一种集成化磁悬浮惯性稳定平台磁轴承数字控制系统技术方案

一种集成化磁悬浮惯性稳定平台磁轴承数字控制系统，用来对磁悬浮惯性稳定平台的磁轴承系统进行主动控制，主要包括DSP模块、电平转换芯片、接口电路和通讯芯片。该系统通过接口电路和通讯芯片获得磁悬浮方位转子的位移信号、磁轴承线圈电流和方位信号数据，DSP模块按照在DSP芯片内的基于硬件编程实现的控制算法生成控制量，根据生成的控制量并结合电流信号，进行PWM调制后经限幅输出给电平转换芯片，电平变换后输出到功放环节，产生磁轴承线圈的控制电流，从而实现磁悬浮惯性稳定平台方位转子五自由度悬浮的全主动控制。

【技术实现步骤摘要】
一种集成化磁悬浮惯性稳定平台磁轴承数字控制系统
本专利技术涉及一种集成化磁悬浮惯性稳定平台磁轴承数字控制系统，用于对磁悬浮惯性稳定平台方位框架转子的五自由度悬浮的磁轴承系统进行全主动控制，适用于高集成度、高可靠性以及低功耗等应用场合。
技术介绍
惯性稳定平台是现代飞机中常用的搭载相机的基础部件。磁悬浮惯性稳定平台与传统机械惯性稳定平台对比，具有无接触、无摩擦、高精度、长寿命等优点，因而在惯性稳定平台上具有广阔的应用前景。磁悬浮惯性稳定平台主要由横滚框、俯仰框和由磁轴承支撑的方位框架组成。作为磁悬浮惯性稳定平台的关键技术，磁轴承不但可以克服方位框架与外框架之间的摩擦力矩干扰，而且大大提高了方位框架的调制响应速度。同时由于惯性稳定平台结构方式决定，磁轴承不但需要提供支撑负载的高承载力，同时还能够对框架转子进行高精度的偏转调整。现有的磁轴承控制器主要有两类：以TI的C2000或者C3000系列DSP为核心的磁轴承数字控制系统以及TMS320VC33浮点型DSP+FPGA处理核心的磁轴承数字控制系统。前者比较普遍，它具有集成度高、功耗小等优点，但因其计算能力有限，不能很好的满足现有的磁轴承控制系统运算速度的要求。后者使得DSP主要用于运算，FPGA则作为功率模块的控制器，充分发挥每个模块的优点，数据处理能力得到显著提高。然而此类控制器的控制算法主要由DSP内部软件实现，控制算法生成的控制量还要再送回FPGA进行PWM调制，所有DSP模块与FPGA模块之间必须由频繁的数据通讯，这对于整个系统存在可靠性差的问题，并且由于采用了DSP芯片和FPGA芯片同时工作，因此与其他数字控制器相比其集成度也较差，功耗也比偏高。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是：克服现有的常用的两类数字控制系统对于磁悬浮惯性稳定平台要求的集成度差、可靠性低和功耗偏高等缺点，提供一种高集成度、高可靠性和低功耗的一种新型集成化磁悬浮惯性稳定平台磁轴承数字控制系统。本专利技术的技术解决方案是：一种集成化磁悬浮惯性稳定平台磁轴承数字控制系统，其特征在于，包括：DSP模块：与接口电路、通讯芯片和电平转换芯片相接，对由接口电路输入的电流信号和位移信号进行采样保持和模拟量到数字量的AD转换，对由通讯芯片传输来自POS方位测量方位信号进行角度换算，通过对数字化后的电流信号、位移信号和方位信号进行运算处理，得到磁轴承线圈所需的PWM输出量。电平转换芯片：与DSP模块和功放相接，将DSP模块输出的0～3.3V的PWM输出量转换为的0～5V的电平值，送至功放，驱动磁轴承线圈。接口电路：与电流传感器、位移传感器和DSP模块相接，包括电流传感器接口电路和位移传感器接口电路，将由电流传感器输入的电流信号和由位移传感器输入的位移信号转换成DSP模块所需的0～3V的模拟信号。通讯芯片：与和POS方位测量相接，将POS系统所测量的方位信号实时传输到DSP模块。DSP模块包括硬件电路部分和在DSP芯片内的基于硬件编程实现的控制算法部分；硬件电路部分包括配置芯片、晶振和DSP芯片，其中DSP芯片采用一片TI公司新推出的一款浮点型数字信号处理器TMS320F28335芯片；基于硬件编程实现的控制算法部分，包括AD采样转换控制算法、分散PID+扭转控制算法和PWM调制算法，DSP芯片通过AD采样转换控制算法对接口电路输入的电流信号和位移信号进行采样保持和模拟量到数字量的AD转换；分散PID+扭转控制算法对位移偏移量和扭转偏移量进行计算，得到PWM调制算法所需的控制量；由PWM调制算法对分散PID+扭转控制算法生成的控制量和AD采样转换控制算法得到的电流偏移量进行PWM信号调制，并将调制生成结果进行限幅保护后输出到电平转换芯片，经由功放输出到磁轴承线圈，完成磁悬浮惯性稳定平台方位转子五自由度悬浮的全主动控制。分散PID+扭转控制算法实现为：对位移传感器得到的轴向4路位移信号ZA、ZB、ZC、ZD，经过分散PID控制算法的运算后得到控制量输出4路轴向控制信号，用于实现方位框架转子轴向的稳定悬浮；ZA和ZB，ZC和ZD分别经过差分运算后得到两个扭转自由度的位移量，将来自POS方位测量所得的方位扭转信号，进行两个扭转自由度上的分解运算，分别加权到各自相对应的自由度上，根据加权后的结果进行单独扭转控制PID算法，从而实现两个扭转自由度的控制。本专利技术的原理是：DSP芯片采用基于硬件编程实现的AD采样转换控制算法对接口电路输入的电流信号和位移信号进行采样保持和模拟量到数字量的AD转换，转换结果存入到DSP芯片中的RAM中。同时DSP读取POS方位测量信号通过通讯芯片传输得到的扭转偏移量，将扭转偏移角度通过正交投影变换为扭转自由度的位移偏移量，在DSP芯片基于硬件实现的分散PID+扭转控制算法对位移偏移量和扭转偏移量进行计算，执行相应的控制算法，得到PWM调制算法所需的控制量；根据算法生成的控制量，结合RAM中的电流偏移量进行PWM信号调制，并将调制生成结果进行限幅保护后输出到电平转换芯片，经由功放输出到磁轴承线圈，完成磁悬浮惯性稳定平台磁轴承系统的主动控制。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)相比于现有的TI的C2000或者C3000系列DSP为核心的磁轴承数字控制系统，本专利技术针对磁悬浮惯性稳定平台所用的磁轴承系统进行开发，由于整个系统结构方式的改变以及DSP数据处理能力和通信速度的显著提高，所有更适合于高承载力、参数敏感的对磁悬浮惯性稳定平台所用的磁轴承系统的高精度控制。(2)较传统的DSP+FPGA处理核心的磁轴承数字控制系统，本专利技术采用单片高性能DSP芯片构建磁悬浮惯性稳定平台控制算法的执行核心，基于硬件编程不但实现了分散PID+扭转控制算法，而且对于片内自带的AD采样模块采用AD采样转换控制算法完成模拟量到数字量的转换，以及对片内PWM生成模块实现的PWM调制算法，大大降低了周围相关器件的数量，减少了器件间软硬件通讯的环节。实现了控制系统的高集成化，明显的提高了系统的可靠性，同时降低了控制器的功耗。附图说明图1为本专利技术的结构组成框图；图2为本专利技术的控制原理框图；图3为本专利技术的DSP芯片内基于硬件编程实现的控制算法框图；图4为本专利技术的电流传感器接口电路的电路原理图；图5为本专利技术的位移传感器接口电路的电路原理图；图6为本专利技术的POS方位测量与DSP模块之间通讯芯片的电路图；图7为本专利技术的DSP模块与功放模块之间电平转换芯片的电路图；图8为本专利技术的DSP芯片与其他器件信号连接的电路图；图9为本专利技术采用的AD转换控制算法流程图；图10为本专利技术采用的分散PID+扭转控制算法流程图；图11为本专利技术采用PWM调制算法的原理框图。具体实施方式如图1所示，本专利技术的集成化磁悬浮惯性稳定平台磁轴承数字控制系统主要由DSP模块4、接口电路12、通讯芯片8和电平转换芯片5组成，其中DSP模块4包括配置芯片1、晶振2和DSP芯片3，接口电路12包括电流传感器接口电路13和位移传感器接口电路14。电流传感器接口电路13将由电流传感器10输入的电流信号转换成DSP模块4所需的0～3V的模拟信号；位移传感器接口电路14将由位移传感器11输入的位移信号转换成DSP模块4所需的0～3V的模拟信号；通讯芯片8将POS系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成化磁悬浮惯性稳定平台磁轴承数字控制系统，其特征在于：DSP模块(4)：与接口电路(12)、通讯芯片(8)和电平转换芯片(5)相接，对由接口电路(12)输入的电流信号和位移信号进行采样保持和模拟量到数字量的AD转换，对由通讯芯片(8)传输来自POS方位测量(9)方位信号进行角度换算，通过对数字化后的电流信号、位移信号和方位信号进行运算处理，得到磁轴承线圈(7)所需的PWM输出量；电平转换芯片(5)：与DSP模块(4)和功放(6)相接，将DSP模块(4)输出的0～3.3V的PWM输出量转换为的0～5V的电平值，送至功放(6)，驱动磁轴承线圈(7)；接口电路(12)：与电流传感器(10)、位移传感器(11)和DSP模块(4)相接，包括电流传感器接口电路(13)和位移传感器接口电路(14)，将由电流传感器(10)输入的电流信号和由位移传感器(11)输入的位移信号转换成DSP模块(4)所需的0～3V的模拟信号；通讯芯片(8)：与和POS方位测量(9)相接，将POS系统所测量的方位信号实时传输到DSP模块(4)。

【技术特征摘要】
1.一种集成化磁悬浮惯性稳定平台磁轴承数字控制系统，其特征在于包括DSP模块(4)、电平转换芯片(5)、接口电路(12)和通讯芯片(8)：DSP模块(4)：与接口电路(12)、通讯芯片(8)和电平转换芯片(5)相接，对由接口电路(12)输入的电流信号和位移信号进行采样保持和模拟量到数字量的AD转换，对由通讯芯片(8)传输来自POS方位测量(9)方位信号进行角度换算，通过对数字化后的电流信号、位移信号和方位信号进行运算处理，得到磁轴承线圈(7)所需的PWM输出量；电平转换芯片(5)：与DSP模块(4)和功放(6)相接，功放(6)输出与磁轴承线圈(7)相连接，将DSP模块(4)输出的0～3.3V的PWM输出量转换为的0～5V的电平值，送至功放(6)驱动磁轴承线圈(7)；接口电路(12)：与电流传感器(10)、位移传感器(11)和DSP模块(4)相接，包括电流传感器接口电路(13)和位移传感器接口电路(14)，将由电流传感器(10)输入的电流信号和由位移传感器(11)输入的位移信号转换成DSP模块(4)所需的0～3V的模拟信号；通讯芯片(8)：与和POS方位测量(9)相接，将POS系统所测量的方位信号实时传输到DSP模块(4)。2.根据权利要求1所述的集成化磁悬浮惯性稳定平台磁轴承数字控制系统，其特征在于：所述的DSP模块(4)包括硬件电路部分和在DSP芯片内的基于硬件编程实现的控制算法部分；硬件电路部分包括配置芯片(1)、晶振(2)和DSP芯片(3)，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，郭清远，房建成，文通，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11