CN109340260A - 一种五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器 - Google Patents

一种五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，包括左右磁悬浮轴承、微处理器、第一至第五位移差动放大器、隔离驱动电路、励磁功率电路和励磁绕组；左磁悬浮轴承上设有第一至第四位移传感器和左轴向位移传感器；右磁悬浮轴承上设有第五至第八位移传感器和右轴向位移传感器；第一至第五位移差动放大器的输出端均连接微处理器；左右磁悬浮轴承上均设有励磁绕组，微处理器、隔离驱动电路、励磁功率电路、励磁绕组依次连接。本发明将对称区间两个自由度位移信息作为一个位移差动放大器的两个输入信号，需要A/D转换的模拟量路数减少一半，一个控制周期内所需A/D转换时间减少一半，控制周期短，有益于提高实时控制效果。

Description

一种五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器
技术领域
本发明涉及一种五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器。
背景技术
轴承是传动系统的重要部件，磁悬浮轴承较机械轴承具有很多优点，如何保证让磁悬浮轴承能安全、正常工作，电励磁控制器是关键因素之一。目前，五自由度电励磁磁悬浮轴承控制器应用中大体有如下两种类型：第一种类型以分立器件为主，配合少量集成逻辑电路，硬件PID的控制器；第二种类型以微处理器为核心部件，但各个位移量数据处理都独立，信息没有集中管理、协调控制等，控制周期长，效率低，上述各类控制器有其优点，但也存在不足之处。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、控制周期短的五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，包括电机和位于电机两侧的左右磁悬浮轴承，还包括微处理器、第一至第五位移差动放大器、隔离驱动电路、励磁功率电路和励磁绕组；左磁悬浮轴承上沿其径向设有第一至第四位移传感器，分别用于测量左磁悬浮轴承第Ⅰ至第Ⅳ象限的径向位移信号，左磁悬浮轴承上沿其轴向设有左轴向位移传感器，用于测量左磁悬浮轴承轴向位移信号；右磁悬浮轴承上沿其径向设有第五至第八位移传感器，用于测量右磁悬浮轴承第Ⅰ至第Ⅳ象限的径向位移信号，右磁悬浮轴承上沿其轴向设有右轴向位移传感器，用于测量右磁悬浮轴承轴向位移信号；所述第一位移传感器、第三位移传感器的输出端与第一位移差动放大器的输入端相连，第二位移传感器、第四位移传感器的输出端与第二位移差动放大器的输入端相连，第五位移传感器、第七位移传感器的输出端与第三位移差动放大器的输入端相连，第六位移传感器、第八位移传感器的输出端与第四位移差动放大器的输入端相连，左轴向位移传感器、右轴向位移传感器的输出端与第五位移差动放大器的输入端相连，第一至第五位移差动放大器的输出端均连接微处理器；左右磁悬浮轴承上均设有励磁绕组，所述微处理器、隔离驱动电路、励磁功率电路、励磁绕组依次连接，微处理器通过PWM信号驱动，以定频调节脉冲宽度的方式调节励磁绕组中的电流，实现磁悬浮轴承各自由度区的平衡。
上述五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，所述微处理器内置A/D转换器，A/D转换器具有第一至第五A/D接口，所述第一至第五位移差动放大器的输出端分别连接第一至第五A/D接口。
上述五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，所述微处理器内置十路I/O接口和十路PWM输出端，十路I/O接口和十路PWM输出端分别连接到十路隔离驱动电路的输入端，十路隔离驱动电路输出的PWM脉宽和I/O开关电平分别连接到十路励磁功率电路的输入端，左右磁悬浮轴承各自由度区的励磁绕组连接到十路励磁功率电路的输出端。
上述五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，所述励磁绕组包括左磁悬浮轴承第Ⅰ至第Ⅳ象限径向绕组A11A12- A41A42、右磁悬浮轴承第Ⅰ至第Ⅳ象限径向绕组B11B12-B41B42、左轴承励磁绕组C11C12和右轴承励磁绕组C21C22；
左磁悬浮轴承第Ⅰ象限径向绕组A11A12中的励磁电流和第Ⅲ象限径向绕组A31A32中的励磁电流受控于第一位移差动放大器的输出量，左磁悬浮轴承第Ⅰ象限径向绕组A11A12绕组连接到第一路励磁功率电路的输出端，A11接正端，A12接负端；左磁悬浮轴承第Ⅲ象限径向绕组A31A32连接到第三路励磁功率电路的输出端，A31接正端，A32接负端；左磁悬浮轴承第Ⅱ象限径向绕组A21A22和第Ⅳ象限径向绕组A41A42中的励磁电流受控于第二位移差动放大器的输出量，左磁悬浮轴承第Ⅱ象限径向绕组A21A22连接到第二路励磁功率电路的输出端，A21接正端，A22接负端；左磁悬浮轴承第Ⅳ象限径向绕组A41A42绕组接到第四路励磁功率电路的输出端，A41接正端，A42接负端；
右磁悬浮轴承第Ⅰ象限径向绕组B11B12和第Ⅲ象限径向绕组B31B32中的励磁电流受控于第三位移差动放大器的输出量, 右磁悬浮轴承第Ⅰ象限径向绕组B11B12绕组连接到第五路励磁功率电路的输出端，B11接正端，B12接负端；右磁悬浮轴承第Ⅲ象限径向绕组B31B32绕组接至第七路励磁功率电路的输出端，B31接正端，B32接负端；右磁悬浮轴承第Ⅱ象限径向绕组B21B22和第Ⅳ象限径向绕组B41B42中的电流受控于第四位移差动放大器的输出量，右磁悬浮轴承第Ⅱ象限径向绕组B21B22连接到第六路励磁功率电路的输出端，B21接正端，B22接负端；右磁悬浮轴承第Ⅳ象限径向绕组B41B42绕组接至第八路励磁功率电路的输出端，B41接正端，B42接负端；
左轴承励磁绕组C11C12和右轴承励磁绕组C21C22中的励磁电流受控于第五位移差动放大器的输出量，左轴承励磁绕组C11C12连接到第九路励磁功率电路的输出端，C11接正端，C12接负端；右轴承励磁绕组C21C22连接到第十路励磁功率电路的输出端，C21接正端，C22接负端。
上述五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，还包括键盘及显示器，键盘及显示器与微处理器相连。
上述五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，所述励磁功率电路采用不对称H桥电路。
本发明的有益效果在于：
1、本发明将对称区间（Ⅰ，Ⅲ象限是一对称区间，Ⅱ，Ⅳ象限为另一对称区间）两个自由度位移信息作为一个位移差动放大器的两个输入信号，需要A/D转换的模拟量路数减少一半，一个控制周期内所需A/D转换时间减少一半，控制周期短，有益于提高实时控制效果。
2、本发明利用差动放大器的单极性输出，在输出V0= Vm处为相对稳定点（即参考点），当是V0≠Vm时，微处理器根据采集数据可实现对称区间的两自由度位移量同时调节（大气隙调小，小气隙调大,即双反互补），系统效率高、响应快。
3、本发明的励磁功率电路采用不对称H桥电路，且一个MOS管工作在开关状态，另一个MOS管工作在脉宽调制状态，同时具备续流二级管D1和D2，励磁绕组释放储存能量快，续流效果好，有益精确控制。
4、本发明以高度集成的微处理器STM32为核心部件，配备先进的闭环算法及系统化的软件平台，使得该发明具备智能和网络控制的潜力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明左（右）轴承径向四自由度励磁绕组的结构示意图。
图3为本发明左（右）轴承轴向励磁绕组的结构示意图。
图4为本发明的电路原理图。
图5为本发明中的差动放大器结构示意图。
图6为本发明中的差动放大器的输入/输出特性示意图。
图7为本发明中的励磁绕组功率电路图。
图8为本发明中的涡流传感器输入/输出特性示意图。
其中：16是径向励磁绕组，17是轴向励磁绕组，10是位移传感器，3是径向磁极，4是径向转子铁芯，6是轴向磁极，7是轴向导磁盘，，11是位移差动放大器，11-1至11-5是第一至第五位移差动放大器，12是键盘及显示器，13是微处理器,14是隔离驱动电路，15是励磁功率电路；16（17）中的励磁绕组包括：A11A12至A41A42是左轴承径向励磁绕组标号，B11B12至B41B42是右轴承径向励磁绕组标号，C11C12至C21C22是左右轴向励磁绕组，第Ⅰ和第Ⅲ象限以及第Ⅱ和第Ⅳ象限称之为对称区，18是CAN通讯接口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、图4所示，一种五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，包括电机、位于电机两侧的左右磁悬浮轴承、微处理器13、第一至第五位移差动放大器11-1至11-5、隔离驱动电路14、励磁功率电路15、励磁绕组、键盘及显示器；左磁悬浮轴承上沿其径向设有第一至第四位移传感器，分别用于测量左磁悬浮轴承第Ⅰ至第Ⅳ象限的径向位移信号，左磁悬浮轴承上沿其轴向设有左轴向位移传感器，用于测量左磁悬浮轴承轴向位移信号；右磁悬浮轴承上沿其径向设有第五至第八位移传感器，用于测量右磁悬浮轴承第Ⅰ至第Ⅳ象限的径向位移信号，右磁悬浮轴承上沿其轴向设有右轴向位移传感器，用于测量右磁悬浮轴承轴向位移信号；所述第一位移传感器、第三位移传感器的输出端与第一位移差动放大器11-1的输入端相连，第二位移传感器、第四位移传感器的输出端与第二位移差动放大器11-2的输入端相连，第五位移传感器、第七位移传感器的输出端与第三位移差动放大器11-3的输入端相连，第六位移传感器、第八位移传感器的输出端与第四位移差动放大器11-4的输入端相连，左轴向位移传感器、右轴向位移传感器的输出端与第五位移差动放大器11-5的输入端相连，第一至第五位移差动放大器11-5的输出端均连接微处理器13；左右磁悬浮轴承上均设有励磁绕组，所述微处理器13、隔离驱动电路14、励磁功率电路15、励磁绕组依次连接，微处理器13接收第一至第五位移差动放大器11-5输出的信号，对位移数据进行采集和负反馈自由度位移闭环PID计算，且根据计算结果按控制原则输出定频PWM脉宽和I/O开关电平，经励磁功率电路15，以定频调节脉冲宽度的方式调节励磁绕组中的电流，实现磁悬浮轴承各自由度区的平衡。键盘及显示器12与微处理器13相连。
所述微处理器13内置A/D转换器，A/D转换器具有第一至第五A/D接口，所述第一至第五位移差动放大器11-5的输出端分别连接第一至第五A/D接口。
所述微处理器13内置十路I/O接口、十路PWM输出端和CAN（RS485）通讯接口，十路I/O接口和十路PWM输出端分别连接到十路隔离驱动电路14的输入端，十路隔离驱动电路14输出的PWM脉宽和I/O开关电平分别连接到十路励磁功率电路15的输入端，即MOS管的栅极（图4所示）。
如图2和图4所示，所述励磁绕组包括左磁悬浮轴承第Ⅰ至第Ⅳ象限径向绕组A11A12- A41A42、右磁悬浮轴承第Ⅰ至第Ⅳ象限径向绕组B11B12- B41B42、左轴承励磁绕组C11C12和右轴承励磁绕组C21C22；
左磁悬浮轴承第Ⅰ象限径向绕组A11A12中的励磁电流和第Ⅲ象限径向绕组A31A32中的励磁电流受控于第一位移差动放大器11-1的输出量，左磁悬浮轴承第Ⅰ象限径向绕组A11A12绕组连接到第一路励磁功率电路15-1的输出端，A11接正端，A12接负端；左磁悬浮轴承第Ⅲ象限径向绕组A31A32连接到第三路励磁功率电路15-3的输出端，A31接正端，A32接负端；左磁悬浮轴承第Ⅱ象限径向绕组A21A22和第Ⅳ象限径向绕组A41A42中的励磁电流受控于第二位移差动放大器11-2的输出量，左磁悬浮轴承第Ⅱ象限径向绕组A21A22连接到第二路励磁功率电路15-2的输出端，A21接正端，A22接负端；左磁悬浮轴承第Ⅳ象限径向绕组A41A42绕组接到第四路励磁功率电路15-4的输出端，A41接正端，A42接负端；
右磁悬浮轴承第Ⅰ象限径向绕组B11B12和第Ⅲ象限径向绕组B31B32中的励磁电流受控于第三位移差动放大器11-3的输出量, 右磁悬浮轴承第Ⅰ象限径向绕组B11B12绕组连接到第五路励磁功率电路15-5的输出端，B11接正端，B12接负端；右磁悬浮轴承第Ⅲ象限径向绕组B31B32绕组接至第七路励磁功率电路15-7的输出端，B31接正端，B32接负端；右磁悬浮轴承第Ⅱ象限径向绕组B21B22和第Ⅳ象限径向绕组B41B42中的电流受控于第四位移差动放大器11-4的输出量，右磁悬浮轴承第Ⅱ象限径向绕组B21B22连接到第六路励磁功率电路15-6的输出端，B21接正端，B22接负端；右磁悬浮轴承第Ⅳ象限径向绕组B41B42绕组接至第八路励磁功率电路15-8的输出端，B41接正端，B42接负端；
左轴承励磁绕组C11C12和右轴承励磁绕组C21C22中的励磁电流受控于第五位移差动放大器11-5的输出量，左轴承励磁绕组C11C12连接到第九路励磁功率电路15-9的输出端，C11接正端，C12接负端；右轴承励磁绕组C21C22连接到第十路励磁功率电路15-10的输出端，C21接正端，C22接负端。
所述励磁功率电路15采用不对称H桥电路。
五自由度区的第一至第五位移差动放大器的输入输出特性如图6所示，V0=f（Vi），Vm是输出限幅值，当位移差动放大器的两输入位移量V1=V2时（图5所示），位移差动放大器的输出量V0=Vm（稳态参考点），这意味着该自由度区进入稳定状态，无需定转子间气隙调节，但需要位移量的维持。若某自由度区一旦进入稳定状态，其PWM脉宽恒定，励磁绕组中流过稳定的励磁电流，产生稳定且平衡电磁力托举起该自由度区的转轴（或者转轴轴向对称平衡）。当V0≠Vm时，该自由度区进入动态调节阶段，下面以图4中第一位移差动放大器11-1调节过程为例。分析径向自由度动态调节过程：
根据图6位移差动放大器输入/输出特性和图8的涡流传感器输入/输出特性可知，第一位移差动放大器11-1的两输入量V1和V2的大小正比例地反应了定转子间的气隙大小，以差动放大器输出V0=Vm点为参考点，△V0=V0 -Vm的绝对值同样反应了定转子间的实时气隙偏离稳态平衡气隙的大小；1）当V1>V2,即V0>Vm，△V0为正（实时采集的V0数据大于Vm数据）时，说明左磁悬浮轴承径向第Ⅰ象限定转子间隙偏大，第Ⅲ象限气隙偏小，此时要求微处理器13脉宽输出的PWM1增加脉宽，提升第Ⅰ象限励磁绕组中的励磁电流，增大径向第Ⅰ象限的电磁力，与此同时，微处理器13输出PWM3脉冲宽度减小，第Ⅲ象限励磁绕组中的励磁电流减少，径向第Ⅲ象限电磁力减小，转子轴逐步往径向的第Ⅰ，Ⅲ象限的中位置转移，此调节过程直到第Ⅰ，Ⅲ象限位移传感器的输出（即位移差动放大器的输入）V1=V2, 第一位移差动放大器11-1的输出V0=Vm为止，此时该自由度两位移量进入稳态；2）当V1<V2,即V0<Vm, △V0为负（实时采集的V0数据小于Vm数据）时，说明左磁悬浮轴承第Ⅰ象限定转子间气隙偏小，而第Ⅲ象限象限定转子间气隙偏大，此时要求微处理器13脉宽输出的PWM1减小脉冲宽度，PWM3脉宽加宽，励磁绕组A11A12中的电流减少，励磁绕组A31A32中的电流增加，第Ⅲ象限方向电磁力大于第Ⅰ象限方向的电磁力，转子轴逐渐往第Ⅲ象限方向转移，此过程一直调整到两位移传感器（第一位移传感器和第三位移传感器）的输出（也是位移差动放大器的输入）V1=V2, V0=Vm为止，此时该自由度区转子轴位于中心位置，进入稳定状态。
本发明以微处理器STM32为核心部件，对称区间两位移信息作为同一个差动放大器的输入信号，放大器输出的Vm处为稳态，当V0≠Vm时，系统进入反向互补的调节状态。所需A/D转换路数少，控制周期短，励磁绕组中电流续流快，用系统的理念编制软件，使本发明控制器具备智能和网络控制的潜力。

Claims (6)

1.一种五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，包括电机和位于电机两侧的左右磁悬浮轴承，其特征在于：还包括微处理器、第一至第五位移差动放大器、隔离驱动电路、励磁功率电路和励磁绕组；左磁悬浮轴承上沿其径向设有第一至第四位移传感器，分别用于测量左磁悬浮轴承第Ⅰ至第Ⅳ象限的径向位移信号，左磁悬浮轴承上沿其轴向设有左轴向位移传感器，用于测量左磁悬浮轴承轴向位移信号；右磁悬浮轴承上沿其径向设有第五至第八位移传感器，用于测量右磁悬浮轴承第Ⅰ至第Ⅳ象限的径向位移信号，右磁悬浮轴承上沿其轴向设有右轴向位移传感器，用于测量右磁悬浮轴承轴向位移信号；所述第一位移传感器、第三位移传感器的输出端与第一位移差动放大器的输入端相连，第二位移传感器、第四位移传感器的输出端与第二位移差动放大器的输入端相连，第五位移传感器、第七位移传感器的输出端与第三位移差动放大器的输入端相连，第六位移传感器、第八位移传感器的输出端与第四位移差动放大器的输入端相连，左轴向位移传感器、右轴向位移传感器的输出端与第五位移差动放大器的输入端相连，第一至第五位移差动放大器的输出端均连接微处理器；左右磁悬浮轴承上均设有励磁绕组，所述微处理器、隔离驱动电路、励磁功率电路、励磁绕组依次连接，微处理器通过PWM信号驱动，以定频调节脉冲宽度的方式调节励磁绕组中的电流，实现磁悬浮轴承各自由度区的平衡。
2.根据权利要求1所述的五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，其特征在于：所述微处理器内置A/D转换器，A/D转换器具有第一至第五A/D接口，所述第一至第五位移差动放大器的输出端分别连接第一至第五A/D接口。
3.根据权利要求1所述的五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，其特征在于：所述微处理器内置十路I/O接口和十路PWM输出端，十路I/O接口和十路PWM输出端分别连接到十路隔离驱动电路的输入端，十路隔离驱动电路输出的PWM脉宽和I/O开关电平分别连接到十路励磁功率电路的输入端，左右磁悬浮轴承各自由度区的励磁绕组连接到十路励磁功率电路的输出端。
4.根据权利要求3所述的五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，其特征在于：所述励磁绕组包括左磁悬浮轴承第Ⅰ至第Ⅳ象限径向绕组A11A12- A41A42、右磁悬浮轴承第Ⅰ至第Ⅳ象限径向绕组B11B12- B41B42、左轴承励磁绕组C11C12 和右轴承励磁绕组C21C22；
左磁悬浮轴承第Ⅰ象限径向绕组A11A12中的励磁电流和第Ⅲ象限径向绕组A31A32中的励磁电流受控于第一位移差动放大器的输出量，左磁悬浮轴承第Ⅰ象限径向绕组A11A12绕组连接到第一路励磁功率电路的输出端，A11接正端，A12接负端；左磁悬浮轴承第Ⅲ象限径向绕组A31A32连接到第三路励磁功率电路的输出端，A31接正端，A32接负端；左磁悬浮轴承第Ⅱ象限径向绕组A21A22和第Ⅳ象限径向绕组A41A42中的励磁电流受控于第二位移差动放大器的输出量，左磁悬浮轴承第Ⅱ象限径向绕组A21A22连接到第二路励磁功率电路的输出端，A21接正端，A22接负端；左磁悬浮轴承第Ⅳ象限径向绕组A41A42绕组接到第四路励磁功率电路的输出端，A41接正端，A42接负端；
右磁悬浮轴承第Ⅰ象限径向绕组B11B12和第Ⅲ象限径向绕组B31B32中的励磁电流受控于第三位移差动放大器的输出量, 右磁悬浮轴承第Ⅰ象限径向绕组B11B12绕组连接到第五路励磁功率电路的输出端，B11接正端，B12接负端；右磁悬浮轴承第Ⅲ象限径向绕组B31B32绕组接至第七路励磁功率电路的输出端，B31接正端，B32接负端；右磁悬浮轴承第Ⅱ象限径向绕组B21B22和第Ⅳ象限径向绕组B41B42中的电流受控于第四位移差动放大器的输出量，右磁悬浮轴承第Ⅱ象限径向绕组B21B22连接到第六路励磁功率电路的输出端，B21接正端，B22接负端；右磁悬浮轴承第Ⅳ象限径向绕组B41B42绕组接至第八路励磁功率电路的输出端，B41接正端，B42接负端；
左轴承励磁绕组C11C12 和右轴承励磁绕组C21C22 中的励磁电流受控于第五位移差动放大器的输出量，左轴承励磁绕组C11C12连接到第九路励磁功率电路的输出端，C11接正端，C12接负端；右轴承励磁绕组C21C22 连接到第十路励磁功率电路的输出端，C21接正端，C22接负端。
5.根据权利要求1所述的五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，其特征在于：还包括键盘及显示器，键盘及显示器与微处理器相连。
6.根据权利要求1所述的五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器，其特征在于：所述励磁功率电路采用不对称H桥电路。
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