CN1599239A - 基于fpga的磁悬浮轴承功率放大器 - Google Patents

Abstract

基于FPGA的磁悬浮轴承功率放大器，它包括输入输出信号电平转换电路、FPGA控制电路和功率放大电路，将来自磁悬浮轴承的控制信号和线圈电流信号转换成0－5V的统一的模拟信号后再转换成数字信号后进行运算处理，放大后分别驱动MOSFET管组成的全桥电路，从而控制磁悬浮轴承线圈电流的大小，由于采用了FPGA控制电路，定时性强，所以能使磁悬浮轴承实现高速、高精度、低功耗的运转。

Description

基于FPGA的磁悬浮轴承功率放大器

技术领域

本发明涉及功率放大器，尤其涉及应用于磁悬浮轴承上的功率放大器。

背景技术

磁悬浮轴承在超高速旋转机械、医疗设备以及航空航天等的应用目前在国际上是最热门的研究课题之一。磁悬浮轴承是利用电磁力将转子悬浮，具有无摩擦，长寿命，不用润滑，无污染，高转速，高精度的特点，是研制开发高精尖数控加工装备的基础部件。功率放大器作为磁悬浮轴承的磁执行器，是磁悬浮轴承关键技术，对电主轴的高转速、高精度、低功耗等性能起着决定性的作用。

目前，从国内的研究情况看，选用基于DSP控制的功率放大器很普遍，但是这类方案具有很多问题。主要表现在：1)控制的灵活性较差。现在应用于控制器上的DSP芯片型号一般为TI的C2000系列，该类芯片具有适于控制用的结构和指令系统。但是，它的端口数量有限，该系列目前的高级芯片如TMS320F2810，其I/O总数也不过56个。在五自由度磁悬浮轴承的设计中，仅输出端口就要40个，如果要用DSP芯片完成该设计，就要通过端口扩展，或者多芯片设计，或者通过牺牲一些外电路的灵活性来减少端口需求量，这样做都会降低系统性能。另一方面，DSP的端口有很多硬件限制，有的端口为复用端口，在很多情况下不能随意配置其功能，有时候也许端口总数能满足要求但是某类端口缺少，最终还是不能满足应用要求。2)实时性较差。DSP属于CPU类芯片，其程序运行总是有先后的，所以，其控制的实时性总会受到程序量的限制。功放级的控制是整个磁悬浮轴承控制系统中实时性要求最高的，需要大量信号同时变化，可是我们知道，程序是顺序执行的，端口控制总有先后，要满足一定的实时性要求，设计者除了精心设计算法外，还要精心安排程序结构和运行模式。即使这样有时也不一定能达到满意，尤其在算法较为复杂的情况下。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有DSP控制的功率放大器的不足，提供一种控制灵活、实时性好的基于FPGA控制的磁悬浮轴承功率放大器。

本放大器包括以下电路：

1、输入输出信号电平转换电路，用于将来自磁悬浮轴承控制器的信号和磁悬浮轴承相应线圈的电流信号转换成0-5V的电压信号；

2、FPGA控制电路，用于将来自电平转换电路的电压模拟信号通过A/D转换成数字信号，并进行运算处理和输出；

3、功率放大电路，用于隔离放大FPGA控制电路的输出信号，驱动相应MOSFET管的导通和截止，从而控制磁悬浮轴承线圈的电流大小。

本放大器的电平转换电路和功率放大电路为常用电路，FPGA控制电路由A/D转换器和FPGA芯片构成的，其中FPGA芯片是本发明的关键，它的特点是端口丰富，配置灵活，实时性好。

本发明的积极效果是：

由于控制电路使用了FPGA芯片，其端口丰富，实时性强，单个芯片能够同时控制10路线圈的电流变化，使线圈电流迅速跟踪控制信号，满足五自由度磁悬浮轴承的悬浮驱动，使其转子在高转速下保持很高的回转精度；还可根据控制规模的大小灵活分配端口，也可通过程序调整使其实现多种控制规律，这些灵活性是一般CPU类硬件电路所不具备的。

附图说明

图1是本发明的功率放大器的电路原理框图。

图2是放大器FPGA控制电路的电路图。

图3是放大器功率放大电路中一个单元的电路图。

图4是放大器输入输出电平转换电路的电路图。

具体实施方式

以一个控制磁悬浮轴承五自由度的功率放大器为例。

本放大器的电路原理如图1所示，它主要包括电平转换电路，FPGA控制电路和功率放大电路。来自磁悬浮轴承每个自由度有三路信号，即控制信号，电磁线圈上电流信号和下电流信号，共15路信号。

电平转换电路如图4所示，图中显示了其中一个自由度三路信号的转换电路，其他自由度与其相同，不再描述。它由控制信号电平转换电路和电磁线圈电流信号电平转换电路两部分组成。

控制信号电平转换电路主要由运算放大器U1和U6(LT1677)，电阻R1-R6，可调电位器VR1-VR3，电容C1-C4，和5V稳压管D1组成，这是一个两级放大电路。由U1及其周围元件组成第一级，对输入信号进行增益调整；由U6及其周围元件组成第二级，将第一级信号与偏置电压求和，使输出信号幅值在0-5V。稳压管D1使输出信号电压保持在5V以内，保护后级器件。

电磁线圈电流信号电平转换电路由上下两路相同的电路结构组成。例如，在上路电路中由上电流传感器，可调电位器VR16，5V稳压管D6，和电容C35，C36，C54组成。上电流传感器将线圈电流信号转换成电压信号，该信号幅值大于5V，通过VR16使其调整为0-5V量程。电容C35、C36、C54用于稳定电路，稳压管D6用于保护后级电路。下电路的结构与其相同不再描述。

FPGA控制电路如图2所示，主要由FPGA芯片U4(XC2S200)和两片A/D转换器(LTC1851)连接而成。15路来自电平转换器的0-5V模拟信号各自经由电阻R5-R19进入A/D转换器相应管脚，转换成数字信号后送入FPGA进行运算。

功率放大器如图3所示，它显示的是其中一个单元的电路。本实例中每个轴承5个自由度共有10个单元。在图3中，每单元有四路信号S1、S2、S3、S4，分别来自控制电路S1、S2、S3、S4输入口，分别经光电隔离芯片U8、U9、U10、U11进行光隔，光隔后的信号进入驱动芯片U7、U8放大，再分别驱动MOSFET管Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥电路，从而控制磁悬浮轴承线圈的电流大小。其他单元的结构与其相同，不再描述。

本实例具有多负载驱动能力，可同时驱动10个电磁线圈，如果需要还可以较方便地扩展或减少驱动负载数；本实例适用的供电电压范围宽，最高可到500V，提供的电流动态范围大，每路最大可到15A，而且输出电流响应速度快，电流纹波小。综上所述，该功率放大器不仅适用于磁悬浮轴承，也可在电机控制等多个领域推广使用。

为理解本发明的控制原理，现说明FPGA芯片的处理过程。

设输入的控制电流信号为U1，相应的上线圈电流为U2，下线圈电流为U3，预置电流为U4。

上线圈的误差量为：    ΔU1＝U1+U4-U2    (1)

下线圈的误差量为：    ΔU2＝U4-U1-U3    (2)

A)比例运算

上线圈比例项＝ΔU1*Kp；

下线圈比例项＝ΔU2*Kp；

Kp为比例系数。

B)积分运算

上线圈积分项＝上线圈积分项当前值+Ki；

下线圈积分项＝下线圈积分项当前值+Ki；

Ki为积分系数。

C)微分运算

上线圈微分项＝Kd*(ΔU1-ΔU10)

下线圈微分项＝Kd*(ΔU2-ΔU20)

ΔU10和ΔU20为上一采样周期的ΔU1和ΔU2，Kd为微分系数。

D)占空比

上线圈占空比＝上线圈比例项+上线圈积分项+上线圈微分项

下线圈占空比＝下线圈比例项+下线圈积分项+下线圈微分项

线圈占空比计算出来后，送入FPGA芯片内的PWM产生模块，产生模块根据三电平的原理，输出控制每路线圈对应的4个MOSFET管导通(或截止)的数字信号。

三电平的原理如下：根据附图3，当MOSFET管Q1和Q4导通时，Q3和Q2截止，此时线圈的电流增加；当Q1和Q3导通(此时Q2和Q4截止)或者Q2和Q4导通(此时Q1和Q3截止)，此时线圈电流不增加也不减少；当Q3和Q2导通(此时Q1和Q4截止)，线圈电流减少。

Claims (1)

1、基于FPGA的磁悬浮轴承功率放大器，它包括下述电路：

输入输出信号电平转换电路，用于将来自磁悬浮轴承的控制信号和磁悬浮轴承相应线圈的电流信号转换成统一的0-5V的模拟信号；

FPGA控制电路，由FPGA芯片和A/D转换器构成，用于将上述模拟信号转换成数字信号后进行运算处理；

功率放大电路，将上述运算处理的信号隔离放大驱动相应MOSFET管的导通或截止，从而控制磁悬浮轴承线圈的电流大小。

Images