基于pwm信號移相控制的低成本自傳感電磁軸承的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種自傳感電磁軸承，適用于機(jī)電系統(tǒng)中需要使用電磁軸承但希望大 幅降低成本或避免外置位移傳感器安裝W節(jié)省空間的場合。
【背景技術(shù)】
[0002] 主動電磁軸承具有無摩擦、無需潤滑、無污染、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)，近年來在航空航天、 飛輪儲能、滿輪透平機(jī)械、高速機(jī)床等領(lǐng)域發(fā)展很快。在有傳感器主動電磁軸承系統(tǒng)中，為 了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制，必須在轉(zhuǎn)子的各個自由度分別裝配獨(dú)立的位移傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn) 子位置信號的實(shí)時檢測。位移傳感器的昂貴價格使得系統(tǒng)的成本難W降低，也增加了裝配、 維護(hù)的成本。此外，安裝位移傳感器所需的空間要求制約了電磁軸承尺寸的優(yōu)化，傳感器和 執(zhí)行器的位置不同也使得控制更為復(fù)雜。
[0003] 自傳感電磁軸承是近年來為解決上述問題而提出的新型電磁軸承。通過利用電磁 軸承的電磁線圈的電感大小隨轉(zhuǎn)子位置改變而變化的特性，可W使得電磁線圈在產(chǎn)生電磁 力的同時實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位移估計的功能，從而避免獨(dú)立位置傳感器的使用，實(shí)現(xiàn)主動電磁軸承 的自傳感運(yùn)行。電磁軸承普遍使用開關(guān)功率放大器驅(qū)動其電磁線圈，此時線圈電流中將包 含由于功率器件通斷產(chǎn)生的高頻電流紋波，利用電流紋波變化率與線圈電感的相關(guān)性，可 W通過測量電流紋波的斜率變化進(jìn)行轉(zhuǎn)子位移的估計，實(shí)現(xiàn)自傳感電磁軸承，稱為"直接電 流測量法"。運(yùn)種方法的動態(tài)特性好，但是需要多路高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器對各線圈電流進(jìn)行采 樣，且受滿流效應(yīng)的影響(在開關(guān)功率放大器中開關(guān)器件的通斷時刻附近，線圈電流中開關(guān) 紋波的變化率主要受滿流的影響，與線圈電感的相關(guān)性降低，難W用于轉(zhuǎn)子位移估計），各 路模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)只有部分可用于轉(zhuǎn)子位移估計，實(shí)際造成了系統(tǒng)硬件資源的大量 冗余，導(dǎo)致了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度升高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于Pmi信號移相控制的低成本自傳感電磁軸承，W克 服現(xiàn)有技術(shù)的部分缺陷。
[0005] 本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思是:針對使用"直接電流測量法"實(shí)現(xiàn)的自傳感電磁軸承中硬件 資源的冗余問題，通過對開關(guān)功率放大器PWM信號的移相控制，避免采集滿流效應(yīng)導(dǎo)致的線 圈電流開關(guān)紋波中的無效數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行各路線圈電流檢測信號"有效數(shù)據(jù)采集窗口 "的合 理時序排布，實(shí)現(xiàn)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的多路復(fù)用，進(jìn)而顯著減少系統(tǒng)硬件的冗余，降低系統(tǒng)的 成本和復(fù)雜度。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明包括開關(guān)功率放大器、電磁軸承本體、PWM移相控制的開關(guān)功率放大器和電 磁軸承轉(zhuǎn)子位移估計及控制電路，PWM移相控制的開關(guān)功率放大器和開關(guān)功率放大器的驅(qū) 動輸出端連接到電磁軸承本體，PWM移相控制的開關(guān)功率放大器的反饋輸出端連接到電磁 軸承轉(zhuǎn)子位移估計及控制電路。
[000引pmi移相控制的開關(guān)功率放大器和開關(guān)功率放大器各通道產(chǎn)生pmi信號輸出驅(qū)動 電流到電磁軸承本體控制其運(yùn)轉(zhuǎn)；電磁軸承轉(zhuǎn)子位移估計及控制電路接收來自PWM移相控 制的開關(guān)功率放大器所有通道的PWM信號及輸出的驅(qū)動電流檢測信號，對轉(zhuǎn)子位移進(jìn)行自 傳感估計，并產(chǎn)生控制信號發(fā)送給PWM移相控制的開關(guān)功率放大器和開關(guān)功率放大器;開關(guān) 功率放大器接收來自電磁軸承轉(zhuǎn)子位移估計及控制電路的控制信號，每個通道輸出一路線 圈電流驅(qū)動電磁軸承本體中的一路線圈負(fù)載；電磁軸承本體接收來自PWM移相控制的開關(guān) 功率放大器和開關(guān)功率放大器的驅(qū)動電流，驅(qū)動電磁軸承本體中的線圈負(fù)載;所述的PWM移 相控制的開關(guān)功率放大器輸出各路通道的驅(qū)動電流分別連接到電磁軸承本體中每個軸承 每個自由度的一個線圈負(fù)載上。
[0009]所述的PWM移相控制的開關(guān)功率放大器控制各通道的PWM信號的相位關(guān)系輸出，所 述開關(guān)功率放大器中各通道的PWM信號的相位關(guān)系不控制。
[0010]所述的P歷移相控制的開關(guān)功率放大器為多通道兩電平電流型P歷開關(guān)功率放大 器，所述的開關(guān)功率放大器為多通道兩電平電流型PWM開關(guān)功率放大器。
[0011]所述電磁軸承轉(zhuǎn)子位移估計及控制電路包括觸發(fā)與定時電路，多路復(fù)選電路、高 速A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器和D/A轉(zhuǎn)換器;觸發(fā)與定時電路的輸入端與所述PWM移相控制 的開關(guān)功率放大器的移相PWM信號發(fā)生器的輸出端相連，觸發(fā)與定時電路的輸出端分為兩 路分別連接到多路復(fù)選電路的一個輸入端和數(shù)字信號處理器的一個輸入端;多路復(fù)選電路 的另一輸入端與所述PWM移相控制的開關(guān)功率放大器的功放主電路的一組輸出端相連，多 路復(fù)選電路的輸出端與高速A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端相連;高速A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)字信號處理器的 另一個輸入端連接，數(shù)字信號處理器的輸出端連接到D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端，D/A轉(zhuǎn)換器的兩 路輸出端分別連接到所述PWM移相控制的開關(guān)功率放大器的移相PWM信號發(fā)生器和開關(guān)功 率放大器的輸入端。
[0012]所述的觸發(fā)與定時電路接收來自PWM移相控制的開關(guān)功率放大器所有通道的P歷 信號并分別傳送到多路復(fù)選電路和數(shù)字信號處理器；
[0013] 所述的多路復(fù)選電路接收來自PWM移相控制的開關(guān)功率放大器向軸承發(fā)出的驅(qū)動 電流檢測信號和來自觸發(fā)與定時電路的PWM信號經(jīng)復(fù)選處理輸出；
[0014] 所述的高速A/D轉(zhuǎn)換器接收來自多路復(fù)選電路的一路驅(qū)動電流檢測信號，并對其 進(jìn)行采樣和模擬/數(shù)字變換.
[0015] 所述的數(shù)字信號處理器接收來自高速A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電流檢測信號，對磁軸承 的轉(zhuǎn)子位移進(jìn)行估計生成控制信號；
[0016] 所述的D/A轉(zhuǎn)換器接收數(shù)字信號處理器發(fā)送的控制信號進(jìn)行數(shù)字/模擬變換。
[0017] 所述Pmi移相控制的開關(guān)功率放大器包括移相HVM信號發(fā)生器、功放主電路;所述 移相PWM信號發(fā)生器的一組輸入端與所述電磁軸承轉(zhuǎn)子位移估計及控制電路的D/A轉(zhuǎn)換器 的一組輸出端連接，另一組輸入端與功放主電路的一組輸出端連接，移相PWM信號發(fā)生器的 輸出端分別連接到功放主電路的輸入端和所述電磁軸承轉(zhuǎn)子位移估計及控制電路的觸發(fā) 與定時電路的一組輸入端;功放主電路的另一組輸出端與所述電磁軸承本體中的線圈負(fù)載 對應(yīng)連接。
[0018] 所述開關(guān)功率放大器的輸入端與所述電磁軸承轉(zhuǎn)子位移估計及控制電路的D/A轉(zhuǎn) 換器的一組輸出端相連，開關(guān)功率放大器的輸出端與電磁軸承本體中的線圈負(fù)載對應(yīng)連 接。
[0019] 所述電磁軸承本體的一組輸入端與PWM移相控制的開關(guān)功率放大器的輸出端相 連，另一組輸入端與開關(guān)功率放大器的相連。
[0020] 所述的電磁軸承本體為主動電磁軸承本體或者電磁-永磁混合軸承本體。
[0021] 所述電磁軸承轉(zhuǎn)子位移估計及控制電路具體實(shí)施中可采用DSP、FGPA或其他能夠 實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的數(shù)字電路。
[0022] 本發(fā)明基于PWM信號移相控制的低成本自傳感電磁軸承包括PWM移相控制的開關(guān) 功率放大器、電磁軸承轉(zhuǎn)子位移估計及控制電路、開關(guān)功率放大器和電磁軸承本體;所述 PWM移相控制的開關(guān)功率放大器輸出線圈電流用于驅(qū)動電磁軸承本體中的線圈負(fù)載，且線 圈電流中開關(guān)電流紋波的相位可控;所述電磁軸承轉(zhuǎn)子位移估計及控制電路接收PWM移相 控制的開關(guān)功率放大器產(chǎn)生的線圈電流的電流檢測信號，僅使用一路高速A/D轉(zhuǎn)換器，在兩 個開關(guān)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對4路線圈電流檢測信號的采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過位移估計算法生成轉(zhuǎn) 子位移估計值，再根據(jù)轉(zhuǎn)子位移估計值和磁軸承控制算法形成各路開關(guān)功率放大器所需的 控制信號;所述開關(guān)功率放大器產(chǎn)生僅用于驅(qū)動電磁軸承本體的線圈電流;所述電磁軸承 本體為4自由度徑向電磁軸承及轉(zhuǎn)子，通過控制對應(yīng)角度磁極中線圈電流的大小控制轉(zhuǎn)子 受到的4個自由度上的電磁力大小，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮。
[0023] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述Pmi移相控制的開關(guān)功率放大器中移相載波信號的相位控 制通過鎖相環(huán)化L等數(shù)字算法或其他可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的模擬電路實(shí)現(xiàn)。
[0024] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述電磁軸承轉(zhuǎn)子位移估計及控制電路中實(shí)現(xiàn)的位移估計算法 為"電流直接測量法"，磁軸承控制算法為離散PID等閉環(huán)控制算法。
[0025] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0026] 本發(fā)明與傳統(tǒng)使用"直接電流檢測法"方案的自傳感電磁軸承相比，其優(yōu)點(diǎn)在于： 通過對開關(guān)功率放大器中PWM信號的移相控制，實(shí)現(xiàn)各路線圈電流檢測信號"有效數(shù)據(jù)采集 窗口"的合理時序排布，使得對4路線圈電流檢測信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的硬件需求從四路高速 模數(shù)轉(zhuǎn)換器減少為一路。大幅提高了系統(tǒng)硬件的使用效率，降低了成本和復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0027] 圖