CN1585258A - 基于dps的智能高速磁悬浮控制及数字功放装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于DSP的智能高速磁悬浮控制及数字功放装置，由DSP及外围电路构成，DSP通过输入数据线接收电涡流位置传感器的信号，DSP输出信号与恒流型开关数字功率放大装置相连接，恒流型开关功率放大装置输出的控制信号与磁悬浮硬盘系统相连接；DSP与恒流型开关数字功率放大装置之间采用CAN(控制局域网)总线进行通讯；恒流型开关数字功率放大装置由DSP及外围电路构成，DSP的输出信号通过高速光耦驱动电路与一个多路半桥式开关驱动器相连接，多路半桥式开关驱动器的输出与磁悬浮硬盘系统相连接。本发明采用DSP作为主要控制器件，使得本发明具有反应快、控制精度高、稳定性好等特点。

Description

基于DSP的智能高速磁悬浮控制及数字功放装置

                       技术领域

本发明属于一种高速磁悬浮控制装置，具体地讲是一种基于DSP的智能高速磁悬浮控制及数字功放装置。

                       背景技术

目前基于高速磁悬浮控制装置基本采用的是“电压采集卡+工控机”的方案，即用现成的电压采集板卡插入工控机中。这种方式具有稳定性好，通用性强等优点。但是由于在高速采集中随着采集和处理流量的加大，这种方案由于采用的是16位ISA总线，所以无法满足要求。随着控制技术及控制精度的不断提高和完善，需要对磁悬浮系统进行动态实时控制和监测，而目前的方案无法满足高速极高精度复杂控制，另外电压采集卡和工控机的总体成本过高，体积较大，而整体资源利用率相对较低，所以不易实现产业化发展。

目前磁轴承开关功放主要有以下四种形式：脉宽调制(PWM)型、采样保持(Sample/Hold)型、滞环(Hysteresis)型、最小脉宽(Minimum PulseWidth)型。各种工作形式的功放性能各有优缺点，脉宽产生、电流检测形式和控制方式也不一定相同。对于磁悬浮控制系统的系统稳定性好和响应快等特性的具体要求，一般采用的是脉宽调制(PWM)型功率放大器并取得了较好的控制效果。

                       发明内容

本发明的目的是提出一种基于DSP的智能高速磁悬浮控制及数字功放装置，采用的是“DSP+DSP”的并行处理方案，DSP进行高速信号采集、分析和控制，通过CAN总线或SPI方式将控制参数传送至另一DSP控制系统，另一DSP通过这些控制参数产生PWM(或I/O)信号最后交给功率放大器件进行执行控制任务，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本发明的特点是：由DSP(数字信号处理器)及外围电路构成，DSP通过输入数据线接收电涡流位置传感器的信号，DSP输出信号与恒流型开关数字功率放大装置相连接，恒流型开关功率放大装置输出的控制信号与磁悬浮硬盘系统相连接；

上述DSP与恒流型开关数字功率放大装置之间采用CAN(控制局域网)总线进行通讯；

上述恒流型开关数字功率放大装置由DSP及外围电路构成，DSP的输出信号通过高速光耦驱动电路与一个多路半桥式开关驱动器相连接，多路半桥式开关驱动器的输出与磁悬浮硬盘系统相连接；

上述恒流型开关数字功率放大装置中的DSP输出还连接有一个CPLD(可编程逻辑器件)；

上述恒流型开关数字功率放大装置中的DSP的输入端还与磁悬浮硬盘系统中磁力线圈上的电流传感器输出信号相连接。

本发明由于采用的是“DSP+DSP”的方案，使得本发明具有：

脉宽调制PWM(Pulse Width Modulate)：PWM产生的方式很多，可以通过模拟器件进行硬件实现也可以通过单片机的专用PWM接口软件方式产生。由于磁悬浮电源功放数目较多，通过模拟硬件实现的工作稳定好但故障率较高而且在硬件调试较为困难；所以在设计中，我们采用了美国TI公司的TMS320F2XX系列DSP完成10路独立PWM脉冲产生任务。TMS320F2XX系列DSP具有12路独立PWM通道，也可作为独立I/O使用。另外由于其运算的高速性和16路AD采样的准确性，一直是数字电机控制和数字电源设计的理想处理器。

CAN控制局域网络(Control Area Network)：CAN原先是由德国Bosch公司为汽车的监控和控制方面而设计的，现已逐步发展到用于其它工业部门，且其总线规范被ISO制定为国际标准。在现场总线中，目前是唯一被批准为国际标准的现场总线。

DSP数字信号专用处理器(Digital Signal Processor)：磁悬浮控制系统具有反应快、控制精度高、稳定性好等特点。而磁悬浮控制系统可以简单的说是一个双环控制系统，控制外环是由DSP微处理器对悬浮空间状态位置的实时控制。我们采用的是美国TI公司的TMS320F2XX系列专用处理器完成各种控制算法。

                       附图说明

图1为本发明实施例的结构原理框图。

图2为本发明实施例恒流型开关功率放大装置原理框图。

图3为整个磁悬浮装置的原理框图。

                     具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明的硬件模块(图1)主要由：9路高速位置电压转换模块，DSP信号采样及处理模块，系统保护及稳压模块，CAN总线通讯模块，上位机通讯模块等几部分组成。我们采用的DSP处理芯片为美国Ti公司的TMS320F2812或TMS320C2407专用信号处理模块。首先，9路电涡流位置传感器通过9路高速位置电压转换模块将磁悬浮位置大小传送DSP系统。(将传感器5v信号转换为3.3vDSP可采电压，并对电压信号进行模拟滤波)。然后DSP信号采集及处理模块将采集到的电压信号进行采样、加权量化、平滑去噪等，按照给定位置电压进以相应的控制算法处理，最后将10路电源功放的控制参数通过CAN总线/SPI方式传送至数字功放DSP。控制系统保护及稳压模块提供系统各功能模块的稳定电压和抗干扰，以及在系统处于过压过流或传感器超量程等异常工作状态下，对控制系统提供稳压限流光电隔离保护和报警信号。

磁悬浮控制系统可以简单的说是一个双环控制系统，控制外环是由DSP微处理器对悬浮空间状态位置的实时控制。而控制内环则是电源功放根据给定的控制电压信号对磁悬浮线圈进行动态相应。在动态相应的过程中在整个控制系统中功率放大器是非常重要的环节，功率放大器响应的好坏直接影响到控制算法的实现。在功率放大器工作过程中，为了保证控制精度和控制效果，必须通过线圈回路电流/电压采样从而对该开关电源进行恒流/恒压控制。这就是磁悬浮控制系统执行机构的内环控制。功率放大器的设计要求是在工作效率高的前提下尽可能提高系统的执行速度且具有很好的数字跟随。

功率放大器本身就构成了一个小的电流闭环系统，以保证控制参数能很精确的控制输出电流。同时考虑到磁力线圈电流(此闭环系统的控制对象)由于电感的感性作用而存在很大的滞后输出，必须想办法加快其响应速度。这样在功率放大器的设计时，我们采用了脉宽调制的方法。这样做一方面利用开关特性使电流输出响应加快，另一方面提高了功率放大器的工作效率，降低了功耗。

本发明的功率放大器(图2)硬件采用美国TI公司DSP处理器，完成上位DSP控制参数接收、功放电流采样、恒流控制算法实现和10路独立PWM输出等功能。一般的开关电源只需要对单个MOS功率管进行电流开关控制，但是由于磁悬浮线圈是一个强感性负载，在单极性开关过程中能产生较大电流感抗严重影响电流控制效果，所以必须采用开关续流方式提高控制性能。电流功率放大器的强电输出部分可以采用H型双极性全桥式或H型单极性半桥电路，H型全桥式电路具有较好的电流开关和恢复特性但设计较半桥式复杂。全桥式电路由四个MOS管和相应的四个续流二极管组成。其驱动控制部分采用双极性脉宽调制法。双极性脉宽调制电路在输出电压平均值较小时，每一个MOS管的门极控制脉冲较宽，能保证晶体管可靠的导通。而普通的单极性工作制在输出电压平均值较小时，门极控制脉冲较窄，当窄到一定程度时，就不能保证开关管可靠的导通了，从而影响低电流控制时的效果。由于采取了高频脉冲调制，因此输出的电流波形响应速度很快。

目前市场上主要是基于工控机的数字采集卡系统，但是成本较高，性能有限而且普通工控机通过总线方式根本达不到速度要求，国外的该项产品的价格较贵而且与国内产品接口也不十分兼容所以只能采用DSP的嵌入式开发方案。应用嵌入式开发方案，具有源代码小执行效率高等优点。该方案基于现有的Vxworks和CCStudio(Code Composer Studio，谱码工作室)嵌入式集成开发环境，重点实现对于不同型号信号源的兼容化和可视化工作，它包括：全功能调试器(根据传感器不同的工况选择不同的采样频率和上位通讯接口)，采样控制算法函数分析库(根据传感器不同的工况选择不同的函数控制算法，例如PID控制、模糊控制、专家控制等)，采样输出的动态可视化窗口，系统外设和控件驱动接口等等。

由于10路DSP开关控制信号通过总线方式传递给开关功率执行部分，所以需要对数据进行片选、驱动和逻辑处理，本发明采用基于MAX-PLUS的CPLD逻辑编程技术完成这一项任务，此外CPLD还负责对DSP的I/O、外部扩展内存等资源进行统一的逻辑管理和分配。基于MAX+PLUS逻辑编程具有通用性好，编程灵活、可靠性强等优点。

本发明DSP的软件程序主要实现以下功能：数据采样及滤波、数据预测及分析、基于CAN总线数据的收发及处理、基于各种磁悬浮控制算法实现等。数据采样及滤波模块采用定时器方式，在500kHz采样率10路的12位数据点。再将数据进行加权滤波。根据不同的工况要求和性能指标可以采用不同的数据处理算法(插值、预测、拟合)等。最后将控制参数通过总线方式进行输出。如果是多台系统并行工作，它们可以将处理好的数据通过CAN总线方式传送到上位监控机或下位DSP。TMS320F2407支持CAN2.0B标准CAN总线接口及协议，具有很好的通用性。基于SPI的上位机通讯负责将数据交给恒流型开关数字功率放大装置中DSP。

本发明恒流型开关数字功率放大装置中DSP的软件程序主要实现通过CAN总线方式/SPI方式接收上位DSP的10路功放控制参数，根据控制参数决定PWM信号的开关状态。同时10路电流采样模块将功放电流进行实时采样，通过与给定参数的比较和PI算法或最小脉宽等控制算法的实现完成10路功放的恒流控制。

本发明CPLD的软件程序主要完成以下功能：16位数据的输出驱动、DSP2407外围逻辑及工作状态显示、10路功放输出状态监控等等。

本发明可用于多路控制系统的动态实时监控。例如：磁悬浮主轴控制系统，磁悬浮电机控制系统等，另外本发明还可以用来对一些特殊的结构进行高分辨动态监测，如磁悬浮磁盘的动态监控等等。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1、一种基于DSP的智能高速磁悬浮控制及数字功放装置，其特征在于：由DSP及外围电路构成，DSP通过输入数据线接收电涡流位置传感器的信号，DSP输出信号与恒流型开关数字功率放大装置相连接，恒流型开关功率放大装置输出的控制信号与磁悬浮硬盘系统相连接。

2、如权利要求1所述的基于DSP的智能高速磁悬浮控制及数字功放装置，其特征在于：DSP与恒流型开关数字功率放大装置之间采用CAN总线进行通讯。

3、如权利要求1所述的基于DSP的智能高速磁悬浮控制及数字功放装置，其特征在于：恒流型开关数字功率放大装置由DSP及外围电路构成，DSP的输出信号通过高速光耦驱动电路与一个多路半桥式开关驱动器相连接，多路半桥式开关驱动器的输出与磁悬浮硬盘系统相连接。

4、如权利要求3所述的基于DSP的智能高速磁悬浮控制及数字功放装置，其特征在于：恒流型开关数字功率放大装置中的DSP输出还连接有一个CPLD。

5、如权利要求3所述的基于DSP的智能高速磁悬浮控制及数字功放装置，其特征在于：恒流型开关数字功率放大装置中的DSP的输入端还与磁悬浮硬盘系统中磁力线圈上的电流传感器输出信号相连接。

6、如权利要求1或3所述的基于DSP的智能高速磁悬浮控制及数字功放装置，其特征在于：DSP采用美国Ti公司的TMS320F2812或TMS320C2407专用信号处理模块。

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