一种电磁轴承数据采集精度优化的系统和方法与流程

1.本发明属于磁悬浮技术领域。特别涉及一种电磁轴承数据采集精度优化的系统和方法。


背景技术：

2.电磁轴承是一种新型高性能磁轴承具有无接触，无摩擦，无需润滑，高转速，低功耗等优点。在电磁轴承控制系统中主要用传感器检测转子的位移信号并传递给控制器，控制器再依据所得到的转子位移信号按照相关控制算法计算出相应的给定电流进行控制，最终实现转子的稳定悬浮。因此，传感器性能的优劣式是影响主动磁轴承性能的关键因素之一。电控部分是电磁轴承控制系统的重要组成部分，它主要包括控制器和功率放大器两部分目前控制器主要采用可灵活改变控制算法的数字控制器，功率放大器目前由于没有专门的芯片产生三电平pwm脉冲，主要采用运算放大器，比较器等基础逻辑电路或者通用的数字控制器等芯片实现，结构较复杂。
3.开关功率放大器具有体积小，功耗低的特性，但是mos管的开关会产生很大的毛刺干扰信号，这些信号会叠加在位移传感器的输出信号上面，如果控制器对转子的位移信号采样时采到毛刺信号，会对电磁轴承的运行精度产生很大的影响，严重时会导致电磁轴承转子失稳掉落。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种电磁轴承数据采集精度优化的系统和方法，优化控制系统采集的转子位移变化信号，提升电磁轴承转子悬浮精度。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种电磁轴承数据采集精度优化的系统，包括数据采集调理单元、主控单元和转化输出单元；
7.所述数据采集调理单元用于采集电磁轴承中转子位移变化量，并将所述位移变化量转换为电压信号发送给主控单元；
8.所述主控单元用于将所述电压信号转化为电流信号，根据所述电流信号确定当前周期的电流误差；根据电流误差计算出脉冲信号占空比，进而根据信号占空比确定开关管当前周期通断时间；根据采样时间和开关管当前周期通断时间计算下一周期的采样区间；并判断下一周期采样区间与当前周期通断区间是否重合；
9.所述转化输出单元用于输出采样时刻脉冲信号，并控制转子稳定悬浮。
10.进一步的，所述主控单元还包括：在判断下一周期采样区间与当前周期通断区间不重合时，则从采样开始时刻再进行采样；如果重合，将采样开始时刻修改为重合区间的后面时刻，并重新盘点采样区间是否重合。
11.进一步的，所述数据采集调理单元包括数据采集模块和调理模块；
12.所述数据采集模块用于采集电磁轴承中转子位移变化量；所述位移变化量为电感
或者电涡流信号；
13.所述调理模块用于将所述电感或者电涡流信号转化为等比例电压信号。
14.进一步的，所述主控单元包括a/d采样模块、信号处理模块、三电平产生模块和处理模块；
15.所述a/d采样模块的输入端与调理模块的输出端相连，用于将所述电压信号转化为位移变化电流信号；
16.所述信号处理模块用于接收位移变化电流信号，并根据位移变化电流信号确定给定电流信号；
17.所述三电平产生模块用于将给定电流信号按照开关函数转换成当前周期开关管的通断时刻，以及产生下一周期开关管的通断时刻；
18.所述处理模块用于接收位移变化电流信号和给定电流信号，计算当前周期的电流误差，以及根据当前周期的电流误差得到下一周期的脉冲信号占空比，以及根据开关函数和占空比计算出三电平产生模块中各开关管的通断时刻，进而确定次采样时刻。
19.进一步的，所述a/d采样模块还用于采集电磁铁线圈电流信号。
20.进一步的，所述主控单元还包括通讯模块；
21.所述通讯模块位于信号处理模块和处理模块之间，用于实现信号处理模块和处理模块之间的通信连接。
22.进一步的，所述三电平产生模块采用全桥电路；
23.所述全桥电路包括4个带有寄生二极管的mos管，且每个mos管的栅极均连接至处理模块；第一mos管的源极和第四mos管的漏极相连；第二mos管的源极和第三mos管的漏极相连；第一mos管的漏极和第三mos管的漏极相连，且连接至供电模块的正极；第二mos管的源极和第三mos管的源极相连，且连接至供电模块的负极；第一mos管的源极和第三mos管的源极之间还设置电阻和电感。
24.进一步的，所述开关函数为：
[0025][0026]
其中，u
tmax
为三角载波信号最大值，δuc(t)为输入电流误差信号；u
t
(t)为三角载波信号，s1为第一mos管的通断时间，s2为第二mos管的通断时间，s3为第三mos管的通断时间，s4为第四mos管的通断时间，1表示导通，0表示关断。
[0027]
进一步的，所述转化输出单元包括功率放大器和电磁线圈；
[0028]
所述功率放大器将主控单元输出的采样时刻脉冲信号转换成电磁线圈的电流；
[0029]
所述电磁线圈将所述电流转换成相应的力控制转子稳定悬浮。
[0030]
本发明还提出了一种电磁轴承数据采集精度优化的方法，是基于一种电磁轴承数据采集精度优化的系统实现的，包括以下步骤：
[0031]
将获取的电磁轴承中转子位移变化量的电压信号转化为电流信号；计算给定电流与转子位移变化量电流信号之间电流误差；
[0032]
根据所述电流误差计算下一周期脉冲周期的占空比，再根据开关函数与脉冲占空比计算出开关管的通断时间；
[0033]
根据采样芯片的采样时间与开关管通断持续时间计算下一脉冲周期采样芯片的采样区间；
[0034]
判断下一周期采样区间与当前周期通断区间是否重合，如不重合，则从采样开始时刻再进行采样；如果重合，将采样开始时刻修改为重合区间的后面时刻，并重新盘点采样区间是否重合。
[0035]
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
[0036]
本发明提出了一种电磁轴承数据采集精度优化的系统和方法，该系统包括数据采集调理单元、主控单元和转化输出单元；数据采集调理单元用于采集电磁轴承中转子位移变化量，并将位移变化量转换为电压信号发送给主控单元；主控单元用于将所述电压信号转化为电流信号，根据所述电流信号确定当前周期的电流误差；根据电流误差计算出脉冲信号占空比，进而根据信号占空比确定开关管当前周期通断时间；根据采样时间和开关管当前周期通断时间计算下一周期的采样区间；并判断下一周期采样区间与当前周期通断区间是否重合；转化输出单元用于输出采样时刻脉冲信号，并控制转子稳定悬浮。基于一种电磁轴承数据采集精度优化的系统，还提出了一种电磁轴承数据采集精度优化的方法。本发明减少功率放大电路之中的mos管通断产生的干扰信号对采样波形的影响，避开mos管的通断时刻，优化控制系统采集的转子位移变化信号，避开会产生杂波的时间区间，从而达到消除杂波，对最终转子位移变化波形产生优化，提升电磁轴承控制系统的精度。
附图说明
[0037]
如图1为本发明实施例1一种电磁轴承数据采集精度优化的系统连接示意图；
[0038]
如图2为本发明实施例1一种电磁轴承数据采集精度优化的系统中全桥电路示意图；
[0039]
如图3为本发明实施例1一种电磁轴承数据采集精度优化的系统中主控单元l连接示意图；
[0040]
如图4为本发明实施例2一种电磁轴承数据采集精度优化的方法流程图。
具体实施方式
[0041]
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
[0042]
实施例1
[0043]
本发明实施例1提出了一种电磁轴承数据采集精度优化的系统，优化控制系统采集的转子位移变化信号，提升电磁轴承转子悬浮精度，如图1为本发明实施例1一种电磁轴
承数据采集精度优化的系统连接示意图；包括数据采集调理单元、主控单元和转化输出单元；
[0044]
数据采集调理单元用于采集电磁轴承中转子位移变化量，并将所述位移变化量转换为电压信号发送给主控单元；
[0045]
主控单元用于将所述电压信号转化为电流信号，根据所述电流信号确定当前周期的电流误差；根据电流误差计算出脉冲信号占空比，进而根据信号占空比确定开关管当前周期通断时间；根据采样时间和开关管当前周期通断时间计算下一周期的采样区间；并判断下一周期采样区间与当前周期通断区间是否重合；如果不重合，则从采样开始时刻再进行采样；如果重合，将采样开始时刻修改为重合区间的后面时刻，并重新盘点采样区间是否重合；
[0046]
转化输出单元用于输出采样时刻脉冲信号，并控制转子稳定悬浮。
[0047]
其中，数据采集调理单元包括数据采集模块和调理模块；
[0048]
数据采集模块用于采集电磁轴承中转子位移变化量；位移变化量为电感或者电涡流信号；数据采集模块采用电感传感器或者电涡流传感器，本发明保护的范围不局限于实施例1中列出的传感器类型。
[0049]
调理模块用于将位移传感器由于转子位移的变化而电感或者电涡流信号变化转化成等比例电压信号的变化。
[0050]
如图3为本发明实施例1一种电磁轴承数据采集精度优化的系统中主控单元l连接示意图；主控单元包括a/d采样模块、信号处理模块、三电平产生模块和处理模块；
[0051]
a/d采样模块的输入端与调理模块的输出端相连，用于将电压信号转化为位移变化电流信号；
[0052]
信号处理模块用于接收位移变化电流信号，并根据位移变化电流信号确定给定电流信号；
[0053]
三电平产生模块用于将给定电流信号按照开关函数转换成当前周期开关管的通断时刻，以及产生下一周期开关管的通断时刻；
[0054]
处理模块用于接收位移变化电流信号和给定电流信号，计算当前周期的电流误差，以及根据当前周期的电流误差得到下一周期的脉冲信号占空比，以及根据开关函数和占空比计算出三电平产生模块中各开关管的通断时刻，进而确定次采样时刻。
[0055]
主控单元还包括通讯模块；通讯模块位于信号处理模块和处理模块之间，用于实现信号处理模块和处理模块之间的通信连接。
[0056]
转化输出单元包括功率放大器和电磁线圈；功率放大器将主控单元输出的采样时刻脉冲信号转换成电磁线圈的电流；电磁线圈将所述电流转换成相应的力控制转子稳定悬浮。
[0057]
本发明中，三电平产生模块采用全桥电路，如图2为本发明实施例1一种电磁轴承数据采集精度优化的系统中全桥电路示意图；全桥电路包括4个带有寄生二极管的mos管，且每个mos管的栅极均连接至处理模块；第一mos管的源极和第四mos管的漏极相连；第二mos管的源极和第三mos管的漏极相连；第一mos管的漏极和第三mos管的漏极相连，且连接至供电模块的正极；第二mos管的源极和第三mos管的源极相连，且连接至供电模块的负极；第一mos管的源极和第三mos管的源极之间还设置电阻和电感。
[0058]
开关函数为：
[0059][0060]
其中，u
tmax
为三角载波信号最大值，δuc(t)为输入电流误差信号；u
t
(t)为三角载波信号，s1为第一mos管的通断时间，s2为第二mos管的通断时间，s3为第三mos管的通断时间，s4为第四mos管的通断时间，1表示导通，0表示关断。
[0061]
处理模块首先接收位移变化电流信号和给定电流信号，计算当前周期的电流误差，根据计算出的电流误差得到下一周期的pwm的占空比，根据开关函数s与pwm占空比计算出如图2全桥电路中上下桥臂的mos管通断时刻，mos管vt1、vt2、vt3、vt4的导通时刻为t1，t2,t3,t4，关断时刻分别为t5,t6,t7,t8，根据开关函数s，可得t1＝t7，t2＝t8，t3＝t5，t4＝t6。
[0062]
考虑ad芯片的采样时间为t9，mos管导通或关闭的时间为δt，δt包括上下桥臂避免直通而增加的死区时间，则下个pwm周期的ad采样时刻的选择按照下面算法进行，从下个pwm周期的开始时刻t0，首先计算[t0,t9]时间是否与[t1,t1+δt]、[t2,t2+δt]、[t3,t3+δt]、[t4,t4+δt]这四段时间是否有重合。
[0063]
如果不重合，则下个ad芯片采样的时刻就从t0时刻开始采样.fpga内部控制模块不对传感器进行控制。
[0064]
如果有重合，则从采样开始时刻改为重合区间的后面时刻重新开始判断，比如[t0,t9]与[t1,t1+δt]有时间重合，则新的采样区间就改为[t1+δt,t1+δt+t9]，这个时间间隔再与[t2,t2+δt]、[t3,t3+δt]、[t4,t4+δt]这三个时间间隔进行重新判断，直到采样区间不与通断时间间隔重合时，确定为下个pwm周期的采样开始时刻。
[0065]
控制模块然后控制ad采样模块按照计算出来的采样时刻进行采样，ad采样芯片还采集电磁铁线圈电流信号，用于与计算出的采样时刻进行对比，提高采样精度。
[0066]
本发明实施例1提出的一种电磁轴承数据采集精度优化的系统，避开功率放大器中mos管通断时产生的噪声杂波，优化采样精度，提升电磁轴承控制系统精度的目的。
[0067]
实施例2
[0068]
基于本发明实施例1提出的一种电磁轴承数据采集精度优化的系统，本发明实施例2还提出了一种电磁轴承数据采集精度优化的方法。本方法应用于电磁轴承控制系统的位移传感器的采样电路之中。如图4为本发明实施例2一种电磁轴承数据采集精度优化的方法流程图。
[0069]
在步骤s400中，获取数字信号处理模块传输的给定电流信号与a/d采样模块采集的电流信号进行计算得出电流误差；
[0070]
在步骤s410中，根据电流误差计算出下一个pwm周期的占空比，再根据开关函数s与pwm占空比计算出mos管通断时间；
[0071]
mos管vt1、vt2、vt3、vt4的导通时刻为t1，t2，t3，t4，关断时刻分别为t5，t6，t7，8，根据开关函数s，可得t1＝t7，t2＝t8，t3＝t5，t4＝t6，因此只考虑t1、t2、t3、t4这四个时刻
的影响就行。
[0072]
在步骤s420中，根据a/d采样模块的采样时间与mos管通断持续时间计算下个pwm周期a/d采样模块的采样区间，并判断下个pwm周期a/d采样模块的采样区间是否会与mos管通断区间重合；
[0073]
考虑ad芯片的采样时间为t9，mos管导通和关闭的时间为δt，δt包括上下桥臂避免直通而增加的死区时间，则下个pwm周期的ad采样时刻的选择按照下面算法进行，下个pwm周期的开始时刻t0，首先计算[t0,t0+t9]时间是否与[t1,t1+δt]、[t2,t2+δt]、[t3,t3+δt]、[t4,t4+δt]这四段时间有重合；
[0074]
在步骤s430中，如果重合，则将采样开始时间改为其重合区间的后面时刻并重新开始判断采样区间是否重合。比如[t0,t0+t9]与[t1,t1+δt]有时间重合，则新的采样区间就改为[t1+δt,t1+δt+t9]，这个时间间隔再与[t2,t2+δt]、[t3,t3+δt]、[t4,t4+δt]这三个时间间隔按照上述步骤进行重新判断，直至确认采样时间不和mos管通断时间重合，用计算出的采样时刻作为下个pwm周期的采样开始时刻；
[0075]
在步骤s440中，如果不重合，则从该采样开始时刻进行采样。即下个ad芯片采样的时刻就从t0时刻开始采样。
[0076]
本发明实施例2提出的一种电磁轴承数据采集精度优化的方法，减少功率放大电路之中的mos管通断产生的干扰信号对采样波形的影响，避开mos管的通断时刻，优化控制系统采集的转子位移变化信号，避开会产生杂波的时间区间，从而达到消除杂波，对最终转子位移变化波形产生优化，提升电磁轴承控制系统的精度。
[0077]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本技术实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
[0078]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。