[发明专利]高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁力支撑装置，具体涉及一种高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统及控制方法。

背景技术

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。

常规的电磁轴承控制器通常采用两块DSP或者DSP+FPGA的控制方式，以输出10路不同的PWM控制信号进行控制，同时功率电路中的驱动电路、隔离电路和功率主电路通常采用独立元器件组成，并且双极式H型主电路采用了传统的两个功率开关管和两个二极管搭建而成，导致后期调试十分不便，同时，控制电路的成本也比较大。

发明内容

为了解决常规电磁轴承控制器集成化程度不高，调试和维护不便的问题，设计了一种高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统及控制方法。

本发明的基本原理是：

采用以三相全桥IPM作为功率电路进行控制，只选用其U、V、W三相输出的其中U、V两相，即控制六个功率开关管的其中的两个，构成双极式H型主电路，在轴承端盖处安装的位移传感器为接收元件，以接收到的转子偏转的距离信号为控制参考，通过位移调理电路闭环为外环和电流调理电路闭环为内环的控制方式，来实时地调节电机转子移动的距离，达到让转子稳定悬浮在平衡位置的目的，实现无接触运行。

本发明解决技术问题采用的技术方案具体是：

本发明提供了一种高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统，其特征在于：包括上位机以及五个控制单元；

控制单元包括DSP控制器、信号隔离电路、功率电路、信号调理单元以及传感器；

所述上位机与DSP控制器相互连接，DSP控制器输出的控制信号经过所述信号隔离电路发送至功率电路，功率电路与待控制磁悬浮轴承的线圈连接，待控制磁悬浮轴承的端盖上分别安装传感器，传感器检测磁悬浮轴承转子距离平衡位置的位移和磁悬浮轴承线圈中的电流通过信号调理单元将电流信号和位移信号回传至DSP控制器；

所述DSP控制器为TMS320F28377D芯片，该芯片采用双核结构，具有24路增强功能的EPWM输出，20路12位或者10路16位的A/DC模数转换器；所述功率电路采用2路三相全桥IPM。

进一步地，所述DSP控制器包括位置环调节器、第三比较器、第四比较器以及电流环调节器；

位置环调节器包括第一比较器、PID环节、网络校正环节以及限幅环节；信号调理单元的位移信号作为第一比较器的反向输入，上位机提供的目标位置信号作为第一比较器的正向输入，第一比较器的输出依次通过PID环节、网络校正环节、限幅环节后作为第三比较器的正向输入和第四比较器反向输入；第二比较器的反向输入以及第三比较器的正向输入分别来自于上位机提供的偏置电流；第二比较器和第三比较器的输出分别作为电流环调节器的两路输入；

电流环调节器包括与第二比较器和第三比较器发送来的两路输入分别对应两路PWM信号产生单元；

PWM信号产生单元包括第四比较器、PI环节、三电平脉宽调制环节；

信号调理单元的电流信号作为第四比较器的反向输入，第二比较器或第三比较器的输出作为第四比较器的正向输入；第四比较器的输出依次经过PI环节、三电平脉宽调制环节产生控制1路三相全桥IPM动作的PWM信号。

进一步地，所述信号隔离电路采用20路由光耦6N137构成的隔离电路，利用光电隔离原理，对PWM信号进行隔离。

进一步地，所述传感器包括位移传感器以及电流传感器，位移传感器用于检测转子距离平衡位置的位移；电流传感器用于检测线圈中的电流，再将检测到的位移信号和电流信号转化成电压值。

进一步地，所述信号调理单元包括电流调理电路和位移调理电路；所述电流调理电路负责将电流传感器检测到的线圈电流信号进行滤波处理和放大处理；

所述位移调理电路负责将转子距离平衡位置的位移信号进行滤波处理和放大处理。

基于上述高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统的系统架构的描述，现对采用其进行磁悬浮轴承的控制方法进行描述，其中，磁悬浮轴承的每一个自由度均按照以下步骤执行，其具体包括：

1)上位机始终发送转子的目标位置信号作为第一比较器的正向输入，并同时向第二比较器和第三比较器输入一个偏置电流i₀；

2)当转子处于偏离目标位置时，位移传感器将感应出的转子偏离平衡位置的位移转化成电压反馈信号；