CN1858858A - 磁悬浮轴承模拟现场调试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮轴承模拟现场调试系统，包括正弦和余弦信号发生电路、正弦信号处理电路、余弦信号处理电路、控制器和功率放大器，其中，正弦和余弦信号发生电路包括单片机、直接数字合成芯片U2、直接数字合成芯片U3、双稳态触发器和晶体振荡器，正弦信号处理电路、余弦信号处理电路分别包括二阶低通滤波电路、电压幅值调整电路；本发明能够很好地解决磁悬浮轴承高速旋转调试现场的失稳现象，大大提高磁悬浮轴承系统现场调试的安全性和可靠性，减轻了现场调试工程师的心里压力和恐慌，降低了现场事故发生的风险，并且设计简单，控制灵活。

Description

磁悬浮轴承模拟现场调试系统

一、技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轴承调试系统，尤其涉及一种磁悬浮轴承模拟现场调试系统。

二、背景技术

磁悬浮轴承在工业上一般用在机械轴承无法满足的高速或超高速场合，控制系统的性能直接决定了磁悬浮轴承的性能。一旦控制系统的参数没有设计好，现场调试时极容易发生失稳现象，这不仅可能损坏造价极为昂贵的机械设备，而且对现场调试的技术人员会造成很大的心里压力和恐慌。磁悬浮轴承在国内外已逐步广泛应用到工业场合，但尚未有用于磁悬浮轴承现场调试的系统出现。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种磁悬浮轴承模拟现场的调试系统，以可靠地解决磁悬浮轴承现场调试的失稳现象。

2、技术方案：为了达到上述发明目的，本发明的磁悬浮轴承模拟现场调试系统包括正弦和余弦信号发生电路、正弦信号处理电路、余弦信号处理电路、控制器和功率放大器，其中，正弦和余弦信号发生电路包括单片机、直接数字合成芯片U2、直接数字合成芯片U3、双稳态触发器和晶体振荡器，单片机U1的FQ_UD端连于双稳态触发器的D端，双稳态触发器的Q端同时连于直接数字合成芯片U2、U3的FQ_UD端，直接数字合成芯片U2、U3的RESET端并联合连于单片机的RESET端，单片机的W_CLK-1端连于直接数字合成芯片U2的W_CLK端，单片机的W_CLK-2端连于直接数字合成芯片U3的W_CLK端，晶体振荡器的输出端CLK连于双稳态触发器的CK端后再同时连于直接数字合成芯片U2、U3的REF CLK端，单片机的DATABUS端同时连于直接数字合成芯片U2、U3的DATA端，直接数字合成芯片U2输出余弦信号，直接数字合成芯片输出正弦信号；正弦信号处理电路、余弦信号处理电路分别包括二阶低通滤波电路、电压幅值调整电路，来自于正弦和余弦信号发生电路的正弦信号和余弦信号分别结过处理后输出，运算放大器的反向输入端和输出端之间并联有电位器；通过电位器的调节，可以调节正弦信号处理电路、余弦信号处理电路输出信号的幅值：在正弦信号处理电路的二阶低通滤波电路中，运算放大器的正向输入端和反向输入端还可以分别连接有电容，电容的另一端分别接地，这两个电容主要起到电压滤波作用，为运算放大器提供稳定的电压信号；在正弦信号处理电路和余弦信号处理电路的二阶低通滤波电路中，运算放大器的正向输入端还连接有偏置电压调节电路，为运算放大器提供偏置电压，其中，电阻与电容并联并一端接地，电阻另一端与正弦信号处理电路中运算放大器的正向输入端连接，并经另一电阻与电位器连接，通过电位器可以调节运算放大器的正向输入电压。

余弦信号和正弦信号的频率、幅值通过单片机实时可调，且二者的相位差锁定为90°；双稳态触发器的作用是：利用其输入输出的延时来调整直接数字合成芯片的FQ_UD与REF CLK的时序，以满足REF CLK最小先于FQ_UD信号1.5ns的要求；通过电位器的调节使得余弦信号输出处理电路的输出信号的幅值在0～±12.5V变化、频率在0～12KHz变化，正弦信号输出处理电路的输出信号的幅值在0～±12.5V变化、频率在0～12KHz变化。

本系统中的控制器和功率放大器均可采用现有技术中的控制器和功率放大器。

本发明的原理是：任何旋转机械不可避免地都存在不平衡，旋转时会产生一个随时间变化的离心力，不考虑转子的弹性变形即认为转子是刚性的，离心力在x方向和y方向的分量分别是：

其中

为转子不平衡的质径积，ω为转子的转动角频率，是t＝0时转子的不平衡矢量

与x轴的初始夹角。式(1)表明离心力的频率就是转子的转动频率。对于磁悬浮轴承系统，只要初始时间t选择合适，总可以使初始夹角＝0，这样式(1)可改写为：

$\left.\begin{array}{c}{F}_x=\mathrm{mr}{\mathrm{\ω}}^2\cos \mathrm{\ωt}\\ F_y=\mathrm{mr}{\mathrm{\ω}}^2\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right\}\mathrm{\Λ\Λ}...\left(2\right)$

式(2)表明离心力在x方向和y方向的分量分别是余弦函数和正弦函数，离心力的频率就是转子的转动频率。F_x、F_y是由于圆盘的不平衡引起的离心力，通过磁场作用到左右两端的磁轴承上。也就是说，两端磁轴承受到的离心力也是余弦函数和正弦函数，一般可表示为：

$\left.\begin{array}{c}{F}_{x1}=A_1\cos \mathrm{\ωt},F_{y1}=A_1\sin \mathrm{\ωt}\\ F_{x2}=A_2\cos \mathrm{\ωt},F_{y2}=A_2\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right\}\mathrm{\Λ\Λ}...\left(3\right)$

其中F_xi、F_yi是第i个轴承受到的离心力(i＝1，2)，A₁、A₂是ω²的线性函数，一般A₁+A₂＝mrω²。

因此，为了比较真实地模拟转子高速旋转的运行环境，在转子静止不旋转的情况下，同时在磁轴承的x方向加余弦信号、y方向加正弦信号进行扫描，就可以准确地模拟出转子高速旋转的运行环境。本发明即是先产生同频率、相位差为90°的余弦信号和正弦信号，得到幅值、频率均连续可调的余弦信号和正弦信号，再将同频率的余弦信号和正弦信号叠加在磁悬浮轴承控制器径向四个自由度的输出信号上，同时对控制器的控制参数进行调节，这样就可以对磁悬浮轴承进行现场调试。

3、有益效果：本发明具有以下优点：(1)能够很好地解决磁悬浮轴承高速旋转调试现场的失稳现象，大大提高磁悬浮轴承系统现场调试的安全性和可靠性，减轻了现场调试工程师的心里压力和恐慌，降低了现场事故发生的风险；(2)本系统设计简单，控制灵活。

四、附图说明

图1为本发明的模拟调试信号层次原理图。

图2为本发明的余弦和正弦信号发生电路原理图。

图3为本发明的余弦和正弦信号输出通道处理电路原理图。

图4是本发明的磁悬浮轴承模拟现场调试示意图。

五、具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

如图1、图2所示，磁悬浮轴承模拟现场调试系统包括正弦和余弦信号发生电路、正弦信号处理电路、余弦信号处理电路、控制器和功率放大器，其中，正弦和余弦信号发生电路包括单片机U1、直接数字合成芯片U2、U3、双稳态触发器U4和晶体振荡器U5，单片机U1的型号为P89C58，双稳态触发器U4的型号为74HC74，直接数字合成芯片U2、U3的型号为AD9851；单片机U1的FQ_UD端连于双稳态触发器U4的D端，双稳态触发器U4的Q端同时连于直接数字合成芯片U2、U3的FQ_UD端，直接数字合成芯片U2、U3的RESET端并联连于单片机U1的RESET端，单片机U1的W_CLK-1端连于直接数字合成芯片U2的W_CLK端，单片机U1的W_CLK-2端连于直接数字合成芯片U3的W_CLK端，晶体振荡器U5的输出端CLK连于双稳态触发器U4的CK端后再同时连于直接数字合成芯片U2、U3的REF CLK端，单片机U1的DATABUS端同时连于直接数字合成芯片U2、U3的DATA端，直接数字合成芯片U2输出余弦信号OUT1，直接数字合成芯片U3输出正弦信号OUT2；正弦信号处理电路、余弦信号处理电路分别包括二阶低通滤波电路、电压幅值调整电路，余弦信号OUT1依次经过正弦信号处理电路的二阶低通滤波电路、电压幅值调整电路处理后形成信号S2，正弦信号OUT2依次经过余弦信号处理电路的二阶低通滤波电路、电压幅值调整电路处理后形成信号S1。

如图3所示，在正弦信号处理电路的二阶低通滤波电路中，来自于正弦和余弦信号发生电路的正弦信号OUT2依次经过电阻R24、R26，经运算放大器U19A处理后，经电阻R29输入电压幅值调整电路的运算放大器U19B，运算放大器U19B的反向输入端与输出端之间并联有电位器W6，电位器W6用于调节正弦信号处理电路输出信号S2的幅值；在余弦信号处理电路的二阶低通滤波电路中，来自于正弦和余弦信号发生电路的余弦信号OUT1依次经过电阻R17、R19，经运算放大器U19D处理后，经电阻R22输入电压幅值调整电路的运算放大器U19C，运算放大器U19C的反向输入端与输出端之间并联有电位器W4，电位器W4用于调节余弦信号处理电路输出信号S1的幅值。在正弦信号处理电路的二阶低通滤波电路中，运算放大器U19A的正向输入端连接有偏置电压调节电路，其中，电阻R28与电容C15并联并一端接地，电阻R28另一端与运算放大器U19A的正向输入端连接，并经电阻R27与电位器W5连接，通过电位器W5可以调节运算放大器U19A的正向输入电压；运算放大器U19A的正向输入端和反向输入端分别连接有电容C17和C16，电容C17和C16的另一端分别接地，二者的作用是为放大器提供稳定的电压信号。在余弦信号处理电路的二阶低通滤波电路中，运算放大器U19D的正向输入端连接有偏置电压调节电路，其中，电阻R21与电容C10并联并一端接地，电阻R21另一端与运算放大器U19D的正向输入端连接，并经电阻R20与电位器W3连接，通过电位器W3可以调节运算放大器U19D的正向输入电压。

余弦信号OUT1和正弦信号OUT2的频率、幅值通过单片机U1实时可调，且二者的相位差锁定为90；而电位器W4的调节，使得余弦信号输出处理电路的输出信号S1的幅值在0～±12.5V变化、频率在0～12KHz变化；电位器W6的调节，使得正弦信号输出处理电路的输出信号S2的幅值在0～±12.5V变化、频率在0～12KHz变化。

如图4所示，在磁悬浮轴承转子静止不旋转的情况下，轴向自由度不加余弦信号或者正弦信号，在径向四个自由度的控制器输出信号上同时叠加同频率的余弦信号和正弦信号，其中，第1、3自由度叠加正弦信号，第2、4自由度叠加余弦信号，幅值范围为-1～+1V，实时调整余弦信号和正弦信号的频率，从而模拟转子高速旋转的运行环境。同时，在不同频率下，对控制器的控制参数进行调节，使得转子的振动幅值抑制到最小。

Claims (7)

1、一种磁悬浮轴承模拟现场调试系统，包括控制器和功率放大器，其特征在于，该系统还包括正弦和余弦信号发生电路、正弦信号处理电路、余弦信号处理电路，其中，正弦和余弦信号发生电路包括单片机(U1)、直接数字合成芯片(U2、U3)、双稳态触发器(U4)和晶体振荡器(U5)，单片机(U1)的FQ_UD端连于双稳态触发器(U4)的D端，双稳态触发器(U4)的Q端同时连于直接数字合成芯片(U2)、(U3)的FQ_UD端，直接数字合成芯片(U2)、(U3)的RESET端并联连于单片机(U1)的RESET端，单片机(U1)的W_CLK-1端连于直接数字合成芯片(U2)的W_CLK端，单片机(U1)的W_CLK-2端连于直接数字合成芯片(U3)的W_CLK端，晶体振荡器(U5)的输出端CLK连于双稳态触发器(U4)的CK端后再同时连于直接数字合成芯片(U2、U3)的REF_CLK端，单片机(U1)的DATABUS端同时连于直接数字合成芯片(U2、U3)的DATA端，直接数字合成芯片(U2)输出余弦信号OUT1，直接数字合成芯片(U3)输出正弦信号OUT2；正弦信号处理电路、余弦信号处理电路分别包括二阶低通滤波电路、电压幅值调整电路，余弦信号OUT1依次经过正弦信号处理电路的二阶低通滤波电路、电压幅值调整电路处理后形成信号S2，正弦信号OUT2依次经过余弦信号处理电路的二阶低通滤波电路、电压幅值调整电路处理后形成信号S1。

2、如权利要求1所述的磁悬浮轴承模拟现场调试系统，其特征在于，在正弦信号处理电路的二阶低通滤波电路中，来自于正弦和余弦信号发生电路的正弦信号OUT2依次经过电阻(R24)、(R26)，经运算放大器(U19A)处理后，经电阻(R29)输入电压幅值调整电路的运算放大器(U19B)，运算放大器(U19B)的反向输入端与输出端之间并联有电位器(W6)，电位器(W6)用于调节正弦信号处理电路输出信号S2的幅值；在余弦信号处理电路的二阶低通滤波电路中，来自于正弦和余弦信号发生电路的余弦信号OUT1依次经过电阻(R17)、(R19)，经运算放大器(U19D)处理后，经电阻(R22)输入电压幅值调整电路的运算放大器(U19C)，运算放大器(U19C)的反向输入端与输出端之间并联有电位器(W4)，电位器(W4)用于调节余弦信号处理电路输出信号S1的幅值。

3、如权利要求2所述的磁悬浮轴承模拟现场调试系统，其特征在于，在正弦信号处理电路的二阶低通滤波电路中，运算放大器(U19A)的正向输入端连接有偏置电压调节电路，其中，电阻(R28)与电容(C15)并联并一端接地，电阻(R28)另一端与运算放大器(U19A)的正向输入端连接，并经电阻(R27)与电位器(W5)连接，通过电位器(W5)可以调节运算放大器(U19A)的正向输入电压。

4、如权利要求3所述的磁悬浮轴承模拟现场调试系统，其特征在于，在正弦信号处理电路的二阶低通滤波电路中，运算放大器(U19A)的正向输入端和反向输入端分别连接有电容(C17)和(C16)，电容(C17)和(C16)的另一端分别接地。

5、如权利要求2所述的磁悬浮轴承模拟现场调试系统，其特征在于，在余弦信号处理电路的二阶低通滤波电路中，运算放大器(U19D)的正向输入端连接有偏置电压调节电路，其中，电阻(R21)与电容(C10)并联并一端接地，电阻(R21)另一端与运算放大器(U19D)的正向输入端连接，并经电阻(R20)与电位器(W3)连接，通过电位器(W3)可以调节运算放大器(U19D)的正向输入电压。

6、如权利要求1所述的磁悬浮轴承模拟现场调试系统，其特征在于，余弦信号OUT1和正弦信号OUT2的频率、幅值通过单片机(U1)实时可调，且二者的相位差锁定为90°。

7、如权利要求1所述的磁悬浮轴承模拟现场调试系统，其特征在于，电位器(W4)的调节，使得余弦信号输出处理电路的输出信号S1的幅值在0～±12.5V变化、频率在0～12KHz变化；电位器(W6)的调节，使得正弦信号输出处理电路的输出信号S2的幅值在0～+12.5V变化、频率在0～12KHz变化。

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