这两个控制参数存储，同时将现场掉电故障通过CAN通信接口(6)反馈给上位机，并在HMI人机接口设备(7)上显示出来；
(2)AC/DC变换器模块(2)和自供电模块(4)停止工作，DSP控制模块(5)控制高压DC/DC模块(3)继续工作，将永磁电机回馈至电机控制系统(1)直流母线的电能转化为+40V直流电压，低压DC/DC模块(8)继续正常工作，为电机控制系统(1)的磁轴承功放部分和控制部分提供所需电源。
4.根据权利要求1所述的用于磁悬浮分子泵控制系统的数字电源装置，其特征在于：所述DSP控制模块(5)在进行AC/DC变换器模块和高压DC/DC模块(3)的DC/DC控制时，采用了基于自校正的电压闭环控制算法，其中采用非线性滑模控制器和PI调节器，同时设计了扩展卡尔曼观测器，对系统的阻尼比和自然振荡频率主要参数进行在线估计，当所估计的参数和预设参数相差达到20％时，才根据估计参数进行控制器的重新设计。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zheng Shiqiang Inventor after: Zhang Yingzi Inventor after: Liu Gang Inventor after: Li Hong Inventor after: Han Bangcheng Inventor after: Mao Kun Inventor before: Li Hong Inventor before: Zhang Yingzi Inventor before: Liu Gang Inventor before: Zheng Shiqiang Inventor before: Han Bangcheng Inventor before: Mao Kun |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160817 |