CN209800542U

CN209800542U - 一种适用于各自由度不同偏置组合的磁轴承控制装置

Info

Publication number: CN209800542U
Application number: CN201821518194.4U
Authority: CN
Inventors: 高爽; 张亮; 夏冰
Original assignee: BEIJING YZJ ENVIRONMENTAL PROTECTION SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Beijing Yazhijie Power Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2019-12-17
Anticipated expiration: 2028-09-18

Abstract

一种适用于磁轴承各自由度不同偏置组合的磁轴承控制装置，用来对磁悬浮‑转子系统进行主动控制，主要包括：控制板、转接板和功放板。该装置通过控制板上的接口电路获取磁轴承转子位移信号、线圈电流、转速信号数据，DSP芯片根据采集的数据生成控制量，发送给FPGA进行PWM的生成，然后输出给驱动板的功放环节，生成磁轴承线圈所需的电流，从而实现对磁轴承‑转子系统的主动控制。本实用新型适用于磁轴承各自由度不同偏置组合的情况，磁轴承的5个自由度采用永磁偏置和电磁偏置的数量任意分配、无论电磁偏置还是永磁偏置都可以实现三电平控制策略减小电流纹波、并且所用PWM引脚数量尽量少，克服现有的磁轴承控制器对于各自由度电磁偏置和永磁偏置组合不够灵活、电流纹波较大、驱动电路采用独立电源导致成本高等问题。

Description

一种适用于各自由度不同偏置组合的磁轴承控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种适用于各自由度不同偏置组合的磁轴承控制装置，用于对磁轴承系统进行控制，适用于磁轴承各自由度不同偏置组合的应用场合。

背景技术

磁轴承按照磁力的提供方式不同可分为三类：有源磁轴承(电磁偏置式磁轴承)、无源磁轴承和混合磁轴承(永磁偏置式磁轴承)。目前讨论最多的是电磁偏置式和永磁偏置式磁轴承。

在一个转动系统的磁轴承支承结构中，通常需要控制转子体的5个自由度(4个径向自由度和1个轴向自由度)，才能实现转子体的悬浮。设计者根据应用场合的不同，可能径向和轴向自由度的偏置结构设计不一样，组合也不尽相同，这时就需要能够适应不同自由度偏置组合的磁轴承控制装置来实现控制。

理论上讲，不同偏置组合磁轴承系统的适用性更强。本实用新型涉及的控制装置可以控制不同偏置组合的磁轴承共同支承一个转子体。

发明内容

本实用新型的技术解决问题：克服现有的磁轴承控制器对于各自由度电磁偏置和永磁偏置组合不够灵活、电流纹波较大、驱动电路采用独立电源导致成本高等问题，提供一种磁轴承的5个自由度采用永磁偏置和电磁偏置的数量任意分配、无论电磁偏置还是永磁偏置都可以实现三电平控制策略减小电流纹波、并且所用PWM引脚数量尽量少的方法。

本实用新型采用的技术方案为：磁轴承控制装置由磁轴承控制板(100)、转接板(101)、驱动板(102)(103)组成，控制板(100)和驱动板(102)(103) 之间通过转接板(101)连接。控制板(100)主要由FPGA(105)、DSP(104)、磁轴承位移检测电路(106)和磁轴承电流调理电路(107)等构成，实现磁轴承位移和电流的检测处理以及核心算法运算并输出控制信号；驱动板(102)和 (103)电路结构相同，每块驱动板包括5个PWM跳线选择电路(108)、5个电流跳线选择电路(109)、5个高速光耦自举式驱动电路(110)、5个电流检测电路(111)、5个单相全桥电路(112)，实现控制信号的功率放大，每个单相全桥电路由4个带反并联二极管的N沟道MOSFET单管(113)构成。

进一步，本实用新型中控制板(100)共包括30路PWM信号PWM1-PWM30 和10路电流信号I1-I10，通过跳线对控制板(100)提供的多路PWM和电流信号端子进行选择，以满足不同偏置组合磁轴承控制的需要。

进一步，本实用新型可用于5个自由度均为永磁偏置式的磁轴承控制。采用1块驱动板，5个单相全桥电路(112)，PWM跳线选择方式见具体实施方式。

本实用新型也可用于5个自由度均为电磁偏置式的磁轴承控制。采用2 块驱动板，10个单相全桥电路(112)，PWM跳线选择方式见具体实施方式。

本实用新型可用于4自由度永磁偏置+1自由度电磁偏置式磁轴承控制。采用2块驱动板，6个单相全桥电路(112)，PWM跳线选择方式见具体实施方式。

本实用新型可用于4自由度电磁偏置+1自由度永磁偏置式磁轴承控制。采用2块驱动板，9个单相全桥电路(112)，PWM跳线选择方式见具体实施方式。

与其他结构形式的磁轴承控制装置相比，本实用新型有如下优点：

针对磁轴承各自由度不同的偏置组合的情况，具有较强的适应性。

结构简单，无论哪种偏置控制方式都可以实现三电平控制策略，电流纹波小。

各自由度的驱动主电路每个桥臂的上下功率管采用自举式驱动，可共享电源，从而简化电路，降低了成本。

附图说明

图1为磁轴承控制器结构框图；

图1中各标号：100、控制板，101、转接板，102、驱动板1，103、驱动板2，104、DSP，105、FPGA，106、磁轴承位移检测电路，107、磁轴承电流调理电路，108、PWM跳线选择电路，109、电流跳线选择电路，110、高速光耦自举式驱动电路，111、电流检测电路，112、单相全桥电路。

图2为单相全桥电路图；

图3为驱动板每路单相全桥电路4个功率管的驱动信号连接方式图；

图4为常见的驱动信号连接方式图；

图5为磁轴承5个自由度均为永磁式驱动信号连接方式图；

图6为磁轴承5个自由度均为电磁式驱动信号连接方式图；

图7为磁轴承4个自由度为永磁偏置式且1个自由度为电磁偏置式的驱动信号连接方式图；

图8为磁轴承4个自由度为电磁偏置式且1个自由度为永磁偏置式的驱动信号连接方式图；

具体实施方式

一种适用于各自由度不同偏置组合的磁轴承控制装置由控制板(100)、转接板(101)、驱动板1(102)、驱动板2(103)组成。

各部分的连接方式如图1所示，其具体连接方式如下：控制板(100) 和驱动板1(102)、驱动板2(103)之间通过转接板(101)连接。控制板(100) 主要由FPGA(105)、DSP(104)、磁轴承位移检测电路(106)和磁轴承电流调理电路(107)等构成；驱动板1(102)和驱动板2(103)电路结构相同，每块驱动板包括5个PWM跳线选择电路(108)、5个电流跳线选择电路(109)、5 个高速光耦自举式驱动电路(110)、5个电流检测电路(111)、5个单相全桥电路(112)。

控制板(100)共包括30路PWM信号PWM1-PWM30和10路电流信号I1 -I10，通过跳线对控制板(100)提供的多路PWM和电流信号端子进行选择，以满足不同偏置组合磁轴承控制的需要。

驱动板1(102)的数目取决于磁轴承各自由度的偏置组合方式：5个自由度均为永磁偏置式的磁轴承需要5个单相全桥电路(112)，即1块驱动板；5 个自由度均为电磁偏置式的磁轴承需要10个单相全桥电路(112)，即2块驱动板；4自由度永磁偏置外加1自由度电磁偏置式磁轴承需要6个单相全桥电路 (112)，即2块驱动板；4自由度电磁偏置外加1自由度永磁偏置式磁轴承需要 9个单相全桥电路(112)，即2块驱动板。

控制板(100)输出的30路PWM分成5组，标记为PWMi1、PWMi2、PWMi3、 PWMi4、PWM1i5、PWM2i5，(i＝1，2，3，4，5)；10路电流也分为5组，标记为I1i， I2i，(i＝1，2，3，4，5)；驱动板1(102)上每路单相全桥电路(112)中4个功率管的驱动信号选择方式取决于PWM跳线选择电路(108)，PWMGi1通过跳线选择 PWMi1或者PWMi2，PWMGi2通过跳线选择PWMi2或者DGND，PWMGi3通过跳线选择PWMi3或者PWMi5，PWMi5通过跳线选择PWM1i5或者PWM2i5，PWMGi4通过跳线选择PWMi4或者PWMi3，这样总共需要10位的双排插针，如果采用传统思路的7选1方式，如图4，则需要28位的双排插针，图3的连接选择方式节省了硬件布局空间，减小了因走线长度加长引起干扰的可能性。

实施例一：如果磁轴承5个自由度均为永磁式，那么需要5个单相全桥电路(112)，共1块驱动板，驱动信号跳线选择方式如图5，每个单相全桥电路 (112)的4个驱动信号分别选择PWMi1、PWMi2、PWMi3、PWMi4，(i＝1，2，3，4，5)。

实施例二：如果磁轴承5个自由度均为电磁式，那么需要10个单相全桥电路(112)，共2块驱动板(102)(103)，驱动信号跳线选择方式如图6，驱动板(102)的每个单相全桥电路(112)的4个驱动信号分别选择PWMi1、DGND、 PWM1i5、PWMi4，(i＝1，2，3，4，5)，驱动板2(103)的每个单相全桥电路(112) 的4个驱动信号分别选择PWMi2、DGND、PWM2i5、PWMi3，(i＝1，2，3，4，5)。

实施例三：如果磁轴承径向4个自由度均为永磁偏置式且轴向1个自由度为电磁偏置式，那么需要6个单相全桥电路(112)，共2块驱动板(102)(103)，驱动信号跳线选择方式如图7，驱动板1(102)的前4个单相全桥电路(112) 的4个驱动信号分别选择PWMi1、PWMi2、PWMi3、PWMi4，(i＝1，2，3，4)，驱动板 1(102)的第5个单相全桥电路(112)的4个驱动信号分别选择PWMi1、DGND、 PWM1i5、PWMi4，(i＝5)；驱动板2(103)的第5个单相全桥电路(112)的4个驱动信号分别选择PWMi2、DGND、PWM2i5、PWMi3，(i＝5)，驱动板2(103)的前4路单相全桥电路(112)不用。

实施例四：如果磁轴承径向4个自由度均为电磁偏置式且轴向1个自由度为永磁偏置式，那么需要9个单相全桥电路(112)，即2块驱动板(102)(103)，驱动信号跳线选择方式如图8，驱动板1(102)的前4个单相全桥电路(112) 的4个驱动信号分别选择PWMi1、DGND、PWM1i5、PWMi4，(i＝1，2，3，4)，驱动板 1(102)的第5个单相全桥电路(112)的4个驱动信号分别选择PWMi1、PWMi2、 PWMi3、PWMi4，(i＝5)；驱动板2(103)的前4个单相全桥电路(112)的4个驱动信号分别选择PWMi2、DGND、PWM2i5、PWMi3，(i＝1，2，3，4)，驱动板2(103) 的第5路单相全桥电路(112)不用。

Claims

1.一种适用于各自由度不同偏置组合的磁轴承控制装置，其特征在于，由控制板(100)、转接板(101)、驱动板1(102)、驱动板2(103)组成；控制板(100)和驱动板1(102)、驱动板2(103)之间通过转接板(101)连接；控制板(100)主要由FPGA(105)、DSP(104)、磁轴承位移检测电路(106)和磁轴承电流调理电路(107)等构成；控制板共包括30路PWM信号PWM1～PWM30和10路电流信号I1～I10；驱动板1(102)和驱动板2(103)电路结构相同，每块驱动板包括5个PWM跳线选择电路(108)、5个电流跳线选择电路(109)、5个高速光耦自举式驱动电路(110)、5个电流检测电路(111)、5个单相全桥电路(112)；驱动板的数目取决于磁轴承各自由度的偏置组合方式，5个自由度均为永磁偏置式的磁轴承需要5个单相全桥驱动，即1块驱动板，5个自由度均为电磁偏置式的磁轴承需要10个单相全桥驱动，即2块驱动板，4自由度永磁偏置+1自由度电磁偏置式磁轴承需要6个单相全桥驱动，即2块驱动板，4自由度电磁偏置+1自由度永磁偏置式磁轴承需要9个单相全桥驱动，即2块驱动板；通过跳线对控制板提供的多路PWM和电流信号端子进行选择，以满足不同偏置组合磁轴承控制的需要。

2.根据权利要求1所述的适用于各自由度不同偏置组合的磁轴承控制装置，其特征在于，所述的驱动板1(102)、驱动板2(103)中磁轴承单元主回路采用单相全桥电路(112)拓扑，单相全桥电路由4个带反并联二极管的N沟道MOSFET单管(113)构成。

3.根据权利要求1所述的适用于各自由度不同偏置组合的磁轴承控制装置，其特征在于，所述的控制板(100)输出的30路PWM分成5组，标记为PWMi1、PWMi2、PWMi3、PWMi4、PWM1i5、PWM2i5，其中i＝1，2，3，4，5；10路电流也分为5组，标记为I1i，I2i，其中i＝1，2，3，4，5；驱动板1(102)上每路单相全桥电路(112)中4个功率管的驱动信号选择方式取决于PWM跳线选择电路(108)，PWMGi1通过跳线选择PWMi1或者PWMi2，PWMGi2通过跳线选择PWMi2或者DGND，PWMGi3通过跳线选择PWMi3或者PWMi5，PWMi5通过跳线选择PWM1i5或者PWM2i5，PWMGi4通过跳线选择PWMi4或者PWMi3。

4.根据权利要求1所述的适用于各自由度不同偏置组合的磁轴承控制装置，其特征在于，所述的磁轴承5个自由度均为永磁式，需要5个单相全桥电路(112)，共1块驱动板1(102)，PWM跳线选择电路(108)的跳线连接方式为PWMGi1连接PWMi1、PWMGi2连接PWMi2、PWMGi3连接PWMi3、PWMGi4连接PWMi4，其中i＝1，2，3，4，5。

5.根据权利要求1所述的适用于各自由度不同偏置组合的磁轴承控制装置，其特征在于，所述的磁轴承5个自由度均为电磁式，需要10个单相全桥电路(112)，驱动板1(102)、驱动板2(103)，驱动板1(102)的PWM跳线选择电路(108)的跳线连接方式为PWMGi1连接PWMi1、PWMGi2连接DGND、PWMGi3连接PWM1i5、PWMGi4连接PWMi4，其中i＝1，2，3，4，5，驱动板2(103)的PWM跳线选择电路(108)的跳线连接方式为PWMGi1连接PWMi2、PWMGi2连接DGND、PWMGi3连接PWM2i5、PWMGi4连接PWMi3，其中i＝1，2，3，4，5。

6.根据权利要求1所述的适用于各自由度不同偏置组合的磁轴承控制装置，其特征在于，所述的磁轴承径向4个自由度均为永磁偏置式且轴向1个自由度为电磁偏置式，需要6个单相全桥电路(112)，驱动板1(102)、驱动板2(103)，驱动板1(102)的PWM跳线选择电路(108)的跳线连接方式为PWMGi1连接PWMi1、PWMGi2连接PWMi2、PWMGi3连接PWMi3、PWMGi4连接PWMi4，其中i＝1，2，3，4，PWMG51连接PWM51、PWMG52连接DGND、PWMG53连接PWM155、PWMG54连接PWM54；驱动板2(103)的PWM跳线选择电路(108)的跳线连接方式为PWMGi1连接PWMi2、PWMGi2连接DGND、PWMGi3连接PWM2i5、PWMGi4连接PWMi3，其中i＝5。

7.根据权利要求1所述的适用于各自由度不同偏置组合的磁轴承控制装置，其特征在于，所述的磁轴承径向4个自由度均为电磁偏置式且轴向1个自由度为永磁偏置式，需要9个单相全桥电路(112)，即驱动板1(102)、驱动板2(103)，驱动板1(102)的PWM跳线选择电路(108)的跳线连接方式为PWMGi1连接PWMi1、PWMGi2连接DGND、PWMGi3连接PWM1i5、PWMGi4连接PWMi4，其中i＝1，2，3，4，PWMG51连接PWM51、PWMG52连接PWM52、PWMG53连接PWM53、PWMG54连接PWM54；驱动板2(103)的PWM跳线选择电路(108)的跳线连接方式为PWMGi1连接PWMi2、PWMGi2连接DGND、PWMGi3连接PWM2i5、PWMGi4连接PWMi3，其中i＝1，2，3，4。