CN1719716A - 一种高性能、集成化磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种高性能、集成化磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，是一种能够用来对磁悬浮飞轮磁轴承系统进行主动控制的控制装置，其主要包括接口电路、模数转换芯片、FPGA模块、DSP模块。该装置通过接口电路和模数转换芯片获取磁轴承转子位移信号、线圈电流、转速信号数据，DSP模块按照一定的控制算法生成控制量传给FPGA模块，FPGA模块根据控制量和电流信号进行PWM调制，PWM信号传送到全桥式换能电路，生成磁轴承线圈所需的控制电流，从而实现对磁悬浮飞轮磁轴承系统的主动控制。本发明不但具备很强的数据处理能力，而且实现了磁悬浮飞轮磁轴承数字控制器与数字功放的集成化设计，使得磁轴承控制器的集成度大大提高。

Description

一种高性能、集成化磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置
所属技术领域
本发明涉及一种高性能、集成化磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，用于对磁悬浮飞轮磁轴承系统的高精度控制，特别适用于高性能、高集成度等应用场合，该控制装置同样适用于其它采用全桥式功率变换模块的磁轴承系统的控制。
背景技术
飞轮是中小型卫星上基本的姿态控制执行机构，磁悬浮飞轮相对于传统的机械轴承飞轮具有可以进行振动主动控制的优点，所以在高精度卫星上具有广阔的应用前景。另外磁轴承没有摩擦，避免了机械轴承本身由于摩擦带来的磨损，其可靠性取决于控制系统电子元器件的可靠程度，因此相对于机械轴承飞轮其具有更长的使用寿命。
现有的磁悬浮飞轮控制器分为模拟控制器和数字控制器两大类。由于模拟控制器难于实现比较复杂的控制算法，难于满足磁悬浮飞轮高精度控制的需要，因此数字控制器是必然选择。数字控制器的优点表现在：参数修改方便，能够实现复杂的控制器算法，能够满足高精度控制的要求。另外数字控制器适合集成化，模块化设计，相对于模拟控制器其体积大大缩小，而且功耗明显降低，这对于航天应用非常有吸引力。另外系统的更新换代由于只涉及软件而更为容易。
目前以Ti的C2000系列DSP为核心的磁轴承控制器比较普遍，这类方案虽然能够实现磁轴承系统的悬浮，但也存在以下缺点：(1)数据处理能力不够。C2000系列为定点型DSP，浮点数据处理能力不足，不能满足运行复杂控制算法的实时性要求。(2)虽然系统集成有脉宽调制模块，但其PWM输出的路数不能满足功率模块全桥式换能电路各个桥臂独立控制时对PWM路数的要求。C2000系列DSP如TMS320F2812和TMS320C2407提供的PWM路数为12路，但是功率模块各个桥臂独立控制时需要20路。如果使用通用I/O用于PWM输出其实时性难以满足，如果选用多片DSP又会造成资源浪费。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有的基于Ti的C2000系列DSP浮点运算能力不足和提供的脉宽调制信号的路数不能满足磁悬浮飞轮磁轴承系统数字开关功放各个桥臂独立控制时对PWM路数要求的缺点，提供一种高性能、高集成化的磁悬浮飞轮数字控制装置。
本发明的技术解决方案：高性能、集成化磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，其特征在于：输入信号接口电路(14)：与电流信号模数转换芯片(19)和位移信号模数转换芯片(12)，用于将输入的位移和电流信号转换成0～5V的电压信号，并且将转子转速信号转换成0～3.3V的方波信号；
电流信号模数转换芯片(19)和位移信号模数转换芯片(12)：与FPGA模块(7)相接，用于对电流和位移信号进行采样，得到数字化的电流和位移信号；
DSP模块(8)：与FPGA模块(7)相接，对FPGA模块(7)采样得到的位移信号和转速信号进行运算处理，得到功率模块所需的控制量；
FPGA模块(7)：控制电流和位移信号的采样；根据DSP给定的控制量结合电流采样信号进行PWM调制；根据测速逻辑进行转速测量；磁轴承线圈电流超过限制时对PWM信号进行处理，保护功率模块；
功率模块：根据FPGA模块(7)给定的控制量驱动相应的全桥式换能电路，从而控制磁悬浮飞轮线圈的电流跟随控制量变化。
本发明的原理：FPGA芯片根据设定的采样速率触发模数转换芯片对位移信号和电流信号进行采样，转换结果读入FPGA芯片中的RAM中。当有转速脉冲时，在FPGA芯片设计的测速逻辑将对转速进行计算得到转速值。DSP从FPGA芯片中读取位移量和转速值，然后执行控制算法得到控制量，将控制量传给FPGA，FPGA芯片根据DSP芯片给定的控制量结合电流信号采样值执行功率模块的控制算法，进行20路PWM调制，对PWM信号进行防止全桥式换能电路上下桥臂直通处理。如果没有过流保护信号产生，将PWM信号照常输出；当检测到过流保护信号后将对对应通道的PWM信号进行关断。功率模块首先通过高速光耦对FPGA模块输出的PWM信号进行强弱电信号的隔离，降低强电信号对控制器的干扰，隔离后的PWM信号经IR2110驱动全桥式换能电路四个功率管IRF3710的导通与关断，从而在磁轴承线圈中得到需要的控制电流，实现磁悬浮飞轮磁轴承系统的主动控制。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用高性能的浮点型DSP芯片TMS320VC33-150来构建磁悬浮飞轮控制算法的执行核心，选用FPGA芯片XC3S50来完成功率模块的控制。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、体积小、重量轻、便于实现复杂的控制算法。较现有的定点DSP为核心的数字控制器而言，本数字控制器的数据处理能力显著提高，能够满足复杂控制算法的实时性要求。
(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FPGA芯片作为功率模块的PWM调制电路，使得功率模块的五个通道可以并行处理，大大减小了系统的延时，保证了数字控制装置的系统延时，提高了系统高转速时的稳定性。
(3)采用FPGA芯片作为模数转换芯片的控制器，并且实现测速逻辑。这种设计使得DSP芯片只用于运算，FPGA芯片作为功率模块的控制器，充分发挥了每个模块的优点，使得系统的性能有了很大提高。
(4)该发明实现了系统的数字化和集成化，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。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为本发明的控制原理框图；
图3为本发明的单个通道的位移传感器接口电路；
图4为本发明的单个通道的电流传感器接口电路；
图5为本发明的转速信号接口电路；
图6为本发明的位移信号模数转换芯片和电流信号模数转换芯片的电路；
图7为本发明的单个通道高速光电隔离电路、脉冲驱动电路和全桥式换能电路的电路图；
图8为本发明的过流保护信号产生电路；
图9为本发明的FPGA芯片与其它器件信号连接的电路图；
图10为本发明的DSP芯片与外扩存储芯片信号连接的电路图；
图11为本发明的FPGA控制流程图；
图12为本发明DSP控制流程。
具体实施方式
如图1所示，本发明的硬件模块主要由接口电路14、位移信号模数转换芯片12、电流信号模数转换芯片19、FPGA模块7、DSP模块8，以及功率模块22几部分组成，其中接口电路14包括转速信号接口电路13、位移传感器接口电路17、电流传感器接口电路18，功率模块22包括高速光耦隔离电路4、脉冲驱动电路3、全桥式换能电路2、电流传感器24、过流保护信号产生电路23，FPGA模块7包括配置芯片5、FPGA芯片6，DSP模块8包括DSP芯片9、外扩Flash10、外扩RAM11，位移传感器接口电路17将位移传感器16检测到的位移信号转换成位移信号模数转换芯片12所要求的0V～5V范围、电流传感器接口电路18将电流传感器24检测到的电流信号转换成电流信号模数转换芯片19所要求的0V～5V范围，FPGA芯片6控制位移信号模数转换芯片12和电流信号模数转换芯片19分别对位移信号和电流信号进行采样，采样结果通过并行总线经电平转换芯片20进行电平转换后传给FPGA芯片6，飞轮转子转速信号15经转速信号接口电路1 3和电平转换芯片20后传给FPGA芯片6，FPGA芯片6通过测速逻辑计算得到飞轮转子的转速，DSP芯片9从FPGA芯片6中读取磁轴承转子位移信号、转速信号后，进行运算生成控制量并将其传给FPGA芯片6，FPGA芯片6利用模数转换芯片19得到的电流信号按照功放控制算法进行PWM信号的独立调制，调制完成的PWM经电平转换芯片21进行电平转换后经过高速光耦隔离电路4、脉冲驱动保护电路3传送给全桥式换能电路2，生成磁轴承线圈1所需的控制电流，从而实现磁轴承的主动控制。
如图2所示，给出了本发明的控制原理，FPGA模块控制电流信号、位移信号和转速信号的检测，DSP模块根据位移信号和转速信号给出控制量后给FPGA模块，由FPGA模块根据电流信号和给定的控制信号进行功率模块的控制，功率模块根据FPGA输出的PWM信号转换成相应的线圈电流，实现磁悬浮飞轮的主动控制。
如图3所示，位移传感器得到的位移信号经过比例变换、电平偏移与限幅后与位移信号模数转换芯片12的输入范围相匹配0V～5V，然后经过前置抗混叠低通滤波后送入位移信号模数转换芯片12的输入通道。
如图4所示，电流传感器得到的电流信号经过比例变换、电平偏移与限幅后与电流信号模数转换芯片19的输入范围相匹配0V～5V，然后经过前置抗混叠低通滤波后送入电流信号模数转换芯片19的输入通道。
如图5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，得到所需的转子转速信号。
如图6所示，本发明的模数转换芯片采用的是BB公司的ADS7864Y，该芯片具有12位精度、6对差分输入、12个独立的采样保持器、两个500KHZ的转换器和并行接口，而其功耗只有50mW。采用两片芯片可以满足电流信号和位移信号的路数要求，独立的采样保持器保证了信号的相位关系，两个500KHz的转换器完全可以满足系统的实时性要求，高速并行接口保证了转换结果高速的输出以减小系统的延时，50mW的低功耗使得该芯片非常适合航天应用。这两个芯片的接口信号经74ALV164245进行电平转换后与FPGA芯片连接。X1为8M晶振，为模数转换芯片提供时钟信号。
如图7所示，为本发明的单个通道高速光电隔离电路、脉冲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PWM信号与强电脉冲的隔离，PWM信号经IR2110驱动功率管IRF3710，从而实现对全桥式换能电路的控制。
图8给出了电流过流保护信号的产生逻辑。当电流超过电流限定值后，比较器LM339和二极管组成的保护逻辑将产生保护信号，保护信号经TLP2630隔离后送到FPGA芯片中，FPGA芯片对对应的通道的PWM进行关断以减小电流。可以通过调节I_MAX+和I_MAX-值来设置磁轴承线圈的电流门限值，从而防止磁轴承线圈过电流。
如图所示，本发明所采用的FPGA芯片为Xilinx公司的XC3S50，该芯片采用50M的晶振作为系统时钟，内部集成有4个18×18位的乘法器，保证了功率模块控制算法的高速执行，丰富的I/O资源使得与外围芯片的接口非常方便。该芯片控制位移信号和电流信号的采样，当有转速信号输入时对转速信号进行计算。按照DSP给定的控制量进行功率模块的控制。当检测到过流保护信号后对对应的通道的PWM输出进行处理，防止线圈电流过大。
如图10所示，本发明采用Ti公司TMS320VC33-150作为控制算法执行芯片，与Ti公司定点型DSP芯片C2000系列相比，其数据处理能力显著提高，能满足磁悬浮飞轮系统高精度控制算法的要求。外扩Flash采用两片16×256K的SST39VF400，外扩RAM采用两片16×512K的IS61LV51216。外扩芯片满足控制算法执行时对存储容量和速度的要求。
FPGA的控制流程如图11所示：系统上电后从配置芯片中加载逻辑信息，成功加载后进入工作模式。进入工作模式后FPGA芯片并行完成三个功能：(1)当有霍尔信号时FPGA根据两次霍尔信号的时间间隔计算飞轮转速，然后以中断的方式通知DSP，DSP从FPGA芯片中读取转速值。(2)当设定的采样时间到时，FPGA芯片将触发模数转换芯片对位移信号和电流信号进行采样，位移信号和电流信号采样结束后，FPGA芯片向DSP芯片发出中断请求，DSP从FPGA中读取位移信号值。(3)根据DSP给定的控制量和电流信号采样值进行运算得到PWM信号占空比的调节量，然后进行PWM调制，最后根据电流过流保护信号的状态对PWM信号进行转换，输出PWM信号。
DSP的控制流程如图12所示：系统上电后，DSP首先进行初始化，初始化结束后进入工作模式。没有中断时DSP执行空操作；当有中断请求时且DSP不处在执行中断程序时DSP相应中断，如果为FPGA发出的读取转速值的中断时，DSP在中断程序中读取转速值。如果为FPGA发出的读取位移信号的中断时，DSP从FPGA中读取位移信号值并根据转速值进行运算，得到功率模块的控制量并传给FPGA。假如有中断请求且DSP处于中断程序执行过程中，则等待DSP执行完中断服务程序后再对该中断进行处理。
本发明虽为磁悬浮飞轮磁轴承系统的控制装置，但也可以作为一种通用的磁轴承控制平台作为其他磁轴承系统的控制器，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、一种高性能、集成化磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，其特征在于：包括：
输入信号接口电路(14)：与电流信号模数转换芯片(19)和位移信号模数转换芯片(12)，用于将输入的位移和电流信号转换成0～5V的电压信号，并且将转子转速信号转换成0～3.3V的方波信号；
电流信号模数转换芯片(19)和位移信号模数转换芯片(12)：与FPGA模块(7)相接，用于对电流和位移信号进行采样，得到数字化的电流和位移信号；
DSP模块(8)：与FPGA模块(7)相接，对FPGA模块(7)采样得到的位移信号和转速信号进行运算处理，得到功率模块所需的控制量；
FPGA模块(7)：控制电流和位移信号的采样；根据DSP给定的控制量结合电流采样信号进行PWM调制；根据测速逻辑进行转速测量；磁轴承线圈电流超过限制时对PWM信号进行处理，保护功率模块；
功率模块：根据FPGA模块(7)给定的控制量驱动相应的全桥式换能电路，从而控制磁悬浮飞轮线圈的电流跟随控制量变化。
2、根据权利要求1所述的高性能、集成化磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，其特征在于：所述的DSP模块(8)包括DSP芯片(9)、外扩Flash存储器(10)、外扩RAM(11)，其中DSP芯片(9)采用一片TMS320VC33芯片作为控制算法的处理器，完成磁轴承转子5个自由度的控制。
3、根据权利要求1所述的高性能、集成化磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，其特征在于：所述的FPGA模块(7)包括配置芯片(5)和FPGA芯片(6)，其中FPGA芯片(6)采用XC3S××芯片作为功率模块(22)控制算法的处理器，且该模块与DSP模块(8)并行工作。
4、根据权利要求1所述的高性能、集成化磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，其特征在于：由FPGA模块(7)完成五个通道20路PWM信号的独立调制，便于功率模块(22)采用多样的控制策略。
5、根据权利要求1所述的高性能、集成化磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，其特征在于：所述的磁轴承线圈(1)的过流保护与全桥式换能电路上下桥臂的防直通功能均由FPGA模块(7)来完成。
6、根据权利要求1所述的高性能、集成化磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，其特征在于：所述的功率模块(22)包括高速光耦隔离电路(4)、脉冲驱动电路(3)、全桥式换能电路(2)、过流保护信号产生电路(23)、电流传感器(24)。
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