CN1322662C - 一种集成化、低功耗磁轴承数字控制装置 - Google Patents

Abstract

一种集成化、低功耗磁轴承数字控制装置，是一种能够用来对电磁轴承进行主动控制的控制装置，其主要包括接口电路、DSP系统、以及功率模块，DSP通过接口电路获取磁轴承转子位移信号、线圈电流、转速信号等数据，按照一定的控制算法进行运算生成控制量并将其进行PWM调制，再将调制完成的PWM信号经脉冲保护驱动电路后传送到功率器件组成的全桥式换能电路，生成磁轴承线圈所需的控制电流，从而实现对电磁轴承的主动控制。本发明实现了磁轴承数字控制器与数字功放的集成化设计，使得磁轴承控制器集成度大大提高，减小了体积和重量，并降低了控制器的功耗。

Description

一种集成化、低功耗磁轴承数字控制装置

所属技术领域

本发明涉及一种集成化、低功耗磁轴承数字控制装置，用于对电磁轴承的主动控制，特别适用于低功耗、高集成度等场合。

背景技术

主动磁轴承是一种高科技机电一体化产品，在航空航天、涡轮机械、真空技术以及机床等领域具有广泛的应用前景。

现有的磁轴承控制器分为模拟控制器和数字控制器两大类。模拟控制器以运算放大器为核心，具有响应速度快和可靠性高的优点，但模拟控制器最大的问题是不灵活、抗干扰能力差，表现在控制参数修改困难，调试过程复杂，难于实现比较复杂的控制算法。数字控制的优点表现在：能够实现复杂的控制器功能，在开发阶段，数字控制器易于进行各种可能控制策略的试验；适合集成化，模块化设计，并且可以做到体积小，功耗低；采用数字控制，使得传感器、偏置和其他参数的标定更为容易；在线监测，载荷、位移、振动、轴承电流及其它运行工况可以显示、记录及远距离传输；对意外和紧急情况、以及相应的安全问题可做出智能反应；系统的更新换代由于只涉及软件而更为容易。但是现有的磁轴承数字控制装置普遍采用了数字控制器加模拟功放的方式，这就需要一个D/A环节将数字控制器产生的数字信号再还原为模拟信号才能与模拟功放连接。这种结构增加了电路中间环节，降低了系统抗干扰能力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有模拟控制器和数字控制器的不足，提供一种功耗低、集成度高、抗干扰能力强、体积小、重量轻的磁轴承数字控制装置。

本发明的技术解决方案是：一种集成化、低功耗磁轴承数字控制装置，包括接口电路、DSP系统以及功率模块，其中接口电路包括位移传感器接口电路、转速信号接口电路、电流传感器接口电路，功率模块包括高速光电隔离电路、脉冲保护驱动电路、全桥式换能电路、电流传感器，磁轴承位移传感器通过位移传感器接口电路连接到DSP系统，霍尔传感器通过转速信号接口电路连接到DSP系统，电流传感器通过电流传感器接口电路连接到DSP系统，DSP系统分别获取磁轴承转子位移信号、转速信号和线圈电流信号等数据后，进行运算生成控制量并将其进行PWM调制，再将调制完成的PWM波直接经过高速光电隔离电路、脉冲驱动保护电路传送给全桥式换能电路，生成磁轴承线圈所需的控制电流，从而实现磁轴承的主动控制。

本发明的原理是：本发明提供了模拟量和脉冲信号的输入接口，提供了经功率放大后的电流输出接口，以及DSP与上位机相连的在线调试与诊断通讯接口，由位移传感器输出的五个自由度的位移信号和电流传感器检测的磁轴承线圈中的电流信号被DSP的ADC模块采样，DSP对采样进来的位移信号根据一定的数字控制算法进行运算处理；同时利用DSP的脉冲宽度调制PWM生成器对控制信号进行PWM调制，输出PWM调制信号以控制功率开关器件，通过接口提供给电磁轴承线圈控制电流。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用了一种高性能的DSP来构建磁轴承控制器，与现有电磁轴承普遍采用的模拟控制器和数字控制器相比具有以下特点：

(1)较传统的以运算放大器为核心的模拟控制器而言，本发明具有数字控制器的优点：调试灵活、方便。电路结构简单、体积小、重量轻、调试灵活方便、便于实现复杂的控制算法。

(2)本发明所采用的电路结构省去了现有数字控制装置中的D/A环节以及模拟功放中的PWM产生电路，用DSP将控制信号直接调制为PWM信号。该设计简化了电路，加快了系统响应速度，提高了系统抗干扰能力。

(3)采用一片DSP芯片作为处理器完成磁轴承的主动控制，并实现了磁轴承功放脉冲生成电路的数字化，降低了控制器功耗。特别适用于航空航天等对功耗有严格要求的领域。

(4)实现了数字控制器与数字功放的集成化设计，满足最大程度的磁轴承控制系统集成化的要求，使得本发明做到了装置体积小、重量轻。

(5)装置采用的TMS320F2812可以快速实现比较复杂的控制算法，满足磁轴承控制信号的实时性要求。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明在整个磁轴承中的控制原理框图；

图3为本发明的DSP系统电路框图；

图4为本发明DSP系统的算法程序图；

图5为本发明的单个通道高速光电隔离电路、脉冲保护驱动电路和全桥式换能电路的电路图；

图6为本发明的单个通道的位移传感器接口电路；

图7为本发明的单个通道的电流传感器接口电路；

图8为本发明的转速信号接口电路。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明包括接口电路10、DSP系统4以及功率模块11，其中接口电路10包括位移传感器接口电路1、转速信号接口电路2、电流传感器接口电路3，功率模块11包括高速光电隔离电路5、脉冲保护驱动电路6、全桥式换能电路7、电流传感器8，磁轴承位移传感器由位移传感器输出的5个自由度的位移信号通过位移传感器接口电路1连接到DSP系统4，霍尔传感器通过转速信号接口电路2连接到DSP系统4，电流传感器8通过电流传感器接口电路3连接到DSP系统4，DSP系统4分别采样位移传感器输出的5个自由度的位移信号、霍尔传感器输出的转速信号和电流传感器检测的磁轴承线圈中的电流信号后，根据数字控制算法进行运算处理，同时电流信号与控制信号进行比较后输出PWM信号，PWM信号直接经过高速光电隔离电路5、脉冲驱动保护电路6传送给全桥式换能电路7，以控制功率开关器件组成的全桥式换能电路7生成磁轴承线圈所需的控制电流，从而实现磁轴承的主动控制。本发明还设计有RS232接口9，可以进行DSP与PC机之间的通讯，通过PC机完成控制参数的在线修改以及对磁轴承工作状态进行监控。

如图3所示，本发明的DSP系统4采用TMS320F2812，5路位移传感器信号(四个径向通道AX、AY；BX，BY。一个轴向通道Z)以及电流传感器信号经过接口电路放大，电平偏移后与A/D输入范围相匹配(0～3V)，然后经过前置抗混叠低通滤波(截止频率可以根据所采取的采样频率而进行调节)后送入DSP系统4的A/D输入端，霍尔传感器给出的转速脉冲信号经整形、隔离后送入TMS320F2812捕获端，可以利用软件直接计算其频率，然后DSP系统4按照数字控制的控制算法进行运算处理，产生5个自由度的控制量。TMS320F2812由3个带可编程死区控制的比较单元可产生独立的3对(即六个输出)PWM信号，这样直接对TMS320F2812运算产生的5个自由度的控制量同时直接进行PWM调制，输出5对(10路)PWM信号。由于TMS320F2812为设计人员提供了整套的片上系统，该设计使DSP系统不必扩展任何外围器件，就可以由一片DSP芯片完成磁轴承的五个通道的主动控制以及磁轴承功放的数字化，从而取代现有模拟功放电路中的控制信号与电流传感器电流信号的混合运算电路，以及相对复杂、功耗较大的脉冲生成电路。进而最大程度地满足系统集成化的要求，从而简化电路结构，降低控制电路的功耗，提高电路的集成度和系统的可靠性。

如图4所示，本发明采用了PID加交叉反馈的控制算法，可以有效抑制其他与转速相关的各种涡动模态振动，实现磁轴承转子的高速稳定运转。转子轴两端分别定义为A端和B端。Sax、Say分别表示A端位移传感器X、Y两个正交方向的转子径向位移信号；Sbx、Sby分别表示B端位移传感器X、Y两个正交方向的转子径向位移信号；Sz表示轴向传感器输出的轴向位移信号。Iax、Iay分别表示A端电流传感器X、Y方向的磁轴承线圈电流信号；Ibx、Iby分别表示B端电流传感器X、Y方向的磁轴承线圈电流信号；Iz表示轴向电流传感器输出的轴向磁轴承线圈电流信号。

PWMax+、PWMax-为DSP输出的A端X方向的控制量的一对PWM调制信号；PWMay+、PWMay-为DSP输出的A端Y方向的控制量的一对PWM调制信号；PWMbx+、PWMbx-为DSP输出的B端X方向的控制量的一对PWM调制信号；PWMby+、PWMby-为DSP输出的B端Y方向的控制量的一对PWM调制信号；PWMz+、PWMz-为DSP输出的轴向控制量的一对PWM调制信号。输出的五个自由度的控制量算式为：

OUTax＝PIDSax(k)+(Sby(k)-Say(k))Kc

OUTbx＝PIDSbx(k)-(Sby(k)-Say(k))Kc

OUTay＝PIDSay(k)+(Sax(k)-Sbx(k))Kc

OUTby＝PIDSby(k)-(Sax(k)-Sbx(k))Kc

OUTz＝PIDSz(k)

PIDSax为A端X方向的位移偏差的PID运算结果，PIDSbx、PIDSay、PIDSby含义类推。Kc为引入了转速后的交叉反馈通道增益。为提高控制的电流响应速度将输出的控制量与电流反馈信号的偏差做PD运算，然后对该结果进行PWM调制并输出调制波形。具体的程序运算流程见图4。

如图5所示，为本发明的单个通道高速光电隔离电路、脉冲保护驱动电路和全桥式换能电路的电路图，其余四个通道类似。高速光耦TLP2630实现了DSP输出的PWM信号与强电脉冲的隔离。PWM信号经IR2110驱动功率管IRF3710。比较器LM339和TLP2630、4001、4025构成的电路可以防止MOSFET电源侧直通并能提供磁轴承线圈的过电流保护。可以通过调节电位器W1和W2来设置磁轴承线圈的电流门限值。当磁轴承电流超过设定值或DSP输出的一个通道的一对PWM信号出现全高时，4025都输出低电平，从而防止磁轴承直流测电源直通以及磁轴承线圈过电流。

如图6所示，位移传感器接口电路对位移传感器输出的位移信号作差分，然后进行放大和电平偏移，与A/D输入量程相匹配(0-3V)，再经过一级二阶低通滤波器，滤除高频噪声信号防止产生频谱混叠。

如图7所示，电流传感器实时检测磁轴承线圈电流，电流传感器接口电路对电流传感器信号进行放大和电平偏移，与A/D输入量程相匹配(0-3V)，再经过一级二阶低通滤波器，滤除高频噪声信号防止产生频谱混叠。

如图8所示，霍尔传感器检测转子转速，并产生转速脉冲信号。转速传感器接口电路用高速光耦6N137将转速脉冲信号进行隔离，并将其幅值调整为0-3.3V，用74HC14进行脉冲整形后送入DSP的捕获单元(CAP3)，通过测量脉冲周期实现磁轴承转子转速的测量。

本发明可以作为一种通用的磁轴承控制的硬件平台，提供了足够的硬件资源。应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改软件来灵活方便地实现其功能。

Claims (6)

1、一种集成化、低功耗磁轴承数字控制装置，其特征在于：包括接口电路(10)、DSP系统(4)以及功率模块(11)，其中接口电路(10)包括位移传感器接口电路(1)、转速信号接口电路(2)、电流传感器接口电路(3)，功率模块(11)包括高速光电隔离电路(5)、脉冲保护驱动电路(6)、全桥式换能电路(7)、电流传感器(8)，磁轴承位移传感器通过位移传感器接口电路(1)连接到DSP系统(4)，霍尔传感器通过转速信号接口电路(2)连接到DSP系统(4)，电流传感器(8)通过电流传感器接口电路(3)连接到DSP系统(4)，DSP系统(4)分别获取磁轴承转子位移信号、转速信号和线圈电流信号数据后，进行运算生成控制量并将其进行PWM调制，再将调制完成的PWM波直接经过高速光电隔离电路(5)、脉冲驱动保护电路(6)传送给全桥式换能电路(7)，生成磁轴承线圈所需的控制电流，从而实现磁轴承的主动控制。

2、根据权利要求1所述的集成化、低功耗磁轴承数字控制装置，其特征在于：所述的DSP系统(4)采用一片TMS320F2812芯片作为处理器，完成磁轴承转子5个自由度的控制，不需扩展任何外围器件。

3、根据权利要求1所述的集成化、低功耗磁轴承数字控制装置，其特征在于：所述的DSP系统(4)输出信号为数字控制量的PWM调制信号，DSP系统(4)与功率模块(11)之间没有数模转换电路和PWM产生电路。

4、根据权利要求1所述的集成化、低功耗磁轴承数字控制装置，其特征在于：霍尔传感器产生的转速脉冲信号经转速信号接口电路(2)接入到DSP系统(4)，利用DSP的捕获端口直接对转速脉冲信号频率进行测量。

5.根据权利要求1所述的集成化、低功耗磁轴承数字控制装置，其特征在于：所述功率模块(11)中，位于高速光电隔离电路(5)与全桥式换能电路(7)之间设计有防止功率开关器件直通以及磁轴承线圈过流的脉冲保护驱动电路(6)。

6、根据权利要求1所述的集成化、低功耗磁轴承数字控制装置，其特征在于：DSP系统(4)上接有RS232接口(9)，所述接口连接到具有在线参数改变与诊断功能的调试/监控计算机，进行磁轴承刚度调节和阻尼调节。

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