CN205446399U - 一种基于pwm信号移相控制的低成本自传感电磁轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承。PWM移相控制的开关功率放大器两路输出端分别连接到PWM移相控制的开关功率放大器和开关功率放大器的，PWM移相控制的开关功率放大器和开关功率放大器的驱动输出端连接到电磁轴承本体，PWM移相控制的开关功率放大器的反馈输出端连接到电磁轴承转子位移估计及控制电路。本实用新型通过对电流型PWM开关功率放大器的PWM信号进行移相控制，实现了各路线圈电流检测信号“有效数据采集窗口”的合理时序排布，进而实现高速模数转换器的多路复用，可显著降低系统硬件的冗余，降低系统的成本和复杂度。

Description

一种基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承

技术领域

本实用新型涉及一种自传感电磁轴承，适用于机电系统中需要使用电磁轴承但希望大幅降低成本或避免外置位移传感器安装以节省空间的场合。

背景技术

主动电磁轴承具有无摩擦、无需润滑、无污染、转速高等优点，近年来在航空航天、飞轮储能、涡轮透平机械、高速机床等领域发展很快。在有传感器主动电磁轴承系统中，为了实现系统的闭环反馈控制，必须在转子的各个自由度分别装配独立的位移传感器进行转子位置信号的实时检测。位移传感器的昂贵价格使得系统的成本难以降低，也增加了装配、维护的成本。此外，安装位移传感器所需的空间要求制约了电磁轴承尺寸的优化，传感器和执行器的位置不同也使得控制更为复杂。

自传感电磁轴承是近年来为解决上述问题而提出的新型电磁轴承。通过利用电磁轴承的电磁线圈的电感大小随转子位置改变而变化的特性，可以使得电磁线圈在产生电磁力的同时实现转子位移估计的功能，从而避免独立位置传感器的使用，实现主动电磁轴承的自传感运行。电磁轴承普遍使用开关功率放大器驱动其电磁线圈，此时线圈电流中将包含由于功率器件通断产生的高频电流纹波，利用电流纹波变化率与线圈电感的相关性，可以通过测量电流纹波的斜率变化进行转子位移的估计，实现自传感电磁轴承，称为“直接电流测量法”。这种方法的动态特性好，但是需要多路高速模数转换器对各线圈电流进行采样，且受涡流效应的影响(在开关功率放大器中开关器件的通断时刻附近，线圈电流中开关纹波的变化率主要受涡流的影响，与线圈电感的相关性降低，难以用于转子位移估计)，各路模数转换器采集的数据只有部分可用于转子位移估计，实际造成了系统硬件资源的大量冗余，导致了系统成本和复杂度升高。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承，以克服现有技术的部分缺陷。

本实用新型的实用新型构思是：针对使用“直接电流测量法”实现的自传感电磁轴承中硬件资源的冗余问题，通过对开关功率放大器PWM信号的移相控制，避免采集涡流效应导致的线圈电流开关纹波中的无效数据，同时进行各路线圈电流检测信号“有效数据采集窗口”的合理时序排布，实现高速模数转换器的多路复用，进而显著减少系统硬件的冗余，降低系统的成本和复杂度。

为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：

本实用新型包括开关功率放大器、电磁轴承本体、PWM移相控制的开关功率放大器和电磁轴承转子位移估计及控制电路，PWM移相控制的开关功率放大器和开关功率放大器的驱动输出端连接到电磁轴承本体，PWM移相控制的开关功率放大器的反馈输出端连接到电磁轴承转子位移估计及控制电路。

所述的PWM移相控制的开关功率放大器输出各路通道的驱动电流分别连接到电磁轴承本体中每个轴承每个自由度的一个线圈负载上。

所述的PWM移相控制的开关功率放大器控制各通道的PWM信号的相位关系输出，所述开关功率放大器中各通道的PWM信号的相位关系不控制。

所述的PWM移相控制的开关功率放大器为多通道两电平电流型PWM开关功率放大器，所述的开关功率放大器为多通道两电平电流型PWM开关功率放大器。

所述电磁轴承转子位移估计及控制电路包括触发与定时电路,多路复选电路、高速A/D转换器、数字信号处理器和D/A转换器；触发与定时电路的输入端与所述PWM移相控制的开关功率放大器的移相PWM信号发生器的输出端相连，触发与定时电路的输出端分为两路分别连接到多路复选电路的一个输入端和数字信号处理器的一个输入端；多路复选电路的另一输入端与所述PWM移相控制的开关功率放大器的功放主电路的一组输出端相连，多路复选电路的输出端与高速A/D转换器的输入端相连；高速A/D转换器与数字信号处理器的另一个输入端连接，数字信号处理器的输出端连接到D/A转换器的输入端，D/A转换器的两路输出端分别连接到所述PWM移相控制的开关功率放大器的移相PWM信号发生器和开关功率放大器的输入端。

所述PWM移相控制的开关功率放大器包括移相PWM信号发生器、功放主电路；所述移相PWM信号发生器的一组输入端与所述电磁轴承转子位移估计及控制电路的D/A转换器的一组输出端连接，另一组输入端与功放主电路的一组输出端连接，移相PWM信号发生器的输出端分别连接到功放主电路的输入端和所述电磁轴承转子位移估计及控制电路的触发与定时电路的一组输入端；功放主电路的另一组输出端与所述电磁轴承本体中的线圈负载对应连接。

所述开关功率放大器的输入端与所述电磁轴承转子位移估计及控制电路的D/A转换器的一组输出端相连，开关功率放大器的输出端与电磁轴承本体中的线圈负载对应连接。

所述电磁轴承本体的一组输入端与PWM移相控制的开关功率放大器的输出端相连，另一组输入端与开关功率放大器的相连。

所述的电磁轴承本体为主动电磁轴承本体或者电磁-永磁混合轴承本体。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型与传统使用“直接电流检测法”方案的自传感电磁轴承相比，其优点在于：通过对开关功率放大器中PWM信号的移相控制，实现各路线圈电流检测信号“有效数据采集窗口”的合理时序排布，使得对4路线圈电流检测信号进行数据采集的硬件需求从四路高速模数转换器减少为一路。大幅提高了系统硬件的使用效率，降低了成本和复杂度。

附图说明

图1为本实用新型轴承本体的电路原理框图；

图2为电磁轴承本体中第一磁轴承、第二磁轴承与相对转子的空间位置示意图；

图3为第一磁轴承的结构示意图；

图4为第二磁轴承的结构示意图；

图中：PWM移相控制的开关功率放大器1、电磁轴承转子位移估计及控制电路2、开关功率放大器3、电磁轴承本体4、转子5、第一磁轴承6、第二磁轴承7、磁极铁心8、线圈负载9。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承主要包括PWM移相控制的开关功率放大器1、电磁轴承转子位移估计及控制电路2、开关功率放大器3和电磁轴承本体4。其中PWM移相控制的开关功率放大器1主要实现两个功能，一是接收来自电磁轴承转子位移估计及控制电路2的控制信号，并将控制信号放大为可以驱动电磁轴承本体4中线圈负载的功率信号，二是通过控制PWM信号的相位来控制线圈电流中开关电流纹波的相位，使其符合电磁轴承转子位移估计及控制电路2数据采集的时序要求。

电磁轴承转子位移估计及控制电路2主要实现两个功能，一是通过一路高速A/D转换器对四路线圈电流检测信号进行数据采集，并通过“直接电流检测法”得到4路转子位移估计信号，二是根据4路转子位移估计信号通过磁轴承反馈控制得到8路控制信号，并控制信号输出给PWM移相控制的开关功率放大器1和开关功率放大器3。开关功率放大器3实现一个功能，即接收来自电磁轴承转子位移估计及控制电路2的控制信号，并将控制信号放大为可以驱动电磁轴承本体4中线圈负载的功率信号。电磁轴承本体4实现一个功能，将来自PWM移相控制的开关功率放大器1和开关功率放大器3输出的线圈电流通入对应线圈，产生在4个自由度上对转子的电磁力，调整转子的姿态。

在本实用新型中，PWM信号是指脉冲宽度可调制的定频率方波信号，PWM信号具有高电平、低电平两个状态，高电平持续时间和低电平持续时间的和为开关周期T_s。

在本实用新型中，“直接电流检测法”是一种基于最小二乘法的对线圈电流中开关纹波的变化率进行估计，并根据以此输入为线圈电流的采样信号，输出为电磁轴承本体4中转子的位移估计信号。

在本实用新型中，高速A/D转换器的“高速”是指A/D转换器的采样率应大于100倍的PWM移相控制的开关功率放大器1中功率器件的开关频率，如开关频率为20kHz，则A/D转换器的采样率应大于20MHz。

在本实用新型中，实现电磁轴承本体4中转子在一个自由度(方向)上的位移控制需要两路线圈电流及一路转子位移估计信号。本实用新型中以电磁轴承本体4为四自由度径向电磁轴承为例，应有PWM移相控制的开关功率放大器1和开关功率放大器3均为四通道配置。

以下结合附图，以具体的实施例对本实用新型作进一步描述：

在图1所示的实施例中，本实用新型基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承包括PWM移相控制的开关功率放大器1、电磁轴承转子位移估计及控制电路2、开关功率放大器3和电磁轴承本体4。电磁轴承本体4包括转子5以及同轴套在转子5上的第一磁轴承6和第二磁轴承7，第一磁轴承6外周围有两个自由度的两组磁极铁心8，每组磁极铁心8对称安装，磁极铁心8上绕有线圈负载9，线圈负载9连接到功放的输出端。

PWM移相控制的开关功率放大器1包括移相PWM信号发生器1-1和功放主电路1-2。其中PWM信号发生器1-1接收来自电磁轴承转子位移估计及控制电路2的四路控制信号u_ca、u_cb、u_cc和u_cd和来自功放主电路1-2中电流传感器输出的线圈电流检测信号i_ma～i_md，并发送四路周期同为T_s的PWM信号u_ga、u_gb、u_gc和u_gd到功放主电路1-2和电磁轴承转子位移估计及控制电路2。

本发明的功放主电路1-2包含四个相互独立的功率电路拓扑(如半桥、H桥拓扑等)，分别通过PWM信号u_ga、u_gb、u_gc和u_gd控制，并对应输出线圈电流i_a、i_b、i_c和i_d到电磁轴承本体4中的相应线圈。此外，功率主电路1-2中包含的电流传感器检测线圈电流i_a、i_b、i_c和i_d的大小，生成线圈电流检测信号i_ma、i_mb、i_mc和i_md并发送给移相PWM信号发生器和电磁轴承转子位移估计及控制电路2。

电磁轴承转子位移估计及控制电路2包括触发与定时电路2-1、多路复选电路2-2、高速A/D转换器2-3、数字信号处理器2-4、D/A转换器2-5。

其中触发与定时电路2-1接收来自PWM移相控制的开关功率放大器1的四路PWM信号u_ga～u_gd，检测各路PWM信号中检测周期开始时刻对应的上升沿，配合定时电路产生选通信号u_sel＝1、2、3或4，例如当触发与定时电路2-1检测到PWM信号u_ga的检测周期上升沿后，延时T_s/8后产生选通信号u_sel＝1。选通信号u_sel同时发送至多路复选电路2-2和数字信号处理器2-4。

多路复选电路2-2接收选通信号u_sel，允许从另一组输入端接收的4路线圈电流检测信号i_ma～i_md中的一路传输到高速A/D转换器2-3的输入端，具体对应关系为：当u_sel＝1时，线圈电流检测信号i_ma所在通道被选通，i_ma传输到高速A/D转换器2-3的输入端；当u_sel＝2时，线圈电流检测信号i_mb所在通道被选通，i_mb传输到高速A/D转换器2-3的输入端；当u_sel＝3时，线圈电流检测信号i_mc所在通道被选通，i_mc传输到高速A/D转换器2-3的输入端；当u_sel＝4时，线圈电流检测信号i_md所在通道被选通，i_md传输到高速A/D转换器2-3的输入端。

高速A/D转换器2-3接收多路复选电路2-2输出的线圈电流检测信号，对其进行高速采样并做A/D转换，得到的线圈电流数字信号发送至数字信号处理器2-4。

数字信号处理器2-4接收来自高速A/D转换器2-3的线圈电流数字信号和来自触发与定时电路2-1的选通信号u_sel，利用u_sel的值判断当前接收的线圈电流数字信号编号，并通过“直接电流测量法”求得四个自由度上的转子位移估计信号，进而可以通过离散PID控制等常用有传感器主动电磁轴承控制产生八路控制信号u_ca、u_cb、u_cc、u_cd、u_ce、u_cf、u_cg和u_ch。

对数字信号处理器2-4生成的八路控制信号u_ca、u_cb、u_cc、u_cd、u_ce、u_cf、u_cg和u_ch，其中控制信号u_ca～u_cd通过D/A转换器2-5进行数字模拟转换后，发送给PWM移相控制的开关功率放大器1，分别用于控制线圈电流i_a～i_d的大小。控制信号u_ce～u_ch通过D/A转换器2-5进行数字模拟转换后，发送给开关功率放大器3，分别用于控制线圈电流i_g～i_h的大小。

电磁轴承本体4包括四自由度径向电磁轴承定子、转子和基座等，其中定子包含定子铁心和八个线圈负载：线圈负载a、线圈负载b、线圈负载c、线圈负载d、线圈负载e、线圈负载f、线圈负载g和线圈负载h。电磁轴承本体4接收来自PWM移相控制的开关功率放大器1输出的线圈电流i_a～i_d，并将线圈电流分别通入线圈负载a～线圈负载d。电磁轴承本体4接收来自开关功率放大器3输出的线圈电流i_e～i_h，并将线圈电流分别通入线圈负载e～线圈负载h。

如图2所示，为第一磁轴承6和第二磁轴承7在转子5轴向上的空间位置关系，第一磁轴承6和第二磁轴承7分别位于转子的轴向两端，提供对转子5在四个自由度上的控制。

如图3所示，为第一磁轴承6的结构示意图。第一磁轴承6由磁极AY+、磁极AY-、磁极AX+和磁极AX-组成，且各磁极均由磁极铁心8和线圈负载9构成。图3中转子上的坐标轴yA和xA分别表示垂直和水平方向的两个转子运动自由度，坐标轴中心转子质心重合。在坐标轴yA上，磁极AY+位于yA>0一侧且其中轴线位yA轴对齐，磁极AY-位于yA<0一侧且其中轴线与yA轴对齐。在坐标轴xA上，磁极Ax+位于xA>0一侧且中轴线与xA轴对齐，磁极AX-位于xA<0一侧且其中轴线位与xA轴对齐。磁极AY+、磁极AY-、磁极AX+和磁极AX-中的线圈负载分别对应图1中电磁轴承本体中的线圈负载a、线圈负载e、线圈负载f、线圈负载b。

如图4所示，第二磁轴承7由磁极BY+、磁极BY-、磁极BX+和磁极BX-组成，且均由磁极铁心8和线圈负载9构成。图4中转子5上的坐标轴yB和xB分别表示垂直和水平方向的两个转子运动自由度，坐标轴中心与转子质心重合。在坐标轴yB上，磁极BY+位于yB>0一侧且其中轴线位与yB轴对齐，磁极BY-位于yB<0一侧且其中轴线位与yB轴对齐。在坐标轴xB上，磁极Bx+位于xB>0一侧且中轴线与xB轴对齐，磁极BX-位于xB<0一侧且其中轴线位与xB轴对齐。磁极BY+、磁极BY-、磁极BX+和磁极BX-中的线圈负载分别对应图1中电磁轴承本体4中的线圈负载c、线圈负载g、线圈负载h、线圈负载d。

由上可见，本实用新型在保证自传感电磁轴承性能的前提下，只增加功能简单的辅助电路，就实现了用一路高速A/D转换器对四路线圈电流检测信号中可用于转子位移估计的有效数据的采集，可以有效降低系统成本和减少数字处理器硬件资源的占用。

Claims (7)

1.一种基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承，包括开关功率放大器(3)和电磁轴承本体(4)，其特征在于：还包括PWM移相控制的开关功率放大器(1)和电磁轴承转子位移估计及控制电路(2)，PWM移相控制的开关功率放大器(1)和开关功率放大器(3)的驱动输出端连接到电磁轴承本体(4)，PWM移相控制的开关功率放大器(1)的反馈输出端连接到电磁轴承转子位移估计及控制电路(2)；PWM移相控制的开关功率放大器(1)输出各路通道的驱动电流分别连接到电磁轴承本体(4)中每个轴承每个自由度的一个线圈负载上。

2.根据权利要求1所述的一种基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承，其特征在于：所述的PWM移相控制的开关功率放大器(1)为多通道两电平电流型PWM开关功率放大器，所述的开关功率放大器(3)为多通道两电平电流型PWM开关功率放大器。

3.据权利要求1所述的一种基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承，其特征在于：所述电磁轴承转子位移估计及控制电路(2)包括触发与定时电路(2-1)、多路复选电路(2-2)、高速A/D转换器(2-3)、数字信号处理器(2-4)和D/A转换器(2-5)；

触发与定时电路(2-1)的输入端与所述PWM移相控制的开关功率放大器(1)的输出端相连，触发与定时电路(2-1)的输出端分为两路分别连接到多路复选电路(2-2)的一个输入端和数字信号处理器(2-4)的一个输入端；多路复选电路(2-2)的另一输入端与所述PWM移相控制的开关功率放大器(1)的一组输出端相连，多路复选电路(2-2)的输出端与高速A/D转换器(2-3)的输入端相连；高速A/D转换器(2-3)与数字信号处理器(2-4)的另一个输入端连接，数字信号处理器(2-4)的输出端连接到D/A转换器(2-5)的输入端，D/A转换器(2-5)的两路输出端分别连接到所述PWM移相控制的开关功率放大器(1)和开关功率放大器(3)的输入端。

4.据权利要求1或3所述的一种基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承，其特征在于：所述PWM移相控制的开关功率放大器(1)包括移相PWM信号发生器(1-1)和功放主电路(1-2)；所述移相PWM信号发生器(1-1)的一组输入端与所述电磁轴承转子位移估计及控制电路(2)的一组输出端连接，另一组输入端与功放主电路(1-2)的一组输出端连接，移相PWM信号发生器(1-1)的输出端分别连接到功放主电路(1-2)的输入端和所述电磁轴承转子位移估计及控制电路(2)的一组输入端；功放主电路(1-2)的另一组输出端与所述电磁轴承本体(4)中的线圈负载对应连接。

5.据权利要求1或3所述的一种基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承，其特征在于：所述开关功率放大器(3)的输入端与所述电磁轴承转子位移估计及控制电路(2)的一组输出端相连，开关功率放大器(3)的输出端与电磁轴承本体(4)中的线圈负载对应连接。

6.据权利要求1或3所述的一种基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承，其特征在于：所述电磁轴承本体(4)的一组输入端与PWM移相控制的开关功率放大器(1)的输出端相连，另一组输入端与开关功率放大器(3)的相连。

7.据权利要求1所述的一种基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承，其特征在于：所述的电磁轴承本体(4)为主动电磁轴承本体或者电磁-永磁混合轴承本体。