CN103939485A - 带有位移传感器自动标定功能的磁悬浮轴承数字控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有位移传感器自动标定功能的磁悬浮轴承数字控制器，不但可以实现主动磁悬浮轴承的控制，还可以自动补偿差分式位移传感器的偏移量。该控制器包含六个部分：DSP芯片、电源模块、加法电路、D/A芯片、位移传感器接口电路以及控制信号输出接口电路。DSP芯片采集转子的位移信号，完成控制算法，并将控制信号通过控制信号输出接口电路输出给功率放大器完成对磁悬浮轴承的控制。同时，自动标定的功能在DSP芯片中编程实现，而加法电路与D/A芯片用来辅助DSP芯片完成对差分式位移传感器偏移量的补偿。

Description

带有位移传感器自动标定功能的磁悬浮轴承数字控制器
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮轴承数字控制器，属于主动磁悬浮轴承控制系统领域。
背景技术
磁悬浮轴承（本发明指主动磁悬浮轴承）是通过定子铁芯与转子铁芯之间的磁场力将转子无接触地悬浮起来的一种新型轴承。它将转子动力学、机械设计、控制理论、电力电子学、电磁学、计算机测试技术及信号处理技术等多项学科的知识结合在一起，是一种典型的机电一体化产品。由于不存在机械接触，其与传统机械轴承相比具有明显的优越性：
●对工作环境要求不高。转子无接触且无机械摩擦，磁悬浮轴承不需要润滑和密封系统；
●使用寿命较长。由于没有机械摩擦，磁悬浮轴承机械接触应力疲劳寿命相比机械轴承要长得多；
●运转速度高。转子和定子没有接触，磁悬浮轴承在理论上能达到的最高转速取决于转子材料的强度，因此，转子圆周线速度比机械轴承支承的转子都要高的多；
●运行效率高。与机械轴承相比，磁悬浮轴承的功耗降低至1/10～1/100。
与传统机械轴承不同，磁悬浮轴承需要一套电控系统才能正常工作。电控系统包括：位移传感器、控制器以及功率放大器三个部分。其中位移传感器用来检测磁悬浮转子相对于平衡位置的偏移量，而控制器则根据这一检测到的偏移量控制磁悬浮轴承，使转子始终悬浮于平衡位置。因此位移传感器的性能直接影响整个磁悬浮轴承的性能。为了减小温度变化以及外界干扰对位移传感器输出信号的影响。现有磁悬浮位移传感器多采用差分的形式，即在同一方向上转子的两侧分别布置两个相同的传感器探头，并将两个传感器探头的几何中心设置在平衡位置。而将两个传感器输出的差值作为转子在该方向上的位移量输出。如此，若转子处于两个探头的几何中心，也就是平衡位置，则位移传感器的输出将为零。
通过差分的方法可以有效的抑制温度变化以及外界干扰对位移传感器输出信号的影响。但是在实际应用中，由于两个传感器探头的性能不可能完全相同。这就导致当转子处于两个传感器探头的中心位置时，传感器的输出并不为零，而是有一定的偏移量。这样将会对磁悬浮轴承的性能产生不利的影响，严重时将导致磁悬浮轴承无法工作。因此需要一种方法来补偿这一偏差。
发明内容
针对磁悬浮轴承差分式位移传感器在检测转子位置时存在偏移量的问题。本发明提供了一种带有传感器自动标定功能的磁悬浮轴承数字控制器。不但能够控制磁悬浮轴承的悬浮而且可以实现对位移传感器偏移量的补偿。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种带有位移传感器自动标定功能的磁悬浮轴承数字控制器，能够消除磁悬浮轴承所配备的差分式位移传感器的偏移量；所述的磁悬浮轴承包括磁悬浮转子以及布置在磁悬浮转子外围的N对差动电磁铁，其中：N为正整数；每对差动电磁铁包括两块磁悬浮电磁铁，分别为磁悬浮电磁铁A、磁悬浮电磁铁B；每对差动电磁铁均配备有一对差分式位移传感器，所述的差分式位移传感器包括两个位移传感器探头，分别为位移传感器探头A、位移传感器探头B；其中，位移传感器探头A与磁悬浮电磁铁A对应，而位移传感器探头B则与磁悬浮电磁铁B对应；所述数字控制器包括DSP芯片、位移传感器接口电路以及控制信号输出电路，DSP芯片通过位移传感器接口电路接收位移传感器探头A、位移传感器探头B采集的位移信号，DSP芯片根据所接收到的位移传感器探头A、位移传感器探头B所反馈的位移信号，依次通过控制信号输出接口电路、功率放大器对磁悬浮轴承的工况进行控制，还包括加法电路和D/A芯片；所述DSP芯片分别针对位移传感器A、位移传感器B预设有偏移量PA、PB，所述偏移量PA或者PB通过D/A芯片的信号转换后，通过加法电路叠加到位移传感器接口电路的输出信号上，作为DSP芯片的输入信号，以完成相应位移传感器A或者B的偏移量补偿。
所述DSP芯片针对位移传感器探头B预设的偏移量PB通过下述步骤获取：首先，DSP芯片接收到位移传感器探头B所反馈的位移信号后，将位移传感器探头B所反馈的位移信号的绝对值|SB|与DSP芯片的寄存器中储存的位移传感器探头A所反馈的位移信号的绝对值|SA|进行大小判别，若位移传感器探头A所反馈的位移信号的绝对值|SA|与位移传感器探头B所反馈的位移信号的绝对值|SB|不一致，则求取绝对值|SB|与绝对值|SA|的差值|SB|-|SA|，所述差值|SB|-|SA|即为DSP芯片针对位移传感器探头B预设的偏移量PB。
所述DSP芯片针对位移传感器探头A预设的偏移量PA通过下述步骤获取：首先，DSP芯片接收到位移传感器探头A所反馈的位移信号后，将位移传感器探头A所反馈的位移信号的绝对值|SA|与DSP芯片的寄存器中储存的位移传感器探头B所反馈的位移信号的绝对值|SB|进行大小判别，若位移传感器探头A所反馈的位移信号的绝对值|SA|与位移传感器探头B所反馈的位移信号的绝对值|SB|不一致，则求取绝对值|SA|与绝对值|SB|的差值|SA|-|SB|，所述差值|SA|-|SB|即为DSP芯片针对位移传感器探头A预设的偏移量PA。
本发明的有益效果是：
1、该控制器能够消除位移传感器偏移量对磁悬浮轴承性能的不利影响；
2、补偿的所有步骤都在磁悬浮轴承控制器内编程实现，无需任何人工操作。
附图说明
图1为本发明所述带有传感器自动标定功能的磁悬浮轴承数字控制器的原理框图；
图2为本发明所述差分式位移传感器与磁悬浮轴承电磁铁的安装位置示意图；
图3是本发明所述带有传感器自动标定功能的磁悬浮轴承数字控制器的流程图；
图中标号名称：1、DSP芯片、2、电源模块、3、加法电路、4、D/A芯片、5、位移传感器接口电路、6、控制信号输出接口电路、7、磁悬浮电磁铁A、8、位移传感器探头A、9、磁悬浮电磁铁B、10、位移传感器探头B、11、磁悬浮转子。
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。
如图2所示，公开了差分式位移传感器与磁悬浮轴承电磁铁的安装位置示意图；所述的磁悬浮轴承包括磁悬浮转子以及布置在磁悬浮转子外围的N对差动电磁铁，其中：N为正整数，一般磁悬浮轴承需要5对差动电磁铁；每对差动电磁铁包括两块磁悬浮电磁铁，分别为磁悬浮电磁铁A、磁悬浮电磁铁B；每对差动电磁铁均配备有一对差分式位移传感器，所述的差分式位移传感器包括两个位移传感器探头，用来检测转子在竖直方向上的位移，分别为位移传感器探头A、位移传感器探头B；其中，位移传感器探头A与磁悬浮电磁铁A对应，而位移传感器探头B则与磁悬浮电磁铁B对应；因此，由于磁悬浮轴承的定子结构同样是采用一对差动的电磁铁来控制转子在某一方向上的运动，而电磁铁与位移传感器探头在位置上存在一一对应关系。换言之，每一个传感器探头都有一个电磁铁与之对应。因此，通过磁悬浮轴承的控制器编程，使某一电磁铁通电，由于电磁力的吸引，转子将会贴近该电磁铁，同样贴近了与该电磁铁相对应的位移传感器探头。此时该位移传感器的输出信号反映了转子位于差分传感器一端时的情况，采集该输出信号，并保存在控制器的存储单元中。随后，通过控制器切断该电磁铁中的电流，并使与之相对的另一个电磁铁通电，同样在电磁力的作用下，转子将离开原来的位置转而贴近另一个电磁铁，此时转子同样贴近了差分传感器中的另一个检测探头；图中：磁悬浮电磁铁A7与磁悬浮电磁铁B9则分别与传感器探头A与B对应，用来控制转子在竖直方向上的位移。由于位移传感器探头A8与位移传感器探头B10性能上存在差异，造成位移传感器的输出有一个偏移量。
如图1所示，公开了本发明所述的带有传感器自动标定功能的磁悬浮轴承数字控制器的原理框图；该数字控制器包括DSP芯片、位移传感器接口电路、控制信号输出电路、加法电路和D/A芯片，其中：
由于DSP芯片1一般都带有A/D转换功能，因此该控制器不需要附加的A/D转换芯片。其中，DSP芯片1是整个控制器的核心部分，它采集转子的位移信号，完成控制算法，有多种可用的控制算法，最常用是PID控制方法，直接采用现有技术即可；并将控制信号通过控制信号输出接口电路6输出给功率放大器完成对磁悬浮轴承的控制，在本发明中DSP芯片还附加有自动标定的程序。电源模块2用来将市电调理为控制器工作所需要的直流电。位移传感器接口电路5用来接收位移传感器测量探头检测到的转子位移信号。加法电路3与D/A芯片4用来辅助DSP芯片完成对差分式位移传感器偏移量的补偿。下面结合图2说明自动标定补偿偏移量的步骤。步骤如下：
1.通过DSP芯片输出的控制信号，使得磁悬浮电磁铁A7通电而磁悬浮电磁铁B9不通电。于是磁悬浮电磁铁A7将对转子11产生电磁力。在电磁力的作用下转子将贴紧磁悬浮电磁铁A7同时也就贴紧了位移传感器探头A8，将此位置称为位置A。此时，通过DSP芯片采样转子在位置A时位移传感器的输出信号，并将此数据保存在DSP芯片的寄存器中。随后，通过DSP芯片输出另一个控制信号，使得磁悬浮电磁铁B9通电而磁悬浮电磁铁A7不通电。同理，转子将贴紧磁悬浮电磁铁B9与位移传感器探头B10，将此位置称为位置B，同样通过DSP芯片1采样并保存转子在位置B时位移传感器的输出信号。若两个传感器探头的性能完全一样，则位置A时位移传感器的输出信号在数值上应该等于位置B时位移传感器的输出信号，只是符号相反。但是实际上这两个值并不相等。于是在DSP芯片1中将位置A时的输出信号与位置B时的输出信号取绝对值并相减，得到的差值就是由两个传感器性能差异而导致的偏移量，将这个偏移量取反，并通过D/A芯片4输出，再通过加法电路3将其叠加到位移传感器的输出信号上，这样就完成了对位移传感器偏移量的补偿。之后控制器开启磁悬浮轴承控制程序，则磁悬浮轴承将不再会受到位移传感器偏移量的影响。加法电路是现有成熟的东西，由运放构成的，D/A芯片有很多可用的型号，但是有要求。一般的磁悬浮轴承有五个自由度，就是有5对差分的位移传感器，那D/A芯片至少有5个通道。
综上所述，本发明所述DSP芯片获取位移传感器探头A、位移传感器探头B的偏移量方法雷同，以下以位移传感器探头A为例说明该方法，包括以下步骤：首先，DSP芯片接收到位移传感器探头A所反馈的位移信号后，将位移传感器探头A所反馈的位移信号的绝对值|SA|与DSP芯片的寄存器中储存的位移传感器探头B所反馈的位移信号的绝对值|SB|进行大小判别，若位移传感器探头A所反馈的位移信号的绝对值|SA|与位移传感器探头B所反馈的位移信号的绝对值|SB|不一致，则求取绝对值|SA|与绝对值|SB|的差值|SA|-|SB|，所述差值|SA|-|SB|即为DSP芯片针对位移传感器探头A预设的偏移量PA。
另外，本发明所述的偏移量PA也可以不通过在DSP芯片预设编程程序获取，事实上，其可以通过对位移传感器探头A、位移传感器探头B进行性能测试时，获取偏移量PA，然后将该数值置入DSP芯片中，作为偏移量PA预设值，可以简化DSP芯片的程序运行过程，缩短控制时间。另外，偏移量可能随温度、湿度等环境因素而改变，因而，这种定值的偏移量设定在环境改变时修正效果就不太好。

Claims (3)

1.一种带有位移传感器自动标定功能的磁悬浮轴承数字控制器，能够消除磁悬浮轴承所配备的差分式位移传感器的偏移量；所述的磁悬浮轴承包括磁悬浮转子以及布置在磁悬浮转子外围的N对差动电磁铁，其中：N为正整数；每对差动电磁铁包括两块磁悬浮电磁铁，分别为磁悬浮电磁铁A、磁悬浮电磁铁B；每对差动电磁铁均配备有一对差分式位移传感器，所述的差分式位移传感器包括两个位移传感器探头，分别为位移传感器探头A、位移传感器探头B；其中，位移传感器探头A与磁悬浮电磁铁A对应，而位移传感器探头B则与磁悬浮电磁铁B对应；所述数字控制器包括DSP芯片、位移传感器接口电路以及控制信号输出电路，DSP芯片通过位移传感器接口电路接收位移传感器探头A、位移传感器探头B采集的位移信号，DSP芯片根据所接收到的位移传感器探头A、位移传感器探头B所反馈的位移信号，依次通过控制信号输出接口电路、功率放大器对磁悬浮轴承的工况进行控制，其特征在于，还包括加法电路和D/A芯片；所述DSP芯片分别针对位移传感器A、位移传感器B预设有偏移量PA、PB，所述偏移量PA或者PB通过D/A芯片的信号转换后，通过加法电路叠加到位移传感器接口电路的输出信号上，作为DSP芯片的输入信号，以完成相应位移传感器A或者B的偏移量补偿。
2.根据权利要求1所述带有位移传感器自动标定功能的磁悬浮轴承数字控制器，其特征在于，所述DSP芯片针对位移传感器探头B预设的偏移量PB通过下述步骤获取：首先，DSP芯片接收到位移传感器探头B所反馈的位移信号后，将位移传感器探头B所反馈的位移信号的绝对值|SB|与DSP芯片的寄存器中储存的位移传感器探头A所反馈的位移信号的绝对值|SA|进行大小判别，若位移传感器探头A所反馈的位移信号的绝对值|SA|与位移传感器探头B所反馈的位移信号的绝对值|SB|不一致，则求取绝对值|SB|与绝对值|SA|的差值|SB|-|SA|，所述差值|SB|-|SA|即为DSP芯片针对位移传感器探头B预设的偏移量PB。
3.根据权利要求1所述带有位移传感器自动标定功能的磁悬浮轴承数字控制器，其特征在于，所述DSP芯片针对位移传感器探头A预设的偏移量PA通过下述步骤获取：首先，DSP芯片接收到位移传感器探头A所反馈的位移信号后，将位移传感器探头A所反馈的位移信号的绝对值|SA|与DSP芯片的寄存器中储存的位移传感器探头B所反馈的位移信号的绝对值|SB|进行大小判别，若位移传感器探头A所反馈的位移信号的绝对值|SA|与位移传感器探头B所反馈的位移信号的绝对值|SB|不一致，则求取绝对值|SA|与绝对值|SB|的差值|SA|-|SB|，所述差值|SA|-|SB|即为DSP芯片针对位移传感器探头A预设的偏移量PA。
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