CN107387563A - 一种磁悬浮轴承控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮轴承控制方法及装置。所述的方法包括：步骤S10：获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb，在DSP中进行位置调节，得到控制电流Iref；步骤S11：FPGA芯片接收输入的控制电流Iref，在FPGA中进行电流调节，输出控制信号；步骤S12：功率放大器接收FPGA输出的控制信号进行处理，实现对轴承线圈的电流值控制，进而实现对轴承转子位置的控制，使得转子能够稳定的悬浮在参考位置。本发明将电流调节设置在FPGA中进行，可大大提高轴承系统的控制效率，另外，由于将电流调节器设置在FPGA中进行，为DSP节省了内存空间，从而极大地提高了整个控制系统的利用率浮技术领域。

Description

一种磁悬浮轴承控制方法及装置
技术领域
本发明涉及磁悬浮轴承控制技术领域，特别涉及一种磁悬浮轴承控制方法及装置。
背景技术
磁悬浮离心机采用磁性轴承，运转时受磁力的作用，轴与轴承无接触转动，减少了齿轮传动产生的能量损失，转速更高，且也不会磨擦轴承，可省去更复杂的润滑回油系统，其为一种工作在无油、无摩擦状态的装置，具有高速、免维护等优点。
磁悬浮轴承是一个复杂的机电耦合系统，由机械系统和控制系统两个大部分组成，常规的磁悬浮轴承控制方法是采用控制器(DSP)+可编程逻辑控制器(FPGA)的方案对轴承进行悬浮控制，如图1所示。在现有的磁悬浮轴承控制方案中，因为在磁悬浮轴承控制器中需要给功率放大器提供20路PWM，而DSP内部资源不足，所以电流调节器与位置调节器都在DSP中进行控制，PWM由FPGA来拓展，对DSP的PWM路数进行了补充，FPGA仅仅用于产生PWM。
然而，在上述现有技术方案中，从效率与成本方面来考虑，由于DSP程序采用串行方式运行，这种轴承控制方法需要耗费大量的运行时间，此外也会占用大量的DSP内存空间，降低了控制效率。
因此，针对上述现有技术方案存在的缺陷，实有必要进行开发研究，以提供一种可节省DSP内存空间，且减少运行时间，提高控制效率的方案。
发明内容
为解决现有存在的技术问题，本发明提出一种磁悬浮轴承控制方法及装置，以节省DSP内存空间，提高程序的运行速度，进而提高控制效率。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
一种磁悬浮轴承控制方法，包括如下步骤：
步骤S10：获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb，在DSP中进行位置调节，得到控制电流Iref；
步骤S11：FPGA接收输入的控制电流Iref，在FPGA中进行电流调节，输出控制信号；
步骤S12：功率放大器接收FPGA输出的控制信号进行处理，实现对轴承线圈的电流值控制，进而实现对轴承转子位置的控制，使得转子能够稳定的悬浮在参考位置。
优选地，步骤S10中，通过位移传感器获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb，将轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb与偏离参考位移值Xref相减，得到的差值在DSP中进行位置调节，以得到控制电流Iref。
优选地，在步骤S11中，还包括如下步骤：
通过电流传感器获取轴承线圈的反馈电流值Ifdb，并将反馈电流值Ifdb为反馈至FPGA。
优选地，所述电流传感器为电涡流传感器。
优选地，在FPGA中，通过减法器进行运算得到控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb的差值，对控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb的差值进行电流调节，得到控制信号，以控制轴承线圈的电流。
本发明还提出一种磁悬浮轴承控制装置，包括DSP模块、FPGA模块、以及功率放大器、线圈、转子；其中，所述DSP模块设置有位置调节器，而所述FPGA模块设置有电流调节器；转子与DSP模块之间设置有位移传感器；线圈与FPGA之间设置有电流传感器。
优选地，所述DSP模块包括有第一减法器，通过第一减法器对输入DSP模块的参考位移值Xref与位移传感器反馈的转子偏离参考位置的反馈值Xfdb进行差值运行；所述FPGA模块包括有第二减法器，通过第二减法器对输入FPGA模块的控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb进行差值运算。
本发明提出的技术方案的有益效果是：
本发明磁悬浮轴承控制方法及装置将电流调节设置在FPGA中进行，由于FPGA采用的编程语言既是一种行为描述语言，也是一种结构描述语言，可描述并行执行的程序结构，通过利用FPGA并行运行的这一特点，可大大提高轴承系统的控制效率。另外，由于将电流调节器设置在FPGA中进行，而不是在DSP中运行，为DSP节省了内存空间，将节省出来的这部分内存空间用于实现其他控制策略及算法，从而极大地提高了整个控制系统的利用率。
附图说明
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是常规磁悬浮轴承控制装置的示意图；
图2是本发明中的磁悬浮轴承控制流程图；
图3是图2中电流调节流程图；
图4是本发明提出的磁悬浮轴承控制装置的示意图。
具体实施方式
参照图2至图4，本发明提出的磁悬浮轴承控制方法首先将转子的参考位移值Xref与位移传感器反馈的转子偏离参考位置的反馈值Xfdb的差值在DSP中计算进行位置调节，得到控制电流Iref；然后在FPGA中将控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb的差值计算进行电流调节，经运算后输出一定占空比的PWM波，作为功率放大器的控制输入信号，最终实现对转子的悬浮控制。
本发明将电流调节设置在FPGA中进行，由于FPGA采用的编程语言既是一种行为描述语言，也是一种结构描述语言，可描述并行执行的程序结构，通过利用FPGA并行运行的这一特点，可大大提高轴承系统的控制效率。
另外，由于将电流调节器设置在FPGA中进行，而不是在DSP中运行，为DSP节省了内存空间，将节省出来的这部分内存空间用于实现其他控制策略及算法，从而极大地提高了整个控制系统的利用率。
图2是本发明一实施例磁悬浮轴承控制方法的流程图，具体包括如下步骤：
步骤S10：获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb，在DSP中进行位置调节，得到控制电流Iref。
具体地，获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb，当转子偏离参考位移值Xref时，将轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb与偏离参考位移值Xref相减，得到的差值在DSP中进行位置调节，进而将这一误差信号转换为控制电流Iref，送入FPGA。
本发明实施例中，通过利用位移传感器获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb。当然，也可以通过振动传感器或者信号采集器获取，所述信号采集器包括但不局限于模拟量信号采集器和无线信号采集器。
本发明实施例中，位移传感器采集轴承转子的位置信息，将采集到的位置信息进行处理，处理转换为轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb，并将处理转换后的轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb进行输出，以此得到轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb。
当采用振动传感器获取时，由振动传感器采集轴承转子的振动信息，将采集到的振动信息计算得到轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb，并将计算得到的轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb进行输出。
当采用信号采集器获取时，可以通过模拟量信号采集器采集轴承转子振动的模拟信息来获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb。
当然，也可以通过获取电路或获取装置获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb。可选的，获取电路获取轴承转子的电流信号或电压信号，通过获取到的电流信号或电压信号与轴承转子振幅的关系，计算得到轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb。
在DSP中进行位置调节时，假设位移传感器的增益为AS，功率放大器的增益为λ，则：
令Kp＝AsλKp，Ki＝AsλKi，Kd＝AsλKd
其中，Kp为比例参数；Ki为积分参数；Kd为微分参数；
即：
根据上述公式计算出控制电流Iref，送入FPGA。
步骤S11：FPGA芯片接收输入的控制电流Iref，在FPGA中进行电流调节。
如图3所示，具体地，在FPGA中将控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb的差值进行电流调节，经运算后输出一定占空比的PWM波，作为功率放大器的控制输入信号。
其中，电流传感器获取轴承线圈的反馈电流值Ifdb，并将反馈电流值Ifdb为反馈至FPGA。反馈电流值Ifdb为轴承线圈工作中的电流值，该电流值在轴承线圈中能够对转子产生一定的作用力，使得转子在该作用力的作用下悬浮或者产生位移。轴承线圈中电流的大小决定了轴承线圈对转子的作用力的大小，轴承线圈中电流越大，则对转子的作用力越大，转子受到的作用力越大，其加速度也就越大；反之，轴承线圈中的电流越小，转子的加速度越小，因此调节轴承线圈的电流实现对转子的加速度的控制，进而控制转子的速度，提高转子位移的控制精度。本发明实施例中，所述电流传感器为电涡流传感器，其可进行不接触测量，可避免产生附加质量，影响测量精度。
FPGA接收来自DSP处理器的控制电流Iref以及电流传感器获取轴承线圈的反馈电流值Ifdb，通过减法器进行运算得到控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb的差值，对控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb的差值进行电流调节，根据如下公式运算生成控制信号，以控制轴承线圈的电流。
Kp为一个比例常数，KI为一个积分增益常数，e(t)为差值。
根据上述公式(3)，将差值放大一个倍数Kp以及将差值进行积分后放大一个倍数KI后，进行求和，即得到输出的控制量u(t)。通过如此运算所得控制量，可消除系统稳态误差，提高控制精度，并且可有效抑制其他信号的干扰。
步骤S12：功率放大器接收FPGA输出的控制信号进行处理，实现对轴承线圈的电流值控制，进而实现对轴承转子位置的控制，使得转子能够稳定的悬浮在参考位置。
相较于常规的轴承控制方法，本发明磁悬浮轴承控制方法将电流调节设置在FPGA中进行，由于FPGA采用的编程语言既是一种行为描述语言，也是一种结构描述语言，可描述并行执行的程序结构，通过利用FPGA并行运行的这一特点，可大大提高轴承系统的控制效率。
另外，由于将电流调节器设置在FPGA中进行，而不是在DSP中运行，为DSP节省了内存空间，将节省出来的这部分内存空间用于实现其他控制策略及算法，从而极大地提高了整个控制系统的利用率。
图4为本发明磁悬浮轴承控制装置的原理结构图。该磁悬浮轴承控制装置包括DSP模块、FPGA模块、以及功率放大器、线圈、转子；其中，DSP模块设置有位置调节器，而FPGA模块设置有电流调节器；转子与DSP模块之间设置有位移传感器；线圈与FPGA之间设置有电流传感器。
具体地，位移传感器获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb，输送至DSP模块，通过位置调节器将转子的参考位移值Xref与位移传感器反馈的转子偏离参考位置的反馈值Xfdb的差值在DSP中计算进行位置调节，得到控制电流Iref，并将控制电流Iref输出至FPGA模块。电流传感器获取轴承线圈的反馈电流值Ifdb，并将反馈电流值Ifdb为反馈至FPGA。通过电流调节器在FPGA中将控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb的差值进行电流调节，经运算后输出一定占空比的PWM波，作为功率放大器的控制输入信号。最后通过功率放大器实现对转子的悬浮控制。
所述DSP模块包括有第一减法器，通过第一减法器对输入DSP模块的参考位移值Xref与位移传感器反馈的转子偏离参考位置的反馈值Xfdb进行差值运行。
所述FPGA模块包括有第二减法器，通过第二减法器对输入FPGA模块的控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb进行差值运算。
本发明磁悬浮轴承控制装置通过在FPGA模块中设置电流器，将电流调节放在FPGA中进行，通过利用FPGA并行运行的这一特点，可大大提高轴承系统的控制效率。另外，由于将电流调节器设置在FPGA模块，为DSP节省了内存空间，将节省出来的这部分内存空间用于实现其他控制策略及算法，从而极大地提高了整个控制系统的利用率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10：获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb ，在DSP中进行位置调节，得到控制电流Iref；
步骤S11：FPGA接收输入的控制电流Iref，在FPGA中进行电流调节，输出控制信号；
步骤S12：功率放大器接收FPGA输出的控制信号进行处理，实现对轴承线圈的电流值控制，进而实现对轴承转子位置的控制，使得转子能够稳定的悬浮在参考位置。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，步骤S10中，通过位移传感器获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb，将轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb与偏离参考位移值Xref相减，得到的差值在DSP中进行位置调节，以得到控制电流Iref。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，步骤S10中，通过振动传感器或者信号采集器获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb，将轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb与偏离参考位移值Xref相减，得到的差值在DSP中进行位置调节，以得到控制电流Iref。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，步骤S10中，通过获取电路获取轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb，获取电路获取轴承转子的电流信号或电压信号，通过获取到的电流信号或电压信号与轴承转子振幅的关系，计算得到轴承转子偏离参考位置的反馈值Xfdb。
5.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，所述信号采集器为模拟量信号采集器或无线信号采集器。
6.根据权利要求1-5任一项所述的磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，在步骤S11中，还包括如下步骤：
通过电流传感器获取轴承线圈的反馈电流值Ifdb，并将反馈电流值Ifdb为反馈至FPGA。
7.根据权利要求6所述的磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，在FPGA中，通过减法器进行运算得到控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb的差值，对控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb的差值进行电流调节，得到控制信号，以控制轴承线圈的电流。
8.一种磁悬浮轴承控制装置，包括DSP模块、FPGA模块、以及功率放大器、线圈、转子；其特征在于：所述DSP模块设置有位置调节器，而所述FPGA模块设置有电流调节器；转子与DSP模块之间设置有位移传感器；线圈与FPGA之间设置有电流传感器。
9.根据权利要求8所述的磁悬浮轴承控制装置，其特征在于：所述DSP模块包括有第一减法器，通过第一减法器对输入DSP模块的参考位移值Xref与位移传感器反馈的转子偏离参考位置的反馈值Xfdb进行差值运行；所述 FPGA模块包括有第二减法器，通过第二减法器对输入FPGA模块的控制电流值Iref与轴承线圈的反馈电流值Ifdb进行差值运算。
10.根据权利要求8所述的磁悬浮轴承控制装置，其特征在于，所述电流传感器为电涡流传感器。
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