一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承控制系统及无位移传感器检测方法技术方案

本发明专利技术涉及了一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承控制系统及无位移传感器检测方法，控制系统包括双电平PWM开关功放，X+向磁轴承，X‑向磁轴承，数字控制器DSP，位移自检测电路；位移自检测电路，包括桥式检测电路，信号解调电路和滤波电路；本发明专利技术针对永磁偏置的磁轴承系统，去掉传统的物理传感器，通过检测线圈中点电压以及硬件解调来实现位移的检测，简化了磁轴承系统，提高了磁轴承系统的稳定性。

A bi level power amplifier permanent magnet biased hybrid magnetic bearing control system and displacement sensor detection method

The invention relates to a dual-level power amplifier based permanent magnet bias hybrid magnetic bearing control system and a displacement-free sensor detection method. The control system comprises a dual-level PWM switching power amplifier, an X-direction magnetic bearing, an X-direction magnetic bearing, a digital controller DSP, a displacement self-detection circuit, including a bridge detection circuit. Signal demodulation circuit and filter circuit; the invention removes the traditional physical sensor for the magnetic bearing system with permanent magnet bias, realizes the displacement detection by detecting the coil neutral point voltage and hardware demodulation, simplifies the magnetic bearing system and improves the stability of the magnetic bearing system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承控制系统及无位移传感器检测方法
本专利技术是一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承的无位移传感器检测方法，属于主动磁轴承的自传感领域，可以代替传统的物理位移传感器，应用于永磁偏置磁轴承的控制系统中。
技术介绍
磁悬浮轴承与传统的机械轴承对比，具有高精度，长寿命，高转速以及高能量密度的优势，广泛应用于飞轮，力矩陀螺，鼓风机，压缩机，以及分子泵等旋转机械领域。磁轴承系统是开环不稳定的，为了实现磁轴承系统的稳定控制，必须建立一个位移检测系统来进行反馈。目前，国内多采用物理的位移传感器，由于物理位移传感器的存在，使磁悬浮轴承的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低、成本较高、可靠性变差，而且最主要是由于传感器不能装在磁轴承的中间，导致惯性转子的几何轴和检测轴不重合，从而影响磁轴承的控制精度。磁轴承位移自检测方法(Self-sensingMagneticBearing)，也称为磁轴承自传感方法(SensorlessMagneticBearing)，就是舍弃传统物理位移传感器而通过检测磁轴承线圈两端的电压和电流信号来估测转子位置的方法。该方法能够从根本上解决位移传感器的检测轴与几何轴存在的偏差问题。由于不需要专门的位移传感器，转子轴向尺寸变小，可以提高转子的各阶模态转速，提高系统的动态性能；由于磁轴承线圈就是传感器，消除了传统磁悬浮系统中运动方程中相互耦合的问题，便于设计控制器。现在国内外针对主动磁轴承位移自检测主要有两大类，一类是状态观测法，不过此类方法鲁棒性差，灵敏度低。另一类方法是信号解调法，此类方法的核心是注入一个含有位移信息的高频信号作为载波信号，这个高频的载波信号频率要远高于转子位移的变化频率，通过软件或者硬件的方法把转子的位移解算出来。针对线性功放，注入的信号一般是幅值较小的高频信号，而对于开关功放，采用线圈的电流纹波作为载波信号，而无需额外加入信号。这种信号解调方法在鲁棒性和灵敏度方面都要优于状态观测法，也是现在主动磁轴承位移自检测的研究热点。对于航天以及绿色能源领域，能量消耗对于磁轴承系统来说至关重要，永磁偏置磁轴承依靠永磁体提供偏置磁场，所以相比与主动磁轴承在节能方面有着很大优势。而对于功放系统而言，开关功放在节能方面也要优于线性功放，所以在节能方面有着苛刻要求的航天以及绿色能源领域，采用开关功放的被动磁轴承是很好的选择，因此对开关功放的永磁偏置被动磁轴承位移自检测的研究有着重要的意义。
技术实现思路
本专利技术针对双电平开关功放的永磁偏置磁轴承，通过硬件电路设计了永磁偏置磁轴承的自传感检测系统，代替传统的物理位移传感器，实现永磁偏置磁轴承系统的无传感器检测。一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承的无位移传感器检测方法，在一个自由度线圈串联的结构下，对上下线圈包含转子位移信息的中点电压进行硬件电路的解调处理，包括以下步骤：(1)永磁偏置磁轴承的线圈连接：在同一自由度上，把永磁偏置磁轴承上下线圈进行串联连接，并且引出上下线圈的中点电压。(2)位移解算核心公式推导：通过对永磁偏置磁轴承的磁路分析以及电磁感应定律推导出上下线圈电压差与转子位移的关系，这样利用一个自由度的中点电压进行解算就可以得到两个自由度的位移，不妨利用X向的中点电压进行解算。(3)设计桥式检测电路：生成含有位移信息的被解调信号。(4)解调控制信号生成：通过数字控制器生成两自由度相位正交的PWM，来保证在一个控制周期中X方向上下线圈电压差与转子位移关系式有两种不相关的检测状态。(5)设计信号解调电路：根据X向和Y向线圈端电压ux、uy的状态，设计一定的逻辑状态检测电路实现对解调方程式的求解。(6)设计低通滤波器电路，滤除位移信号中的开关噪声以及其他高频干扰。一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承控制系统，其特征在于，包括双电平PWM开关功放，X+向磁轴承，X-向磁轴承，数字控制器DSP，位移自检测电路；位移自检测电路，包括桥式检测电路，信号解调电路和滤波电路；通过X+向磁轴承X-向磁轴承得到X自由度线圈的中点电压，X自由度线圈的中点电压经过桥式检测电路得到被解调信号v，被解调信号v经过信号解调电路得到含有被位移信号调制的PWM信号，再经过滤波电路得到位移信号x、y，x、y位移信号输入至数字控制器DSP中，经过位移自检测电路对位移信号的控制算法生成控制开关功放的PWM信号，生成此PWM信号驱动开关功放的开关管，然后反馈到信号解调电路进行位移信号的解调。本专利技术的优点在于：(1)无需额外的高频信号注入，直接将PWM调制信号作高频激励信号，可以提高自检测系统的带宽；(2)基于差动变压器原理由一个自由度的线圈中点电压实现两个自由度位移检测，可以提高自检测系统的冗余性；(3)无需在PWM波中强行嵌入固定的采样时间，并且可以增加在一个PWM周期中位移更新的次数，提高检测精度和很好的抑制噪声；(4)采用正交的PWM调制方式，不改变已调制PWM的脉宽，磁轴承始终受控，提高系统的稳定性。附图说明图1为永磁偏置磁轴承-转子结构图；图2为永磁偏置磁轴承一个自由度的连线方式；图3为永磁偏置磁轴承的等效磁路分析图；图4为永磁偏置磁轴承的等效电磁磁路分析图；图5为基于自传感的永磁偏置磁轴承控制系统框图；图6为图5中位移自检测电路；图7为图6中的桥式检测电路；图8为图6中的模拟多路复用器和采样保持电路；图9为图6中的数字逻辑电路，即采样保持时序控制信号生成电路；图10为图6中的和差运算电路；图11为图6中的低通滤波电路；具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。对同一自由度上下两个磁轴承线圈进行串联连接，通过永磁偏置磁轴承的磁路分析，串联线圈的电路结构，设计桥式检测电路，得到含有位移信息的检测信号。设计逻辑状态检测电路对X、Y两方向的线圈端电压进行逻辑选择，从而对含有位移信息的检测信号进行解算，而逻辑状态检测电路的控制信号是利用DSP生成的两个自由度相位差90°的PWM信号。检测信号经过逻辑状态检测电路的解算，可以得到两自由度位移的信号相加与相减的组合关系，不过在这种相加和相减的组合信号中含有开关噪声，通过运算放大器组成的二阶有源低通滤波器，加法器以及减法器便可以得到两个自由度的转子位移信号x，y。本专利技术是一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承的无位移传感器检测方法，包括以下几个步骤：(1)永磁偏置磁轴承的线圈连接：在同一自由度上，把永磁偏置磁轴承上下线圈进行串联连接，并且引出串联后上下线圈的中点电压。(2)位移解算核心公式推导：通过对永磁偏置磁轴承的磁路分析以及电磁感应定律推导出上下线圈电压差与转子位移的关系其中vx是X向上下线圈的电压差，vy是Y向上下线圈的电压差，ux是X向线圈的端电压，uy是Y向线圈的端电压，g是转子在平衡位置时候的气隙，x是转子沿X向的位移，y是转子沿Y向的位移。通过上面的推导可知，利用一个自由度的上下线圈电压差进行解算就可以得到两个自由度的位移，不妨利用X向的上下线圈电压差进行解算。(3)设计桥式检测电路：在上下串联的磁轴承线圈中并联两个阻值较大的等阻值电阻，生成含有位移信息的被解调信号是由两个等阻值电阻的中点电压VXR与X向线圈的中点电压VXL之差，通过求差电路生成被检测信号(4)解调控制信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承的无位移传感器检测方法，其特征在于，包括以下几个步骤：(1)永磁偏置磁轴承的线圈连接：在同一自由度上，把永磁偏置磁轴承上下线圈进行串联连接，并且引出串联后上下线圈的中点电压；(2)位移解算核心公式推导：推导出上下线圈电压差与转子位移关系，通过电路的连接关系推导出上下线圈电压差与线圈中点电压的关系，利用一个自由度的中点电压进行解算，得到两个自由度的位移；(3)设计桥式检测电路：生成含有位移信息的被解调信号；(4)解调控制信号生成：通过数字控制器生成两自由度相位正交的PWM；(5)设计信号解调电路：根据X向和Y向线圈端电压ux、uy的状态，设计逻辑状态检测电路实现对解调方程式的求解；(6)设计低通滤波器电路，滤除位移信号中的开关噪声以及其他高频干扰。

【技术特征摘要】
1.一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承的无位移传感器检测方法，其特征在于，包括以下几个步骤：(1)永磁偏置磁轴承的线圈连接：在同一自由度上，把永磁偏置磁轴承上下线圈进行串联连接，并且引出串联后上下线圈的中点电压；(2)位移解算核心公式推导：推导出上下线圈电压差与转子位移关系，通过电路的连接关系推导出上下线圈电压差与线圈中点电压的关系，利用一个自由度的中点电压进行解算，得到两个自由度的位移；(3)设计桥式检测电路：生成含有位移信息的被解调信号；(4)解调控制信号生成：通过数字控制器生成两自由度相位正交的PWM；(5)设计信号解调电路：根据X向和Y向线圈端电压ux、uy的状态，设计逻辑状态检测电路实现对解调方程式的求解；(6)设计低通滤波器电路，滤除位移信号中的开关噪声以及其他高频干扰。2.根据权利要求1所述的一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承的无位移传感器检测方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，上下线圈电压差与转子位移的关系为：其中：vx是X向上下线圈的电压差，vy是Y向上下线圈的电压差，ux是X向线圈的端电压，uy是Y向线圈的端电压，g是转子在平衡位置时候的气隙，x是转子沿X向的位移，y是转子沿Y向的位移；通过一个自由度的中点电压解算出两个自由度的转子位移，利用X向的中点电压进行解算，X向上下线圈的电压差与线圈中点电压的关系为其中VXL是X向中点电压，vx+是X向上线圈的电压，vx-是X向下线圈的电压。3.根据权利要求1所述的一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承的无位移传感器检测方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，在上下串联的磁轴承线圈中并联两个阻值较大的等阻值电阻，生成含有位移信息的被解调信号是由两个等阻值电阻的中点电压VXR与X向线圈的中点电压VXL之差，通过求差电路生成被检测信号：4.根据权利要求1所述的一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承的无位移传感器检测方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，利用数字控制器DSP的PWM模块，生成X，Y两自由度相位正交的PWM，分别为PWMX，PWMY，PWMX控制X方向的线圈端电压ux的状态，PWMY控制Y方向的线圈端电压uy的状态，设定线圈电压高电平为1，低电平为0，在一个控制周期中保证线圈端电压ux和uy出现00，01，10，11四种组合状态，从而在一个控制周期中X方向的被检测信号v与转子位移关系式至少有两种不相关的检测状态。5.根据权利要求1所述的一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承的无位移传感器检测方法，其特征在于，所述的步骤(5)中，设计信号解调电路对被检测信号v进行解调，信号解调电路是由模拟多路复用器，采样保持电路、数字逻辑电路以及和差运算电路组成，由DSP生成的PWMX，PWMY来控制模拟多路复用器，对v的状态进行选择，是输出v或者-v，此时输出的v或者-v经过采样保持电路在不同的解调控制信号PWMX和PWMY状态下得到位移信号的和差信号x+y，x-y，通过由运算放大器构成的和差运算电路的数学运算解算出x和y位移信号。6.根据权利要求1所述的一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承的无位移传感器检测方法，其特征在于，所述的步骤(6)中，低通滤波器电路为由运算放大器构成的有源低通二阶滤波器。7.一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承控制系统，其特征在于，包括双电平PWM开关功放，X+向磁轴承，X-向磁轴承，数字控制器DSP，位移自检测电路；位移自检测电路，包括桥式检测电路，信号解调电路和滤波电路；通过X+向磁轴承X-向磁轴承得到X自由度线圈的中点电压，X自由度线圈的中点电压经过桥式检测电路得到被解调信号v，被解调信号v经过信号解调电路得到含有被位移信号调制的PWM信号，再经过滤波电路得到位移信号x、y，x、y位移信号输入至数字控制器DSP中，经过位移自检测电路对位移信号的控制算法生成控制开关功放的PWM信号，生成此PWM信号驱动开关功放的开关管，然后反馈到信号解调电路进行位移信号的解调。8.根据权利要求7所述的一种基于双电平功放永磁偏置混合磁轴承控制系统，其特征在于，所述的位移自检测电路中，桥式检测电路包括差动电桥和求差电路，信号解调电路包括选通电路，采样保持电路，数字逻辑电路，和差运算电路，滤波电路为低通滤波器；差动电桥为两个阻值为3M欧姆的电阻串联，然后把这两个串联后的电阻并联到X向线圈的两端，分别引出线圈的中点电压VxL，两个3M欧姆的电阻的中点电压VxR；求差电路选择TL084芯片；线圈的中点电压经过由TL084中1，2，3管脚组成的电压跟随器，由1脚输出，在经过两个10K电阻进行分压，得到VxL的一半，即0.5VxL，同理两个串联电阻的中点电压VxR经过由TL084中的5，6，7管脚组成的电压跟随器，由7脚输出，同样经过两个10K的电阻进行分压，得到VxR的一半，即0.5VxR；由TL084的其中一个运放中的8...

【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，姜寅啸，郑世强，王坤，韩邦成，
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