[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

权利要求书

1.一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。

2.根据权利要求1所述的高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统，其特征在于：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。

3.根据权利要求2所述的高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统，其特征在于：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。

4.根据权利要求3所述的高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统，其特征在于：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。

5.根据权利要求4所述的高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统，其特征在于：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。

6.基于权利要求5高速电机用磁悬浮轴承一体化控制系统的系统的控制方法，其特征在于：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；

3)电压反馈信号经过位移调理电路进行滤波放大处理，得到进入位置环调节器的位移反馈信号，并将该位移反馈信号作为第一比较器的反向输入；

4)通过第一比较器将所述位移反馈信号与上位机给定的目标位置信号进行比较计算，得到转子的位移误差信号；

5)位移误差信号经过位置环调节器的PID环节、网络校正环节以及限幅环节进行运算，得到控制电流指令i_c；

6)控制电流指令i_c与偏置电流i₀在第二比较器和第三比较器上进行运算，分别得到待控制电机两个线圈的差动控制电流指令i₀+i_c和i₀-i_c；

7)电流传感器实时检测两个线圈中的电流值，经过电流调理电路进行滤波放大，得到进入电流环调节器的两个电流反馈信号，并将其作为两路PWM信号产生单元的输入；

8)两个差动控制电流指令i₀+i_c和i₀-i_c与两个电流反馈信号分别与每一路PWM信号产生单元中的第四比较器进行比较计算，得到两个电流误差信号；

9)两个电流误差信号分别依次经过PI环节、三电平脉宽调制环节的运算，得到两路分别用于控制两路三相全桥IPM动作的PWM信号：两路PWM信号包括PWM1A信号、PWM1B信号，PWM2A信号、PWM2B信号；其中，PWM1A信号、PWM1B信号之间具有延迟，PWM2A信号、PWM2B信号之间具有延迟；

10)PWM信号经过信号隔离电路进行隔离后分别驱动两路三相全桥IPM的U、V两相，得到两个线圈的输出电流，从而形成电磁力实现对磁悬浮轴承任意一个自由度的控制。