基于FPGA的多自由度磁悬浮轴承控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于FPGA的多自由度磁悬浮轴承控制方法及系统，包括获得在n个自由度方向的磁轴承位移和磁轴承电流，第一自由度磁轴承位置环运算，第一自由度磁轴承电流环运算和脉宽调整，相邻自由度磁轴承位置环运算和电流环运算，依次将n个自由度方向的磁轴承位移和磁轴承电流输入，得到磁轴承PWM调制信号组合，根据磁轴承PWM调制信号组合同时控制各自由度磁轴承电流的大小，对磁轴承进行悬浮控制。本发明专利技术对各功能模块进行调度优化，使得多自由度磁轴承控制使用一路磁轴承控制运算模块，很好的控制了硬件成本，同时PWM信号同时输出较好的保证了多自由度磁轴承控制的同步性，对功能模块进行分时复用，使整个系统在节约逻辑资源的同时保证运算速度。辑资源的同时保证运算速度。辑资源的同时保证运算速度。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的多自由度磁悬浮轴承控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及电磁轴承控制
，具体涉及一种基于FPGA的多自由度磁悬浮轴承控制方法及系统。

技术介绍

[0002]目前广泛使用的电磁轴承控制系统大多数基于MCU或者DSP等采用纯软件的方法实现，但是基于软件的方法为顺序执行，易产生滞后，降低了电磁轴承控制的实时性继而降低了整机性能。因此，出现了基于FPGA的纯硬件逻辑的方法实现，然而现有的FPGA电磁轴承并行控制系统中，各电磁轴承分别利用各自的数据采集电路、指令输入电路、磁轴承控制运算电路独立进行逻辑实现并行控制，各电磁轴承之间互不影响，这种方法需要重复占用FPGA的计算逻辑，造成资源浪费，芯片成本增加，对FPGA芯片的要求较高。要求逻辑单元量大，乘法器等资源多的FPGA芯片，造成芯片成本增加，对FPGA芯片要求也较高。
[0003]现有技术中如中国专利CN101931371A公开了一种以FPGA芯片作为核心处理器的磁悬浮轴承控制功放一体化系统，其控制方式如图1所示，将磁悬浮轴承上的位移传感器提供的转子位移反馈信号和线圈电流传感器提供的线圈电流反馈信号转化为数字信号并送入到FPGA控制电路，在其内对数字信号进行数字标定及悬浮PID控制算法、电流校正算法和三电平脉冲宽度调制算法运算，生成调制PWM信号控制线圈电流的大小，这种方法分别利用各自的数据采集电路、磁轴承控制运算电路独立进行逻辑实现并行控制，重复占用FPGA的计算逻辑，造成资源浪费。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术技术对各磁轴承进行并行控制导致的FPGA逻辑资源浪费的技术问题，本专利技术提供一种基于FPGA的多自由度磁悬浮轴承控制方法及系统，具体采用如下技术方案：
[0005]一种基于FPGA的多自由度磁悬浮轴承控制方法，其中使用一个电磁线圈和一个永久磁体控制磁轴承转轴进行悬浮，包括如下步骤：
[0006]S1、获得在n个自由度方向的磁轴承位移{FD1、FD2、FD3…
FD
n
}和磁轴承电流{FI1、FI2…
FI
n
}，其中n为1～6的整数；
[0007]S2、第一自由度磁轴承位置环运算：
[0008]将第一自由度磁轴承的位移给定值与第一自由度磁轴承位移FD1做差后输入至位置环PID控制器，得到第一自由度磁轴承电流给定值；
[0009]S3、第一自由度磁轴承电流环运算和脉宽调整：
[0010]将第一自由度磁轴承电流FI1与第一自由度磁轴承电流给定值做差后输入至电流环PI控制器，并经过脉冲宽度调制后得到第一自由度磁轴承PWM调制信号P1；
[0011]S4、相邻自由度磁轴承位置环运算和电流环运算：
[0012]当电流环PI控制器对第一自由度磁轴承进行运算时，则同时将第二自由度磁轴承
的位移给定值与第二自由度磁轴承位移FD2做差后输入至位置环PID控制器，得到第二自由度磁轴承电流给定值；当脉冲宽度调制生成第一自由度磁轴承PWM调制信号时，则同时将第二自由度磁轴承电流FI2与第二自由度磁轴承电流给定值做差后输入至电流环PI控制器，同时将第三自由度磁轴承的位移给定值与第三自由度磁轴承位移FD3做差后输入至位置环PID控制器，得到第三自由度磁轴承电流给定值；
[0013]S5、根据S4的方式，依次将n个自由度方向的磁轴承位移和磁轴承电流输入，得到磁轴承PWM调制信号组合{P1、P2…
P
n
}；
[0014]S6、根据磁轴承PWM调制信号组合{P1、P2…
P
n
}同时控制各自由度磁轴承电流的大小，对磁轴承进行悬浮控制。
[0015]本专利技术还提供一种基于FPGA的多自由度磁悬浮轴承控制方法，其中使用两个电磁线圈控制磁轴承转轴进行悬浮，一个磁轴承位移信号对应两个磁轴承电流信号。
[0016]优选地，所述多自由度为五自由度，分别为前向X、前向Y、后向X、后向Y和轴向Z。
[0017]还提供一种采用上述多自由度磁悬浮轴承控制方法的系统，该系统设置在FPGA上，所述系统包括：
[0018]并行设置的n个磁轴承位移采样模块和n个磁轴承电流采样模块，所述磁轴承位移采样模块用于获取n个自由度方向的磁轴承位移；所述磁轴承电流采样模块用于获取n个自由度方向的磁轴承电流；
[0019]一个磁轴承运算模块，该磁轴承运算模块用于接收磁轴承位移和磁轴承电流信号，并依次进行n个自由度方向的磁轴承位移运算和磁轴承电流运算，通过脉宽调整得到磁轴承PWM调制信号组合；以及
[0020]并行设置的n个PWM信号输出模块和n个功率放大器，所述PWM信号输出模块用于将PWM调制信号组合输出至功率放大器控制磁悬浮轴承的电流大小。
[0021]还提供一种采用上述多自由度磁悬浮轴承控制方法的系统，该系统设置在FPGA上，其中磁轴承电流采样模块为2n个，功率放大器为为n或2n个。
[0022]进一步地，所述磁轴承运算模块包括位置环PID控制器、电流环PI控制器以及三电平脉冲宽度调制算法模块；
[0023]所述位置环PID控制器能够将磁轴承的位移给定值与磁轴承位移做差后进行位移环运算得到磁轴承电流给定值；
[0024]所述电流环PI控制器能够将磁轴承电流与磁轴承电流给定值做差后进行电流环运算；
[0025]所述三电平脉冲宽度调制算法模块将电流环PI控制器的运算结果进行脉冲宽度调制后得到轴承PWM调制信号。
[0026]由以上技术方案可知，本专利技术对各功能模块进行调度优化，使得多自由度磁轴承控制使用一路磁轴承控制运算模块，与现有技术方案比，很好的控制了硬件成本，同时PWM信号同时输出较好的保证了多自由度磁轴承控制的同步性，对功能模块进行分时复用，使整个系统在节约逻辑资源的同时保证运算速度。
附图说明
[0027]图1为现有技术系统模块的结构示意图；
[0028]图2为本专利技术多自由度磁悬浮轴承控制方法的流程图；
[0029]图3为本专利技术中磁轴承运算模块的运算逻辑示意图；
[0030]图4为本专利技术实施例五自由度磁轴承运算原理图；
[0031]图5为本专利技术多自由度磁悬浮轴承控制系统的结构示意图。
具体实施方式
[0032]下面结合附图对本专利技术的一种优选实施方式作详细的说明。
[0033]本专利技术的多自由度磁悬浮轴承控制方法是基于FPGA，当然也可以采用DSP+FPGA等其他替代方案，如位置环在DSP执行，电流环在FPGA中运行，电流环控制方式使用本专利技术公开的磁悬浮轴承控制方法。
[0034]本专利技术是将FPGA中的三个功能模块：位置环PID控制器、电流环PI控制器、三电平脉冲宽度调制算法模块，按照分时复用的思想构成“流水结构”，也就是要求同一个模块在同一个时刻只能进行某一轴承的控制运算，又因为构成流水结构的3个功能模块所需要的执行时间不尽相同，因此，流水线中的每本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于FPGA的多自由度磁悬浮轴承控制方法，其中使用一个电磁线圈和一个永久磁体控制磁轴承转轴进行悬浮，其特征在于，包括如下步骤：S1、获得在n个自由度方向的磁轴承位移{FD1、FD2、FD3…
FD
n
}和磁轴承电流{FI1、FI2…
FI
n
}，其中n为1～6的整数；S2、第一自由度磁轴承位置环运算：将第一自由度磁轴承的位移给定值与第一自由度磁轴承位移FD1做差后输入至位置环PID控制器，得到第一自由度磁轴承电流给定值；S3、第一自由度磁轴承电流环运算和脉宽调整：将第一自由度磁轴承电流FI1与第一自由度磁轴承电流给定值做差后输入至电流环PI控制器，并经过脉冲宽度调制后得到第一自由度磁轴承PWM调制信号P1；S4、相邻自由度磁轴承位置环运算和电流环运算：当电流环PI控制器对第一自由度磁轴承进行运算时，则同时将第二自由度磁轴承的位移给定值与第二自由度磁轴承位移FD2做差后输入至位置环PID控制器，得到第二自由度磁轴承电流给定值；当脉冲宽度调制生成第一自由度磁轴承PWM调制信号时，则同时将第二自由度磁轴承电流FI2与第二自由度磁轴承电流给定值做差后输入至电流环PI控制器，同时将第三自由度磁轴承的位移给定值与第三自由度磁轴承位移FD3做差后输入至位置环PID控制器，得到第三自由度磁轴承电流给定值；S5、根据S4的方式，依次将n个自由度方向的磁轴承位移和磁轴承电流输入，得到磁轴承PWM调制信号组合{P1、P2…
P
n
}；S6、根据磁轴承PWM调制信号组合{P1、P2…
P
n
}同时控制各自由度磁轴承电流的大小，对磁轴承进行悬浮控制。2.基于FPGA的多自由度磁悬浮轴承控制方法，其中使用两个电磁线圈控制磁轴承转轴进行悬浮，其特征在于，包括如下步骤：S1、获得在n个自由度方向的磁轴承位移{FD1、FD2、FD3…
FD
n
}和磁轴承电流{FI
11
、FI
12
、FI
21
、FI
22
…
FI
n1
、FI
n2
}，其中n为1～6的整数；S2、第一自由度磁轴承位置环运算：将第一自由度磁轴承的位移给定值与第一自由度磁轴承位移FD1做差后输入至位置环PID控制器，得到第一自由度磁轴承电流给定值；S3、第一自由度磁轴承电流环运算和脉宽调整：将第一自由度磁轴承电流FI
11
和FI
12
与第一自由度磁轴承电流给定值做差后分别输入至两个电流环PI控制器，并经过脉冲宽度调制后得到第一自由度磁轴承PWM调制信号P
11
、P
12
；S4、相邻自由度磁轴承位置环运算和电流环运算：当电流环PI控制器对第一自由度磁轴承进行运算时，则同时将第二自由度磁轴承的位移给定值与第二自由度磁轴承位移FD2做差后输入至位置环PID控制器，得到第二自由度磁轴承电流给定值；当脉冲宽度调制生成第一自由度磁轴承PWM调制信号时，则同时将第二自由度磁轴承电流FI
21
、FI
22
与第二自由度磁轴承电流给定值做差后输入至电流环PI控制器，同时将第三自由度磁轴承的位移给定值与第三自由度磁轴承位移FD3做差后输入至位置环PID控制器，得到第三自由度磁轴承电流给定值；
S5、根据S4的方式，依次将n个自由度方向的磁轴承位移和磁轴承电流输入，得到磁轴承PWM调制信号组合{P
11
、P
12
、P
21

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建东，陈雨琴，王兆杰，
申请(专利权)人：瑞纳智能设备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：