[发明专利]基于PWM信号移相控制的低成本自传感电磁轴承

说明书

技术领域

本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明的发明构思是：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，本发明所采取的技术方案是：

本发明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。

PWM移相控制的开关功率放大器和开关功率放大器各通道产生PWM信号输出驱动电流到电磁轴承本体控制其运转；电磁轴承转子位移估计及控制电路接收来自PWM移相控制的开关功率放大器所有通道的PWM信号及输出的驱动电流检测信号，对转子位移进行自传感估计，并产生控制信号发送给PWM移相控制的开关功率放大器和开关功率放大器；开关功率放大器接收来自电磁轴承转子位移估计及控制电路的控制信号，每个通道输出一路线圈电流驱动电磁轴承本体中的一路线圈负载；电磁轴承本体接收来自PWM移相控制的开关功率放大器和开关功率放大器的驱动电流，驱动电磁轴承本体中的线圈负载；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。