CN107769659A - 高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统及控制方法。该系统包括上位机以及五个控制单元；控制单元包括DSP控制器、信号隔离电路、功率电路(三相全桥IPM)、信号调理单元以及传感器；上位机实时显示转子的位移，并可以输入给定信号到DSP控制器，当转子偏离平衡位置时，通过传感器检测转子距平衡位置偏离的位移，并将位移转化成电压信号，经过信号调理单元后反馈给DSP控制器，DSP经过算法运算后，再输出PWM控制信号，控制功率电路中的功率开关管动作，以调节电磁轴承中线圈的电流值，使转子稳定悬浮。一个DSP控制器以及三相全桥IPM的设置不仅使整个控制系统的集成程度高，同时可以增强磁悬浮轴承的抗干扰能力，提高了轴承的使用寿命。

Description

高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于电磁力支撑装置，具体涉及一种高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统及控制方法。

背景技术

磁悬浮轴承是利用电磁力实现转子和定子之间无机械接触的性能极高的新型轴承，与传统轴承相比，磁悬浮轴承具有不存在机械摩擦，不需要润滑，工作环境要求低，效率更高的特点。

常规的电磁轴承控制器通常采用两块DSP或者DSP+FPGA的控制方式，以输出10路不同的PWM控制信号进行控制，同时功率电路中的驱动电路、隔离电路和功率主电路通常采用独立元器件组成，并且双极式H型主电路采用了传统的两个功率开关管和两个二极管搭建而成，导致后期调试十分不便，同时，控制电路的成本也比较大。

发明内容

为了解决常规电磁轴承控制器集成化程度不高，调试和维护不便的问题，设计了一种高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统及控制方法。

本发明的基本原理是：

采用以三相全桥IPM作为功率电路进行控制，只选用其U、V、W三相输出的其中U、V两相，即控制六个功率开关管的其中的两个，构成双极式H型主电路，在轴承端盖处安装的位移传感器为接收元件，以接收到的转子偏转的距离信号为控制参考，通过位移调理电路闭环为外环和电流调理电路闭环为内环的控制方式，来实时地调节电机转子移动的距离，达到让转子稳定悬浮在平衡位置的目的，实现无接触运行。

本发明解决技术问题采用的技术方案具体是：

本发明提供了一种高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统，其特征在于：包括上位机以及五个控制单元；

控制单元包括DSP控制器、信号隔离电路、功率电路、信号调理单元以及传感器；

所述上位机与DSP控制器相互连接，DSP控制器输出的控制信号经过所述信号隔离电路发送至功率电路，功率电路与待控制磁悬浮轴承的线圈连接，待控制磁悬浮轴承的端盖上分别安装传感器，传感器检测磁悬浮轴承转子距离平衡位置的位移和磁悬浮轴承线圈中的电流通过信号调理单元将电流信号和位移信号回传至DSP控制器；

所述DSP控制器为TMS320F28377D芯片，该芯片采用双核结构，具有24路增强功能的EPWM输出，20路12位或者10路16位的A/DC模数转换器；所述功率电路采用2路三相全桥IPM。

进一步地，所述DSP控制器包括位置环调节器、第三比较器、第四比较器以及电流环调节器；

位置环调节器包括第一比较器、PID环节、网络校正环节以及限幅环节；信号调理单元的位移信号作为第一比较器的反向输入，上位机提供的目标位置信号作为第一比较器的正向输入，第一比较器的输出依次通过PID环节、网络校正环节、限幅环节后作为第三比较器的正向输入和第四比较器反向输入；第二比较器的反向输入以及第三比较器的正向输入分别来自于上位机提供的偏置电流；第二比较器和第三比较器的输出分别作为电流环调节器的两路输入；

电流环调节器包括与第二比较器和第三比较器发送来的两路输入分别对应两路PWM信号产生单元；

PWM信号产生单元包括第四比较器、PI环节、三电平脉宽调制环节；

信号调理单元的电流信号作为第四比较器的反向输入，第二比较器或第三比较器的输出作为第四比较器的正向输入；第四比较器的输出依次经过PI环节、三电平脉宽调制环节产生控制1路三相全桥IPM动作的PWM信号。

进一步地，所述信号隔离电路采用20路由光耦6N137构成的隔离电路，利用光电隔离原理，对PWM信号进行隔离。

进一步地，所述传感器包括位移传感器以及电流传感器，位移传感器用于检测转子距离平衡位置的位移；电流传感器用于检测线圈中的电流，再将检测到的位移信号和电流信号转化成电压值。

进一步地，所述信号调理单元包括电流调理电路和位移调理电路；所述电流调理电路负责将电流传感器检测到的线圈电流信号进行滤波处理和放大处理；

所述位移调理电路负责将转子距离平衡位置的位移信号进行滤波处理和放大处理。

基于上述高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统的系统架构的描述，现对采用其进行磁悬浮轴承的控制方法进行描述，其中，磁悬浮轴承的每一个自由度均按照以下步骤执行，其具体包括：

1)上位机始终发送转子的目标位置信号作为第一比较器的正向输入，并同时向第二比较器和第三比较器输入一个偏置电流i₀；

2)当转子处于偏离目标位置时，位移传感器将感应出的转子偏离平衡位置的位移转化成电压反馈信号；

3)电压反馈信号经过位移调理电路进行滤波放大处理，得到进入位置环调节器的位移反馈信号，并将该位移反馈信号作为第一比较器的反向输入；

4)通过第一比较器将所述位移反馈信号与上位机给定的目标位置信号进行比较计算，得到转子的位移误差信号；

5)位移误差信号经过位置环调节器的PID环节、网络校正环节以及限幅环节进行运算，得到控制电流指令i_c；

6)控制电流指令i_c与偏置电流i₀在第二比较器和第三比较器上进行运算，分别得到待控制电机两个线圈的差动控制电流指令i₀+i_c和i₀-i_c；

7)电流传感器实时检测两个线圈中的电流值，经过电流调理电路进行滤波放大，得到进入电流环调节器的两个电流反馈信号，并将其作为两路PWM信号产生单元的输入；

8)两个差动控制电流指令i₀+i_c和i₀-i_c与两个电流反馈信号分别于每一路PWM信号产生单元中的第四比较器进行比较计算，得到两个电流误差信号；

9)两个电流误差信号分别依次经过PI环节、三电平脉宽调制环节的运算，得到两路分别用于控制两路三相全桥IPM动作的PWM信号：两路PWM信号包括PWM1A信号、PWM1B信号，PWM2A信号、PWM2B信号；其中，PWM1A信号、PWM1B信号之间具有延迟，PWM2A信号、PWM2B信号之间具有延迟。

10)PWM信号经过信号隔离电路进行隔离后分别驱动两路三相全桥IPM的U、V两相，得到两个线圈的输出电流，从而形成电磁力实现对磁悬浮轴承任意一个自由度的控制。

本发明的有益效果是：

1、本发明控制系统和控制方法中，位移传感器在线监测转子的状态信息，采集到的信号经过位移调理单元后传给DSP控制器，DSP控制器根据传过来的位移信号，经过运算处理后通过隔离电路送给三相全桥IPM，进而主动控制线圈中的电流转化成的电磁力大小，实现转子与轴承间的无接触相对旋转运动，达到无机械磨损、无需润滑、功耗低、的目的；一个DSP控制器以及三相全桥IPM的设置不仅使整个控制系统的集成程度高，同时可以增强磁悬浮轴承的抗干扰能力，降低系统的功耗提高了轴承的使用寿命。

2、本发明采用三相全桥IPM，利用分别控制U相的上功率管和V相的下功率管，而U相的下管和V相的上管的栅极控制端接地处理，不让其导通，只利用其反向并联的续流二极管，这样就构成了双极式H型主电路；上下管的导通时间始终有一定的延迟，开关管导通方式存在同时开、同时关、一开一关三种状态，即三电平控制方式，包含了对线圈的充电、放电、续流三个环节，能够有效地降低输出电流的纹波，同时由于其内部集成驱动和保护电路，可以节省该部分电路所占的空间，增强控制系统抗干扰的能力的同时降低了系统的制造成本。

3、本发明利用常见的电机用三相全桥IPM改造成电磁轴承用三相全桥IPM，减少后期调试的复杂性，方便后期元器件的维护。

4、通过上位机与DSP之间的数据通信，可以实现上下级的交互运行，由于上位机具有显示功能，因此既能在线给定控制信号，也能在线监测转子位移和线圈电流等重要信息，方便后期调试。

5、本发明的功率放大电路(三相全桥IPM)的母线电压源输入方便，通常为市电220V整流后的直流电压，具有足够的伏安量，这样可以有效提高电磁轴承电流和电磁力的响应速度，增加功率放大器的带宽。

附图说明

图1为本发明控制系统原理框图；

图2为TMS320F28377D芯片结构框图；

图3为DSP控制器的结构框图；

图4为本发明的详细控制原理示意图；

图5为信号隔离电路图；

图6为一路三相全桥IPM电路图；

图7为电流调理电路图；

图8为位移调理电路图；

图9为40％占空比的端电压示意图；

图10为50％占空比的端电压示意图；

图11为70％占空比的端电压示意图。

其中图1的附图标记如下：

1-上位机、2-DSP控制器、3-信号隔离电路、4-功率电路、5-线圈、6-转子、7-传感器、8-信号调理单元。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明以五自由度电磁轴承为被控对象进行说明，当然也不仅限于此，可以根据需要减少或者增加自由度，以满足不同的需要。

高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统主要包括控制部分、功率部分和信号调理部分，控制部分是整个控制系统的核心，它负责信号的处理与给定。功率部分主要负责能量的传递。信号调理部分则负责采样到的信号的滤波和放大工作，以便能准确传递给DSP控制器处理。

待测电机的线圈通过不同的电流会转化成不同的电磁力去吸引电机转子移动，五自由度分别指转子前端的X方向和Y方向，后端的X方向和Y方向以及轴向Z方向这五个自由度。

如图1所示，本发明的实施例提供了高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统包括：上位机1和五个控制单元；每个控制单元均包括DSP控制器2、信号隔离电路3、功率电路4、信号调理单元8以及传感器7；

所述上位机1与DSP控制器2相互连接，DSP控制器2输出的控制信号经过所述信号隔离电路3发送至功率电路4，功率电路4与待控制磁悬浮轴承的线圈5连接，待控制磁悬浮轴承的端盖上分别安装传感器7，传感器7检测待控制磁悬浮轴承的转子距离平衡位置的位移和待控制电机线圈中的电流通过信号调理单元8将电流信号和位移信号回传至DSP控制器2；

其中，如图2所示，DSP控制器2为TMS320F28377D芯片，该芯片采用双核结构，具有24路增强功能的EPWM输出，20路12位或者10路16位的A/DC模数转换器；功率电路4采用2路三相全桥IPM。如图6所示，特别说明的是在采用一路三相全桥IPM时，只用到U、V、W三相输出中的U、V两相，且经过光耦隔离后的PWM控制信号仅连接U相的上功率开关管和V相的下功率开关管，其他四个功率开关管的控制端连接地，目的是为了利用U相的下功率开关管的续流二极管和V相上功率开关管的续流二极管构成双极式H型主电路，由于三相全桥IPM内部集成驱动和保护电路，可以节省该部分电路所占的空间，增强控制系统抗干扰的能力。

下面结合附图对该系统中的各个组成部分进行介绍：

如图3所示，DSP控制器的具体结构是：包括位置环调节器、第三比较器、第四比较器以及电流环调节器；

位置环调节器包括第一比较器、PID环节、网络校正环节以及限幅环节；信号调理单元的位移信号作为第一比较器的反向输入，上位机提供的目标位置信号作为第一比较器的正向输入，第一比较器的输出依次通过PID环节、网络校正环节、限幅环节后作为第三比较器的正向输入和第四比较器反向输入；第二比较器的反向输入以及第三比较器的正向输入分别来自于上位机提供的偏置电流；第二比较器和第三比较器的输出分别作为电流环调节器的两路输入；电流环调节器包括与第二比较器和第三比较器发送来的两路输入分别对应两路PWM信号产生单元；PWM信号产生单元包括第四比较器、PI环节、三电平脉宽调制环节；信号调理单元的电流信号作为第四比较器的反向输入，第二比较器或第三比较器的输出作为第四比较器的正向输入；第四比较器的输出依次经过PI环节、三电平脉宽调制环节产生控制1路三相全桥IPM动作的PWM信号。

信号隔离部分如图5所示，主要是对强弱电之间进行隔离，以免强电干扰到弱电部分电路的工作，保护其不受损坏，本电路采用的隔离芯片是光耦6N137，利用光电原理实现前端PWM信号和后端控制信号的隔离。

具体来说，信号调理单元包括电流调理电路和位移调理电路；所述电流调理电路负责将电流传感器检测到的线圈电流信号进行滤波处理和放大处理；位移调理电路负责将转子距离平衡位置的位移信号进行滤波处理和放大处理。信号调理单元如图7和8所示，它主要包括位移调理电路和电流调理电路，位移调理电路主要由运放AD822构成有源低通滤波器，消除高频的干扰，电流调理电路由运放AD822构成减法器和放大器，以扩大DSP内部自带AD的转化范围，提高采样精度。

传感器包括电流传感器以及位移传感器；位移传感器实时检测电机转子偏离平衡位置的距离，并将检测到的距离转化成电压信号送给位移调理电路，经过放大和滤波后输出给DSP控制器，DSP根据此信号进行算法处理，形成位移闭环控制，输出相应的PWM信号控制功率电路中开关管的通断，进而调节线圈中流过电流的大小。这里所述的位移传感器的精度决定了转子最后稳定悬浮的精度,要具有一定抵抗来自电磁干扰，以及电磁铁交变磁场干扰的能力，电流传感器要具有较高的响应频率范围，和较好的线性度和分辨力。

电流传感器实时检测线圈电流的值，并将检测到的电流转化成电压信号送给电流调理电路，同样经过放大滤波后输出给DSP控制器进行运算，形成电流闭环控制，限制线圈中电流的极限值。

根据上述对控制系统的描述，现对其具体的控制方法进行介绍：

如图4所示，以其中磁悬浮轴承的任意一个自由度为例进行以下步骤执行，其具体包括：

步骤1)上位机始终发送转子的目标位置信号作为第一比较器的正向输入，并同时向第二比较器和第三比较器输入一个偏置电流i₀；

步骤2)当转子处于偏离目标位置时，位移传感器将感应出的转子偏离平衡位置的位移转化成电压反馈信号；

步骤3)电压反馈信号经过位移调理电路进行滤波放大处理，得到进入位置环调节器的位移反馈信号，并将该位移反馈信号作为第一比较器的反向输入；

步骤4)通过第一比较器将所述位移反馈信号与上位机给定的目标位置信号进行比较计算，得到转子的位移误差信号；

步骤5)位移误差信号经过位置环调节器的PID环节、网络校正环节以及限幅环节进行运算，得到控制电流指令i_c；

步骤6)控制电流指令i_c与偏置电流i₀在第二比较器和第三比较器上进行运算，分别得到待控制电机两个线圈的差动控制电流指令i₀+i_c和i₀-i_c；

步骤7)电流传感器实时检测两个线圈中的电流值，经过电流调理电路进行滤波放大，得到进入电流环调节器的两个电流反馈信号，并将其作为两路PWM信号产生单元的输入；

步骤8)两个差动控制电流指令i₀+i_c和i₀-i_c与两个电流反馈信号分别于每一路PWM信号产生单元中的第四比较器进行比较计算，得到两个电流误差信号；

9)两个电流误差信号分别依次经过PI环节、三电平脉宽调制环节的运算，得到两路分别用于控制两路三相全桥IPM动作的PWM信号：两路PWM信号包括PWM1A信号、PWM1B信号，PWM2A信号、PWM2B信号；其中，PWM1A信号、PWM1B信号之间具有延迟，PWM2A信号、PWM2B信号之间具有延迟。

具体延迟的过程由三电平脉宽调制方法实现，以其中的一组PWM信号PWM1A和PWM1B为例进行说明。当PWM1A和PWM1B的动作方式完全相反时，设置PWM1A的占空比为D，同时设置PWM1B的占空比为1-D，即可实现三电平脉宽调制方式，图9,10,11所示为占空比D分别为40％、50％和70％的情况下负载端电压值的变化，可知整个调制过程中存在+Udc、-Udc和0三种电压状态。

10)PWM信号经过信号隔离电路进行隔离后分别驱动两路三相全桥IPM的U、V两相，得到两个线圈的输出电流，从而形成电磁力实现对磁悬浮轴承任意一个自由度的控制。

分别采用上述步骤同时利用五个控制单元和上位机进行交互，从而可以实现五自由度磁悬浮轴承的控制。

Claims (6)

1.一种高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统，其特征在于：包括上位机以及五个控制单元；

控制单元包括DSP控制器、信号隔离电路、功率电路、信号调理单元以及传感器；

所述上位机与DSP控制器相互连接，DSP控制器输出的控制信号经过所述信号隔离电路发送至功率电路，功率电路与待控制磁悬浮轴承的线圈连接，待控制磁悬浮轴承端盖上分别安装传感器，传感器检测磁悬浮轴承转子距离平衡位置的位移和磁悬浮轴承线圈中的电流通过信号调理单元将电流信号和位移信号回传至DSP控制器；

所述DSP控制器为TMS320F28377D芯片，该芯片采用双核结构，具有24路增强功能的EPWM输出，20路12位或者10路16位的A/DC模数转换器；所述功率电路采用2路三相全桥IPM。

2.根据权利要求1所述的高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统，其特征在于：DSP控制器包括位置环调节器、第三比较器、第四比较器以及电流环调节器；

位置环调节器包括第一比较器、PID环节、网络校正环节以及限幅环节；信号调理单元的位移信号作为第一比较器的反向输入，上位机提供的目标位置信号作为第一比较器的正向输入，第一比较器的输出依次通过PID环节、网络校正环节、限幅环节后作为第三比较器的正向输入和第四比较器反向输入；第二比较器的反向输入以及第三比较器的正向输入分别来自于上位机提供的偏置电流；第二比较器和第三比较器的输出分别作为电流环调节器的两路输入；

电流环调节器包括与第二比较器和第三比较器发送来的两路输入分别对应两路PWM信号产生单元；

PWM信号产生单元包括第四比较器、PI环节、三电平脉宽调制环节；

信号调理单元的电流信号作为第四比较器的反向输入，第二比较器或第三比较器的输出作为第四比较器的正向输入；第四比较器的输出依次经过PI环节、三电平脉宽调制环节产生控制1路三相全桥IPM动作的PWM信号。

3.根据权利要求2所述的高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统，其特征在于：所述信号隔离电路采用20路由光耦6N137构成的隔离电路，利用光电隔离原理，对PWM信号进行隔离。

4.根据权利要求3所述的高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统，其特征在于：所述传感器包括位移传感器以及电流传感器，位移传感器用于检测转子距离平衡位置的位移；电流传感器用于检测线圈中的电流，再将检测到的位移信号和电流信号转化成电压值。

5.根据权利要求4所述的高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统，其特征在于：所述信号调理单元包括电流调理电路和位移调理电路；所述电流调理电路负责将电流传感器检测到的线圈电流信号进行滤波处理和放大处理；

所述位移调理电路负责将转子距离平衡位置的位移信号进行滤波处理和放大处理。

6.基于权利要求5高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统的系统的控制方法，其特征在于：其中，磁悬浮轴承的每一个自由度均按照以下步骤执行，其具体包括：

1)上位机始终发送转子的目标位置信号作为第一比较器的正向输入，并同时向第二比较器和第三比较器输入一个偏置电流i₀；

2)当转子处于偏离目标位置时，位移传感器将感应出的转子偏离平衡位置的位移转化成电压反馈信号；

3)电压反馈信号经过位移调理电路进行滤波放大处理，得到进入位置环调节器的位移反馈信号，并将该位移反馈信号作为第一比较器的反向输入；

4)通过第一比较器将所述位移反馈信号与上位机给定的目标位置信号进行比较计算，得到转子的位移误差信号；

5)位移误差信号经过位置环调节器的PID环节、网络校正环节以及限幅环节进行运算，得到控制电流指令i_c；

6)控制电流指令i_c与偏置电流i₀在第二比较器和第三比较器上进行运算，分别得到待控制电机两个线圈的差动控制电流指令i₀+i_c和i₀-i_c；

7)电流传感器实时检测两个线圈中的电流值，经过电流调理电路进行滤波放大，得到进入电流环调节器的两个电流反馈信号，并将其作为两路PWM信号产生单元的输入；

8)两个差动控制电流指令i₀+i_c和i₀-i_c与两个电流反馈信号分别与每一路PWM信号产生单元中的第四比较器进行比较计算，得到两个电流误差信号；

9)两个电流误差信号分别依次经过PI环节、三电平脉宽调制环节的运算，得到两路分别用于控制两路三相全桥IPM动作的PWM信号：两路PWM信号包括PWM1A信号、PWM1B信号，PWM2A信号、PWM2B信号；其中，PWM1A信号、PWM1B信号之间具有延迟，PWM2A信号、PWM2B信号之间具有延迟；

10)PWM信号经过信号隔离电路进行隔离后分别驱动两路三相全桥IPM的U、V两相，得到两个线圈的输出电流，从而形成电磁力实现对磁悬浮轴承任意一个自由度的控制。