CN207539188U - 五自由度磁悬浮轴承控制系统 - Google Patents

Abstract

五自由度磁悬浮轴承控制系统，属于电磁轴承的控制系统，具体涉及一种轴承控制系统；本实用新型为了解决现有技术中的磁悬浮轴承控制系统控制效果不佳，运行可靠性低的问题；本实用新型的DSP控制器包括依次连接的位置调节器、电流指令生成模块和电流调节器，位置环调节器包括第一乘法器和位置环调节器，线圈通过电流反馈电路连接电流调节器，转子通过位移反馈电路连接第一乘法器，第一乘法器的输出端连接位置环调节器；本实用新型可实时调节线圈中流过的电流，真正达到转子稳定控制的目的，具有运行可靠且效率高的特点。

Description

五自由度磁悬浮轴承控制系统

技术领域

本发明属于电磁轴承的控制系统，具体涉及一种五自由度磁悬浮轴承控制系统。

背景技术

随着社会的进步和工业的发展，轴承得到了广泛地应用，为人们的生活生产带来了便利。磁悬浮轴承是利用电磁力实现转子和定子之间无机械接触的性能极高的新型轴承，与传统轴承相比，磁悬浮轴承具有不存在机械摩擦，不需要润滑，工作环境要求低，效率更高的特点。然而，现有技术中的磁悬浮控制系统控制效果不佳，运行可靠性低。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型公开了五自由度磁悬浮轴承控制系统，实现无接触运行，控制效果优良。

本实用新型的目的是这样实现的：

五自由度磁悬浮轴承控制系统，包括DSP控制器、功率单元、线圈、转子、电流反馈电路和位移反馈电路，DSP控制器的输出端通过功率单元连接线圈，所述DSP控制器包括依次连接的位置调节器、电流指令生成模块和电流调节器，位置调节器包括第一乘法器和位置环调节器，线圈通过电流反馈电路连接电流调节器，转子通过位移反馈电路连接第一乘法器，第一乘法器的输出端连接位置环调节器。

所述电流指令生成模块包括第二乘法器和第三乘法器，位置环调节器的输出端分别连接第二乘法器和第三乘法器，第二乘法器的输出端和第三乘法器的输出端均与电流调节器建立连接。

所述电流调节器包括正电流环调节电路和负电流环调节电路，第二乘法器的输出端连接正电流环调节电路，第三乘法器的输出端连接负电流环调节电路，所述电流反馈电路的输出端分别连接正电流环调节电路和负电流环调节电路。

所述功率单元包括驱动隔离电路和功率电路，所述驱动隔离电路包括隔离电路、驱动电路，所述隔离电路包括第一隔离电路、第二隔离电路和反相电路，第一隔离电路的输出端和第二隔离电路的输出端均连接反相电路的输入端，反相电路的输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端连接功率电路。

所述第一隔离电路和第二隔离电路的结构相同。

所述电流反馈电路包括电流采样模块和电流调理电路，位移反馈电路包括位移采样模块和位移调理电路。

所述电流调理电路和位移调理电路结构相同，所述电流调理电路包括依次连接的电压跟随器、放大电路和RC低通滤波电路。

本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本实用新型的磁悬浮轴承控制系统中，电流采样模块实时检测线圈电流的值，电流传感器将检测到的电流转化成电压信号送给调理电路，同样经过放大滤波后输出给DSP控制器进行运算，形成电流闭环控制，限制线圈中电流的极限值。

2、本实用新型的位移采样模块实时检测电机转子偏离平衡位置的距离，位移传感器将检测到的距离转化成电信号送给信号调理电路，经过放大和滤波后输出给DSP控制器的IO口，DSP根据此信号进行算法处理，形成位移闭环控制，输出相应的PWM信号控制功率电路中开关管的通断，进而调节线圈中流过电流的大小。

3、本实用新型可实时调节线圈中流过的电流，真正达到转子稳定控制的目的，具有运行可靠且效率高的特点。位移采样模块在线监测转子的状态信息，采集到的信号经过调理电路后传给DSP控制器，DSP控制器根据传过来的位移信号，经过运算处理后通过驱动隔离电路送给功率放大器，进而主动控制线圈中的电流转化成的电磁力大小，实现转子与轴承间的无接触相对旋转运动，达到无机械磨损、无需润滑、功耗低、可靠性和使用寿命高的目的，本实用新型可实时调节线圈中流过的电流，真正达到转子稳定控制的目的，具有运行可靠且效率高的特点。

4、本实用新型采用纯电控的方式构成新型的电力磁轴承，利用电磁力使电机转子无接触地悬浮起来，进而代替传统的机械轴承，减少了复杂困难的维护工作，提高了系统运行效率。

附图说明

图1是本实用新型五自由度磁悬浮轴承控制系统结构示意图；

图2本实用新型的DSP控制器的结构框图；

图3为隔离电路和反相电路连接示意图；

图4为驱动电路和功率电路的连接示意图；

图5为电流调理电路示意图。

附图标记如下：

1-第一乘法器、2-位置环调节器、3-第二乘法器、4-第三乘法器、5-正电流环调节电路、6-负电流环调节电路、7-第一隔离电路、8-第二隔离电路、9-驱动电路、10-功率电路、11-电压跟随器、12-放大电路、13-RC低通滤波电路、14-反相电路。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本实用新型的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本实用新型公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

下面结合附图对本实用新型具体实施方式作进一步详细描述。

如图1-2所示，所示本实施例的五自由度磁悬浮轴承控制系统，包括DSP控制器、功率单元、线圈、转子、电流反馈电路和位移反馈电路，DSP控制器的输出端通过功率单元连接线圈，所述DSP控制器包括依次连接的位置调节器、电流指令生成模块和电流调节器，位置环调节器2包括第一乘法器1和位置环调节器2，线圈通过电流反馈电路连接电流调节器，转子通过位移反馈电路连接第一乘法器1，第一乘法器1的输出端连接位置环调节器2；所述电流指令生成模块包括第二乘法器3和第三乘法器4，位置环调节器2的输出端分别连接第二乘法器3和第三乘法器4，第二乘法器3的输出端和第三乘法器4的输出端均与电流调节器建立连接；所述电流调节器包括正电流环调节电路5和负电流环调节电路6，第二乘法器3的输出端连接正电流环调节电路5，第三乘法器4的输出端连接负电流环调节电路6，所述电流反馈电路的输出端分别连接正电流环调节电路5和负电流环调节电路6。

如图3和图4所示，功率单元包括驱动隔离电路和功率电路10，所述驱动隔离电路包括隔离电路、驱动电路9，所述隔离电路包括第一隔离电路7、第二隔离电路8和反相电路14，第一隔离电路7的输出端和第二隔离电路8的输出端均连接反相电路14的输入端，反相电路14的输出端连接驱动电路9的输入端，驱动电路9的输出端连接功率电路10。

本实施例的驱动隔离电路采用经典的光耦隔离加驱动芯片的结构，隔离芯片选用光耦6N137，驱动芯片选用IR公司的驱动芯片IR2110，该芯片体积小，集成度高(可驱动同一桥臂两路)、响应快、驱动能力强、内设欠压封锁、而且成本低、易于调试，并设有外部保护封锁端口。尤其是上管驱动采用外部自举电容上电，使得驱动电路数目较其他IC驱动大大减小，在工程上降低了产品成本，减小了体积，提高了系统的可靠性。

PWM波经过光耦6N137有效的保证了强弱电的电气隔离，再经过反相器SN74LVC2G04DBVTE4，保证了驱动芯片初始状态电平的确定性，防止功率管直通，最后通过驱动芯片IR2110驱动半桥主电路工作。

所述第一隔离电路7和第二隔离电路8的结构相同。

如图5所示，电流反馈电路包括电流采样模块和电流调理电路，位移反馈电路包括位移采样模块和位移调理电路。

电流调理电路和位移调理电路结构相同，所述电流调理电路包括依次连接的电压跟随器11、放大电路12和RC低通滤波电路13，调理电路主要由运放AD822N构成，先经过它构成的电压跟随器，起到缓冲和隔离，提高带载能力的作用，随后经过放大和RC低通滤波后将信号输出给DSP控制器的IO端口。最终达到五自由度磁悬浮轴承稳定悬浮的效果。

线圈通过不同的电流会转化成不同的电磁力去吸引电机转子旋转，五自由度分别指转子前端的X方向和Y方向，后端的X方向和Y方向，以及轴向Z方向这五个自由度。每个自由度包括两个线圈和一个位移传感器探头，他们一起安装在磁悬浮轴承的结构上。

本实施例的五自由度磁悬浮轴承控制系统主要包括控制部分、功率部分和信号调理部分，控制部分是整个控制系统的核心，它负责信号的处理与给定。功率部分主要是驱动隔离电路和H桥式电路，它负责能量的传递。信号调理部分则负责采样到的信号的处理工作，以便能准确传递给DSP控制器处理。

Claims (7)

1.一种五自由度磁悬浮轴承控制系统，包括DSP控制器、功率单元、线圈、转子、电流反馈电路和位移反馈电路，DSP控制器的输出端通过功率单元连接线圈；

其特征在于：所述DSP控制器包括依次连接的位置调节器、电流指令生成模块和电流调节器，位置调节器包括第一乘法器和位置环调节器，线圈通过电流反馈电路连接电流调节器，转子通过位移反馈电路连接第一乘法器，第一乘法器的输出端连接位置环调节器。

2.根据权利要求1所述五自由度磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述电流指令生成模块包括第二乘法器和第三乘法器，位置环调节器的输出端分别连接第二乘法器和第三乘法器，第二乘法器的输出端和第三乘法器的输出端均与电流调节器建立连接。

3.根据权利要求2所述五自由度磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述电流调节器包括正电流环调节电路和负电流环调节电路，第二乘法器的输出端连接正电流环调节电路，第三乘法器的输出端连接负电流环调节电路，所述电流反馈电路的输出端分别连接正电流环调节电路和负电流环调节电路。

4.根据权利要求1所述五自由度磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述功率单元包括驱动隔离电路和功率电路，所述驱动隔离电路包括隔离电路和驱动电路，所述隔离电路包括第一隔离电路、第二隔离电路和反相电路，第一隔离电路的输出端和第二隔离电路的输出端均连接反相电路的输入端，反相电路的输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端连接功率电路。

5.根据权利要求4所述五自由度磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述第一隔离电路和第二隔离电路的结构相同。

6.根据权利要求1所述五自由度磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述电流反馈电路包括电流采样模块和电流调理电路，位移反馈电路包括位移采样模块和位移调理电路。

7.根据权利要求6所述五自由度磁悬浮轴承控制系统，其特征在于：所述电流调理电路和位移调理电路结构相同，所述电流调理电路包括依次连接的电压跟随器、放大电路和RC低通滤波电路。