一種磁懸浮分子泵用磁軸承與電機(jī)一體化控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種磁懸浮分子泵用磁軸承與電機(jī)一體化控制系統(tǒng)，包括DC/DC電源模塊、電機(jī)與磁軸承一體化控制裝置、信號(hào)隔離功放電路、電機(jī)功率主電路、電機(jī)電流電壓檢測與反電勢(shì)過零檢測調(diào)理電路、霍爾傳感器檢測電路、磁軸承電流位移檢測電路，電機(jī)功率主電路包括三相整流電路、Buck斬波調(diào)壓電路和三相逆變橋電路，電機(jī)與磁軸承一體化控制裝置包括霍爾傳感器接口電路、反電勢(shì)過零信號(hào)接口、電機(jī)控制信號(hào)接口電路、電機(jī)電流電壓傳感器信號(hào)接口與調(diào)理電路、磁軸承控制信號(hào)與電流信號(hào)接口、磁軸承位移信號(hào)接口與調(diào)理電路、DSP+FPGA控制單元。本發(fā)明的電機(jī)與磁軸承控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，具有裝置體積小、硬件資源利用率、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種磁懸浮分子栗用磁軸承與電機(jī)一體化控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁懸浮分子泵用磁軸承與電機(jī)一體化控制系統(tǒng)，適用于如磁懸浮分子泵等基于磁懸浮電機(jī)技術(shù)的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，完成對(duì)電機(jī)與磁軸承的一體化控制。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮分子泵借助傳統(tǒng)的機(jī)械分子泵的技術(shù)基礎(chǔ)，針對(duì)高端真空儀器設(shè)備的迫切需求，利用磁懸浮電機(jī)無接觸摩擦、轉(zhuǎn)速高、無需潤滑、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，將磁懸浮電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)以機(jī)械軸承為支撐的電機(jī)以設(shè)計(jì)出國際先進(jìn)水平的大抽速磁懸浮復(fù)合分子泵。磁懸浮分子泵應(yīng)用范圍非常廣泛，如在高分辨率質(zhì)譜儀、長壽命電真空器件、高性能激光器、高精度慣性器件以及高端科學(xué)儀器等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。
[0003]在現(xiàn)有的磁懸浮分子泵中，一般將電機(jī)控制電路部分和磁軸承控制電路部分單獨(dú)設(shè)計(jì)成兩套電路系統(tǒng)，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)使系統(tǒng)由于模塊集成度不高導(dǎo)致整機(jī)設(shè)備體積過大和設(shè)備整體可靠性降低，另外由于電機(jī)控制系統(tǒng)和磁軸承控制系統(tǒng)是單獨(dú)的兩套電路，這使得部分硬件資源利用率不高導(dǎo)致資源浪費(fèi)，造成設(shè)計(jì)與制造成本升高等一系列缺點(diǎn)和問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有磁懸浮分子泵中將電機(jī)控制電路部分和磁軸承控制電路部分單獨(dú)設(shè)計(jì)成兩套電路系統(tǒng)所存在的由于模塊集成度不高導(dǎo)致整機(jī)設(shè)備體積過大和設(shè)備整體可靠性降低等問題，以減小系統(tǒng)整機(jī)設(shè)備體積、提高系統(tǒng)可靠性與硬件資源利用率和降低設(shè)計(jì)與制造成本。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種磁懸浮分子泵用磁軸承與電機(jī)一體化控制系統(tǒng)，包括DC/DC電源模塊、電機(jī)功率主電路、電機(jī)與磁軸承一體化控制裝置、第一信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)電路和第二信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)與功放電路、開關(guān)式霍爾傳感器檢測電路、電機(jī)反電勢(shì)過零檢測與調(diào)理電路、電機(jī)電流電壓檢測檢測電路和磁軸承電流位移檢測電路，通過DSP+FPGA控制單元，對(duì)磁懸浮分子泵轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、角位置信號(hào)進(jìn)行集中判斷識(shí)別，根據(jù)控制邏輯功能，發(fā)出控制指令，進(jìn)行轉(zhuǎn)子懸浮、升速、降速、斷電保護(hù)操作，最終實(shí)現(xiàn)將電機(jī)與磁軸承的一體化；其中DC/DC電源模塊用于產(chǎn)生一體化控制電路中各芯片所需的供電電壓；三相整流電路將來自電網(wǎng)的三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，BUCK斬波調(diào)壓模塊根據(jù)給定的PWM控制信號(hào)將整流后的直流電調(diào)制為直流電壓進(jìn)行輸出作為三相逆變器的直流母線電壓，三相逆變器根據(jù)6路開關(guān)控制信號(hào)對(duì)上、下橋臂IGBT進(jìn)行開通與關(guān)斷控制以完成對(duì)無刷直流電機(jī)的換相操作；開關(guān)式霍爾傳感器檢測電路、電機(jī)反電勢(shì)過零檢測與調(diào)理電路、電機(jī)電流電壓檢測和磁軸承位移與電流檢測電路所檢測到的信號(hào)分別經(jīng)過開關(guān)式霍爾傳感器接口電路、反電勢(shì)過零信號(hào)接口、電機(jī)電流電壓傳感器信號(hào)接口與調(diào)理電路、磁軸承位移信號(hào)接口與調(diào)理電路和磁軸承電流信號(hào)接口后，輸入到DSP+FPGA控制單元，根據(jù)電流檢測、位移檢測模塊檢測得到的轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，DSP+FPGA控制單元發(fā)出轉(zhuǎn)子位置控制指令信號(hào)，進(jìn)行磁軸承位移閉環(huán)控制算法運(yùn)算，所得運(yùn)算結(jié)果以PWM信號(hào)的形式輸入到磁軸承控制信號(hào)接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的PWM控制信號(hào)分別經(jīng)第二信號(hào)隔離、驅(qū)動(dòng)、功放電路后再輸入磁軸承線圈，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置控制；同時(shí)，DSP+FPGA控制單元根據(jù)開關(guān)式霍爾傳感器檢測電路(4 )和電機(jī)反電勢(shì)過零檢測與調(diào)理電路(5)實(shí)時(shí)檢測得到的轉(zhuǎn)子的角位置信號(hào)，利用DSP+FPGA控制單元發(fā)出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制指令信號(hào)，進(jìn)行電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制算法運(yùn)算，所得運(yùn)算結(jié)果以PWM信號(hào)的形式輸入到電機(jī)控制信號(hào)接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的PWM控制信號(hào)分別經(jīng)過第一信號(hào)隔離、驅(qū)動(dòng)電路再輸入到BUCK調(diào)壓模塊、IGBT三相逆變器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)與磁軸承的一體化控制。
[0006]由于純電磁式磁軸承控制需要20路PWM控制信號(hào)和10路電流信號(hào)檢測調(diào)理電路，而永磁偏置式磁軸承控制需要10路PWM控制信號(hào)和5路電流信號(hào)檢測調(diào)理電路，故本發(fā)明在PWM控制信號(hào)數(shù)量和電流檢測調(diào)理電路數(shù)量均。
[0007]此外，考慮到用戶實(shí)際應(yīng)用場合需要，所述的電機(jī)和磁軸承一體化控制裝置對(duì)無刷直流電機(jī)的有傳感器控制方式和無傳感器控制方式兼容，同時(shí)對(duì)純電磁式磁軸承控制和永磁偏置式磁軸承控制也兼容，因此用戶可根據(jù)各自具體應(yīng)用場合和性能指標(biāo)要求來選擇無刷直流電機(jī)的有、無傳感器控制方式，而且對(duì)基于純電磁式磁軸承的產(chǎn)品和基于永磁偏置式磁軸承的產(chǎn)品均適用，此兼容式設(shè)計(jì)使得本發(fā)明使用更為靈活，適用范圍也更為廣泛。
[0008]本發(fā)明的原理是:本發(fā)明將磁軸承控制電路部分的磁軸承控制器、磁軸承控制信號(hào)接口電路、磁軸承電流信號(hào)接口、磁軸承位移信號(hào)接口與調(diào)理電路和電機(jī)控制電路部分的電機(jī)伺服控制器、電機(jī)控制信號(hào)接口電路、開關(guān)式霍爾傳感器接口電路、反電勢(shì)過零信號(hào)接口、電機(jī)電流電壓傳感器信號(hào)接口與調(diào)理電路、兩部分控制信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換電路以及通訊接口電路進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，利用DSP+FPGA控制單元，對(duì)磁懸浮分子泵轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、角位置信號(hào)進(jìn)行集中判斷識(shí)別，根據(jù)DSP+FPGA控制單元的控制邏輯功能，發(fā)出控制指令，進(jìn)行轉(zhuǎn)子懸浮、升速、降速、斷電保護(hù)操作，最終實(shí)現(xiàn)將電機(jī)與磁軸承的一體化；此控制裝置集成了電機(jī)控制與磁軸承控制兩部分功能，通過霍爾傳感器、反電勢(shì)過零檢測、電流電壓傳感器來檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置與電流電壓信息，通過電流傳感器與位移傳感器檢測磁軸承電流、位移信息，此信息輸入到電機(jī)與磁軸承一體化控制裝置中進(jìn)行電機(jī)與磁軸承控制運(yùn)算即可得出電機(jī)與磁軸承PWM控制信號(hào)，此信號(hào)再經(jīng)過PWM信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)即可通過控制BUCK模塊的輸出電壓與逆變器換相以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制和通過控制全橋式換能電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁軸承位移控制。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0010]( I)本發(fā)明將磁懸浮分子泵中的電機(jī)控制電路部分和磁軸承控制電路部分集成于同一控制裝置以實(shí)現(xiàn)電機(jī)與磁軸承的一體化控制，與傳統(tǒng)磁懸浮分子泵控制裝置相比，使用一套DSP+FPGA控制單元，對(duì)磁懸浮分子泵轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、角位置信號(hào)進(jìn)行集中判斷識(shí)另O，根據(jù)DSP+FPGA控制單元的控制邏輯功能，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的控制，提高系統(tǒng)整機(jī)集成度和可靠性。
[0011](2)本發(fā)明對(duì)無刷直流電機(jī)的有傳感器控制方式和無傳感器控制方式均可兼容，同時(shí)對(duì)純電磁式磁軸承控制和永磁偏置式磁軸承控制均可兼容，因此用戶可根據(jù)各自具體應(yīng)用場合和性能指標(biāo)要求來選擇無刷直流電機(jī)的有、無傳感器控制方式，而且對(duì)基于純電磁式磁軸承的產(chǎn)品和基于永磁偏置式磁軸承的產(chǎn)品均適用，此兼容性設(shè)計(jì)使本發(fā)明使用更靈活，適用范圍更為廣泛。
[0012]總之，本發(fā)明的電機(jī)與磁軸承一體化控制系統(tǒng)有效克服和解決了傳統(tǒng)的磁懸浮分子泵中將電機(jī)控制電路和磁軸承控制電路單獨(dú)設(shè)計(jì)的一系列缺點(diǎn)與問題，提高系統(tǒng)整機(jī)集成度，減小設(shè)備體積，提高系統(tǒng)可靠性，提高系統(tǒng)硬件資源利用率，降低設(shè)計(jì)與制造成本?’另外對(duì)無刷直流電機(jī)的有傳感器控制方式和無傳感器控制方式作了兼容性設(shè)計(jì)，對(duì)純電磁式磁軸承控制和永磁偏置式磁軸承控制也作了兼容性設(shè)計(jì)，以此拓寬系統(tǒng)應(yīng)用范圍，提高系統(tǒng)的使用靈活性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成框圖；
[0014]圖2為電機(jī)與磁軸承一體化控制框圖；
[0015]圖3為本發(fā)明的無刷直流電機(jī)、無傳感器控制方式下的換相信號(hào)圖和換相表，其中圖3a為本發(fā)明的無刷直流電機(jī)、無傳感器控制方式下的換相信號(hào)圖；圖3b為本發(fā)明的無刷直流電機(jī)、無傳感器控制方式下的換相表；
[0016]圖4為本發(fā)明的磁軸承驅(qū)動(dòng)功放電路原理框圖；
[0017]圖5為本發(fā)明的電機(jī)與磁軸承一體化控制電路中的DSP芯片與FPGA芯片電路原理圖，其中圖5a為DSP芯片外圍配置電路圖；圖5b為DSP芯片總線通信電路原理圖；圖5c為FPGA芯片總線通信電路原理圖；
[0018]圖6為控制信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路；
[0019]圖7為磁軸承位移信號(hào)調(diào)理電路；
[0020]圖8為電機(jī)電壓電流.調(diào)理電路；
[0021]圖9為霍爾信號(hào)、反電勢(shì)過零信號(hào)接口與調(diào)理電路；
[0022]圖10為電機(jī)與磁軸承控制信號(hào)接口 ；
[0023]圖11為過壓、過流、欠壓保護(hù)電路；
[0024]圖12為通訊接口電路。
【具體實(shí)施方式】
[0025]如圖1所示，本發(fā)明包括DC/DC電源模塊9、電機(jī)與磁軸承一體化控制裝置21、第一信號(hào)隔離與驅(qū)動(dòng)電路7、第二信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)與功放電路13、電機(jī)功率主電路20、開關(guān)式霍爾傳感器檢測電路4、電機(jī)反電勢(shì)過零檢測與調(diào)理電路5、電機(jī)電流電壓檢測6、電流檢測位移檢測電路15。其中電機(jī)功率主電路20包括三相整流電路l、Buck斬波調(diào)壓電路2和IGBT三相逆變橋電路3三部分；而電機(jī)與磁軸承一體化控制裝置21包括開關(guān)式霍爾傳感器接口電路17、反電勢(shì)過零信號(hào)接口 18、電機(jī)電流電壓傳感器信號(hào)接口與調(diào)理電路19、電機(jī)控制信號(hào)接口電路8、磁軸承控制信號(hào)接口電路12、磁軸承電流信號(hào)接口 14、磁軸承位移信號(hào)接口與調(diào)理電路16、DSP+FPGA控制單元10。DC/DC電源部分產(chǎn)生各芯片所需供電直流電壓；DSP+FPGA控制單元10利用電機(jī)反電勢(shì)過零檢測與調(diào)理電路5檢測得到的反電勢(shì)過零信號(hào)或利用開關(guān)式霍爾傳感器檢測電路4檢測得到的開關(guān)式霍爾傳感器測量信號(hào)來計(jì)算得出無刷直流電機(jī)的換相信號(hào)和當(dāng)前轉(zhuǎn)速值，經(jīng)過閉環(huán)控制器計(jì)算后得出相應(yīng)控制信號(hào)并經(jīng)過電機(jī)控制信號(hào)接口電路8和第一信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)電路7后輸入到電機(jī)功率主電路，以控制BUCK模塊調(diào)制直流母線電壓和逆變器的換相以最終控制電機(jī)轉(zhuǎn)速值，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度控制；DSP+FPGA控制單元10利用檢測到的磁軸承線圈中的電流信號(hào)以及磁軸承的5個(gè)方向的位移信號(hào)來進(jìn)行電流閉環(huán)控制和位移閉環(huán)控制，控制信號(hào)經(jīng)過磁軸承控制信號(hào)接口電路12和第二信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)與放大電路13后輸入到磁軸承線圈并形成電磁力以控制磁軸承的位置，從而實(shí)現(xiàn)磁軸承位置的高精度控制。
[0026]如圖2所示為本發(fā)明的電機(jī)與磁軸承一體化控制框圖，其中采用DSP+FPGA來設(shè)計(jì)磁軸承控制器與電機(jī)控制器，通過對(duì)霍爾傳感器信號(hào)、反電勢(shì)過零信號(hào)、電機(jī)功率主電路中母線電流信號(hào)、磁軸承位移信號(hào)與電流信號(hào)進(jìn)行檢測與調(diào)理，所得信號(hào)輸入到DSP片內(nèi)AD模塊與AD芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與測量，測量結(jié)果經(jīng)過DSP+FPGA控制單元內(nèi)部的速度計(jì)算部分、逆變器換相邏輯算法部分、電流計(jì)算算法部分以及位移與電流計(jì)算部分的計(jì)算后分別得出電機(jī)速度信息、逆變器換相信號(hào)、母線電流值、磁軸承位移值和電流值，DSP+FPGA控制單元對(duì)上述信息進(jìn)行集中判斷識(shí)別，根據(jù)控制邏輯功能，發(fā)送控制指令信號(hào)，進(jìn)行轉(zhuǎn)子的位置控制和轉(zhuǎn)速控制。其中，轉(zhuǎn)子位置控制根據(jù)磁軸承位移信號(hào)接口與調(diào)理電路的檢測信息，利用DSP+FPGA控制單元進(jìn)行磁軸承位移閉環(huán)控制算法運(yùn)算，所得運(yùn)算結(jié)果以PWM信號(hào)的形式輸入到軸承控制信號(hào)接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的PWM控制信號(hào)分別經(jīng)第二信號(hào)隔離、驅(qū)動(dòng)、功放電路后再輸入磁軸承線圈，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置控制；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速控制根據(jù)開關(guān)式霍爾傳感器接口電路的檢測信息，利用DSP+FPGA控制單元進(jìn)行電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制算法運(yùn)算，所得運(yùn)算結(jié)果以PWM信號(hào)的形式輸入到電機(jī)控制信號(hào)接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的PWM控制信號(hào)分別經(jīng)過第一信號(hào)隔離、驅(qū)動(dòng)電路再輸入到BUCK調(diào)壓模塊、IGBT三相逆變器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制；轉(zhuǎn)子位置控制和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制指令操作統(tǒng)一在DSP+FPGA控制單元控制邏輯功能下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與磁軸承控制的一體化，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。
[0027]如圖3所示，本發(fā)明的電機(jī)控制部分對(duì)無刷直流電機(jī)的有傳感器控制方式和無傳感器控制方式均可兼容。如圖3a中上半部分波形所示為電機(jī)三相反電勢(shì)信號(hào)波形，其中小正方形框所標(biāo)注部分為反電勢(shì)信號(hào)過零點(diǎn)處，電機(jī)反電勢(shì)過零檢測與調(diào)理電路對(duì)此三相反電勢(shì)波形進(jìn)行過零檢測；對(duì)應(yīng)圖3a的下半部分波形為三相開關(guān)式霍爾傳感器檢測調(diào)理電路處理后所得信號(hào)波形，橫軸表示時(shí)間，由時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系可知三相反電勢(shì)信號(hào)過零點(diǎn)處的相位滯后30°處即與三相霍爾信號(hào)的上、下跳變沿處對(duì)應(yīng)，也即為無刷直流電機(jī)的理想換相點(diǎn)，因此本發(fā)明通過檢測開關(guān)式霍爾傳感器檢測電路所得到的三相開關(guān)式霍爾信號(hào)的上、下跳變沿即可得到無刷直流電機(jī)的理想換相信號(hào)，另外利用電機(jī)反電勢(shì)過零檢測與調(diào)理電路所得到的電機(jī)三相反電勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)，再通過相位計(jì)算亦可得到無刷直流電機(jī)的理想換相信號(hào)，然后對(duì)應(yīng)圖3b換相表來控制三相逆變橋上、下橋臂IGBT的開通與關(guān)斷即可完成換相操作，從而實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的有傳感器控制和無傳感器控制。此即為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)有、無傳感器控制方式兼容設(shè)計(jì)的原理。
[0028]如圖4所示，本發(fā)明的磁軸承控制部分對(duì)于純電磁式磁軸承的控制和永磁偏置式磁軸承的控制均適用。在DSP芯片中的磁軸承電流閉環(huán)控制器和位移閉環(huán)控制器的計(jì)算結(jié)果輸入到FPGA芯片中的擴(kuò)充PWM模塊并輸出20路PWM控制信號(hào)，經(jīng)過對(duì)應(yīng)的高速光電隔離電路、脈沖保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路后即輸入到全橋式換能電路并最終輸入到磁軸承線圈，在電流檢測部分設(shè)計(jì)有10路電流檢測和調(diào)理電路；由于純電磁式磁軸承控制需要20路PWM控制信號(hào)和10路電流信號(hào)檢測調(diào)理電路，而永磁偏置式磁軸承控制只需要10路PWM控制信號(hào)和5路電流信號(hào)檢測調(diào)理電路，由此可知本發(fā)明在磁軸承PWM控制信號(hào)數(shù)量方面和磁軸承線圈電流檢測調(diào)理電路數(shù)量方面對(duì)于純電磁式磁軸承控制和永磁偏置式磁軸承控制均適用。
[0029]如圖5所示為本發(fā)明的電機(jī)與磁軸承一體化控制電路中的DSP芯片與FPGA芯片電路原理圖部分。圖5a為DSP芯片外圍配置電路，圖5b中標(biāo)注的AB_DSP、DB_DSP、CB_DSP分別為DSP芯片地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，圖5c中標(biāo)注的AB_FPGA、DB_FPGA、CB_FPGA分別為FPGA芯片的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，DSP芯片與FPGA芯片通過此相連的三總線進(jìn)行通?目。
[0030]如圖6所示為本發(fā)明的電機(jī)與磁軸承一體化控制電路中的電機(jī)與磁軸承控制信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換電路原理圖部分，從FPGA芯片輸出的電機(jī)PWM控制信號(hào)與磁軸承PWM控制信號(hào)為3.3伏，PWM信號(hào)輸入到電平轉(zhuǎn)換芯片SN74ALVC164245轉(zhuǎn)化為5伏的電壓信號(hào)。
[0031]如圖7所示為本發(fā)明的電機(jī)與磁軸承一體化控制電路中的磁軸承位移信號(hào)調(diào)理電路原理圖部分。以AX通道位移信號(hào)調(diào)理電路為例，磁軸承AX方向位移傳感器測量得到的位移信號(hào)先經(jīng)過電壓跟隨器后，再與參考電壓信號(hào)一同輸入到反相加法器并進(jìn)行反相比例放大，然后經(jīng)過二階RC有源濾波器進(jìn)行濾波處理后再經(jīng)過3伏穩(wěn)壓二極管即可得到O到3伏的電壓信號(hào)，此信號(hào)再輸入到DSP芯片的片內(nèi)AD模塊進(jìn)行測量后即可計(jì)算出磁軸承在AX方向的位移值。此電路還進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)以提高系統(tǒng)可靠性。
[0032]如圖8所示為本發(fā)明的電機(jī)與磁軸承一體化控制電路中的電機(jī)電壓電流調(diào)理電路原理圖部分。以母線電流信號(hào)調(diào)理電路為例，電流傳感器檢測得到的母線電流信號(hào)經(jīng)過先經(jīng)過電壓跟隨器后再經(jīng)過二階RC有源濾波器進(jìn)行濾波處理，再經(jīng)過5伏穩(wěn)壓二極管后得到O到5伏的電壓信號(hào)并輸入到AD芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換測量，經(jīng)計(jì)算后即可得出對(duì)應(yīng)的母線電流值。此電路還進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)以提高系統(tǒng)可靠性。
[0033]如圖9所示為本發(fā)明的電機(jī)與磁軸承一體化控制電路中的霍爾信號(hào)、反電勢(shì)過零信號(hào)接口與調(diào)理電路原理圖部分，霍爾傳感器信號(hào)與反電勢(shì)過零信號(hào)通過各自接口傳送到此調(diào)理電路，一階無源RC濾波.作用為濾除高頻噪聲，反相器的作用為彌補(bǔ)無源濾波的波形邊沿不夠陡峭、驅(qū)動(dòng)能力差的缺點(diǎn)。
[0034]如圖10所示為本發(fā)明的電機(jī)與磁軸承一體化控制電路中的電機(jī)與磁軸承控制信號(hào)接口原理圖部分，圖10中上半部分接口為電機(jī)PWM控制信號(hào)接口而下半部分接口為磁軸承PWM控制信號(hào)，電機(jī)與磁軸承的PWM控制信號(hào)通過此接口分別傳送到各自的隔離、驅(qū)動(dòng)與功放電路，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)與磁軸承的控制。
[0035]如圖11所示為本發(fā)明的電機(jī)與磁軸承一體化控制電路中的過壓、過流、欠壓保護(hù)電路原理圖部分，先利用三個(gè)滑動(dòng)變阻器來分別設(shè)定過流保護(hù)、過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)的電壓參考值，再通過電壓比較器將當(dāng)前檢測得到的電流值和電壓值分別與各自的電壓參考值進(jìn)行比較以判斷是否發(fā)生過零、過壓或欠壓，假如判斷有過零、過壓或欠壓情況發(fā)生即馬上進(jìn)行過壓、過流和欠壓保護(hù)以保證系統(tǒng)和人員安全。
[0036]如圖12所示為本發(fā)明的電機(jī)與磁軸承一體化控制電路中的通訊接口電路原理圖部分。其中采用HCPL2630芯片來增強(qiáng)CAN收發(fā)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，而74HC14對(duì)收發(fā)信號(hào)起波形整定作用以使得信號(hào)波形更為標(biāo)準(zhǔn)。電機(jī)與磁軸承一體化控制系統(tǒng)通過CAN通訊接口將系統(tǒng)信息傳送到上位機(jī)以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析處理等功能，此外上位機(jī)可通過此通訊接口將用戶控制命令傳送給控制系統(tǒng)，使得電機(jī)與磁軸承一體化控制系統(tǒng)按照用戶設(shè)定 的參數(shù)和指令對(duì)電機(jī)和磁軸承進(jìn)行控制。
【權(quán)利要求】
1.一種磁懸浮分子泵用磁軸承與電機(jī)一體化控制系統(tǒng)，包括DC/DC電源模塊(9)、電機(jī)功率主電路(20)、電機(jī)與磁軸承一體化控制裝置(21)、第一信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)電路(7)和第二信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)與功放電路(13)、開關(guān)式霍爾傳感器檢測電路(4)、電機(jī)反電勢(shì)過零檢測與調(diào)理電路(5)、電機(jī)電流電壓檢測檢測電路(6)和電流檢測位移檢測電路(15)，其特征在于:通過DSP+FPGA控制單元(10)，對(duì)磁懸浮分子泵轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、角位置信號(hào)進(jìn)行集中判斷識(shí)別，根據(jù)控制邏輯功能，發(fā)出控制指令，進(jìn)行轉(zhuǎn)子懸浮、升速、降速、斷電保護(hù)操作，最終實(shí)現(xiàn)將電機(jī)與磁軸承的一體化；其中DC/DC電源模塊(9)用于產(chǎn)生一體化控制電路中各芯片所需的供電電壓；三相整流電路(I)將來自電網(wǎng)的三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，BUCK斬波調(diào)壓模塊(2)根據(jù)給定的PWM控制信號(hào)將整流后的直流電調(diào)制為直流電壓進(jìn)行輸出作為三相逆變器(3)的直流母線電壓，三相逆變器(3)根據(jù)6路開關(guān)控制信號(hào)對(duì)上、下橋臂IGBT進(jìn)行開通與關(guān)斷控制以完成對(duì)無刷直流電機(jī)的換相操作；開關(guān)式霍爾傳感器檢測電路(4)、電機(jī)反電勢(shì)過零檢測與調(diào)理電路(5)、電機(jī)電流電壓檢測(6)和電流檢測位移檢測電路(15)所檢測到的信號(hào)分別經(jīng)過開關(guān)式霍爾傳感器接口電路(17)、反電勢(shì)過零信號(hào)接口( 18)、電機(jī)電流電壓傳感器信號(hào)接口與調(diào)理電路(19)、磁軸承位移信號(hào)接口與調(diào)理電路(16)和磁軸承電流信號(hào)接口( 14)后，輸入到DSP+FPGA控制單元(10)，根據(jù)電流檢測位移檢測電路(15 )檢測得到的轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，DSP+FPGA控制單元(10 )發(fā)出轉(zhuǎn)子位置控制指令信號(hào)，進(jìn)行磁軸承位移閉環(huán)控制算法運(yùn)算，所得運(yùn)算結(jié)果以PWM信號(hào)的形式輸入到磁軸承控制信號(hào)接口電路(12)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的PWM控制信號(hào)分別經(jīng)第二信號(hào)隔離、驅(qū)動(dòng)、功放電路(13)后再輸入磁軸承線圈，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置控制；同時(shí)，DSP+FPGA控制單元(10)根據(jù)開關(guān)式霍爾傳感器檢測電路(4)和電機(jī)反電勢(shì)過零檢測與調(diào)理電路(5)實(shí)時(shí)檢測得到的轉(zhuǎn)子的角位置信號(hào)，利用DSP+FPGA控制單元(10 )發(fā)出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制指令信號(hào)，進(jìn)行電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制算法運(yùn)算，所得運(yùn)算結(jié)果以PWM信號(hào)的形式輸入到電機(jī)控制信號(hào)接口電路(8)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的PWM控制信號(hào)分別經(jīng)過第一信號(hào)隔離、驅(qū)動(dòng)電路(7)再輸入到BUCK調(diào)壓模塊(2)、IGBT三相逆變器(3)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)與磁軸承的一體化控制。
【文檔編號(hào)】H02P27/08GK103427757SQ201310367766
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2013年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月21日
【發(fā)明者】鄭世強(qiáng), 李超華, 劉剛, 毛琨, 周金祥, 陳琪 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)