基于LabVIEWFPGA的磁悬浮轴承数字控制器的制作方法

基于labview fpga的磁悬浮轴承数字控制器
技术领域
1.本发明涉及控制器技术领域，尤其涉及一种基于labviewfpga的磁悬浮轴承数字控制器。


背景技术：

2.磁悬浮轴承是一种潜力巨大的新型轴承，其工作原理主要是利用电磁线圈产生的磁力将转子悬浮在规定的位置，实现对转子的非接触支承；磁悬浮轴承系统在机械工业、航空航天、能源交通、机器人等领域有着大量的需求，其能否运转正常，在很大程度上由其控制器性能决定，同时其控制器也决定了磁悬浮轴承系统的刚度、阻尼、回转精度等性能，因而对控制器进行改进是提高磁悬浮轴承性能的重要手段，但是传统的基于dsp或模拟器件的磁悬浮轴承控制器具有集成度低、体积较大的缺点。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于labviewfpga的磁悬浮轴承数字控制器，旨在解决现有的磁悬浮轴承数字控制器集成度低、体积较大的缺点。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种基于labviewfpga的磁悬浮轴承数字控制器，包括电涡流传感器、传感器前置调理电路、模数转换模块、fpga模块、驱动电路模块和功率模块；
5.所述传感器前置调理电路和所述电涡流传感器连接，所述模数转换模块和所述传感器前置调理电路连接，所述fpga模块和所述模数转换模块连接，所述驱动电路模块和所述fpga模块连接，所述功率模块和所述驱动电路模块连接。
6.其中，所述传感器前置调理电路采用二阶巴特沃斯低通滤波器，用于对所述电涡流传感器输出的信号进行滤波。
7.其中，所述模数转换模块采用ad7606，具有16位adc以及8通道，同时200khz频率采集，每秒8x200k样本。
8.其中，所述基于labview fpga的磁悬浮轴承数字控制器还包括转子单自由度控制系统；
9.所述转子单自由度控制系统包括位移传感器、位置控制器、两个电流控制器和两个功率放大器；所述位置控制器和所述位移传感器连接，两个所述电流控制器分别与所述位置控制器连接，两个所述功率放大器分别与两个所述电流控制器连接。
10.本发明的一种基于labview fpga的磁悬浮轴承数字控制器，所述电涡流传感器检测到的转子位移信号经所述传感器前置调理电路处理后，输入到所述模数转换模块，经过抗混叠滤波、电平转换和限幅保护环节后到达所述fpga模块，所述模数转换模块将模拟信号转换成数字信号，通过所述fpga模块中采用的控制算法对其进行处理，然后得到所需的pwm控制信号，最后数字控制信号经所述驱动电路模块转换成模拟控制信号传送到下一级控制系统；本发明的一种基于labview fpga的磁悬浮轴承数字控制器集成度高、体积较小，
且利用labview开发fpga模块，避免了传统fpga软件开发门槛高、周期长、调试困难的问题，大大降低了控制算法的实现难度，实现了短平快的快速原型控制器开发，降低了开发与维护的成本。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
12.图1是本发明的一种基于labview fpga的磁悬浮轴承数字控制系统的结构示意图。
13.图2是五自由度磁悬浮轴承试验台的结构示意图。
14.图3是本发明的一种基于labview fpga的磁悬浮轴承数字控制器的结构示意图。
15.图4是本发明的模数转换模块的结构示意图。
16.图5是本发明的转子单自由度控制系统的结构示意图。
17.图6是本发明的电流、位移模拟量信号采集线程的示意图。
18.图7是本发明的位移电流pid差分控制器及pwm调制线程的示意图。
19.1-电涡流传感器、2-传感器前置调理电路、3-模数转换模块、4-fpga模块、5-驱动电路模块、6-功率模块、7-位移传感器、8-位置控制器、9-电流控制器、10-功率放大器。
具体实施方式
20.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
21.请参阅图1～图7，本发明提供一种基于labview fpga的磁悬浮轴承数字控制器：包括电涡流传感器1、传感器前置调理电路2、模数转换模块3、fpga模块4、驱动电路模块5和功率模块6；
22.所述传感器前置调理电路2和所述电涡流传感器1连接，所述模数转换模块3和所述传感器前置调理电路2连接，所述fpga模块4和所述模数转换模块3连接，所述驱动电路模块5和所述fpga模块4连接，所述功率模块6和所述驱动电路模块5连接。
23.在本实施方式中，请参考图2，图2为五自由度磁悬浮轴承试验台的结构示意图，由图可知，其核心部件分别为径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承、传感器、保护轴承、转子和电机，内置的高频电机驱动转子进行高速旋转，在磁悬浮轴承处安装保护轴承，目的是在系统出现突发情况时，使得转子有临时支承，以防止转子与磁极直接碰撞损坏整个装置，转子未处于悬浮状态时，由保护轴承对其进行支承，此外，两个保护轴承还可以起到轴向定位的作用，转子的位移通过位移传感器7实时检测。本技术的模数转换模块3采用ad7606，具有16位adc以及8通道，同时200khz频率采集，每秒8x200k样本，所述传感器前置调理电路2采用二阶巴特沃斯低通滤波器，用于对所述电涡流传感器1输出的信号进行滤波。
24.由于传统pid控制算法原理简单，适应性强，鲁棒性强且应用最为广泛，由比例系
数、微分系数和积分系数构成偏差信号输出。考虑到磁悬浮轴承系统的动态性能和高频噪声，理想的pid控制器并不完全适用于实际应用，本技术采用不完全微分pid控制策略，虽然纯微分环节的使用虽然可提高控制系统的动态性能，但是同时易受高频信号干扰，使得控制系统不稳定，为了解决这一问题，在pid算法的微分环节引入所述传感器前置调理电路2，可显著提高控制系统的稳定性，这样就建立了不完全微分形式的pid控制器，其控制传递函数的表达式为
[0025][0026]
式中，k
p
为比例系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，tf为低通滤波系数。
[0027]
式(1)是不完全微分pid控制策略的连续形式，若要在设计的数字控制器中实现该控制算法，必须要先对其离散化，才能在labview中编写出对应的软件，所以采用一阶后向差分法对式(1)进行了离散化：
[0028][0029]
式中：
[0030]
本技术在使用时，所述电涡流传感器1检测到的转子位移信号经所述传感器前置调理电路2处理后，输入到所述模数转换模块3，经过抗混叠滤波、电平转换和限幅保护环节后到达所述fpga模块4，所述模数转换模块3将模拟信号转换成数字信号，通过所述fpga模块4中采用的控制算法对其进行处理，然后得到所需的pwm控制信号，最后数字控制信号经所述驱动电路模块5转换成模拟控制信号传送到下一级控制系统。
[0031]
为了验证研制的基于不完全微分pid控制策略的磁悬浮轴承数字控制器的性能，在labview平台搭建了磁悬浮轴承主动控制器的控制算法。首先进行了转子五自由度静态悬浮试验。因为传感器标定后，从传感器电路板上输入到数字控制器上的位移电压信号幅值在0～+10v，这样可以保证磁悬浮轴承转子稳定悬浮在平衡位置。图6为电流、位移模拟量信号采集线程，图7为位移电流pid差分控制器及pwm调制线程，测试表明了该控制器具有较好的控制性能。
[0032]
本技术采用基于xilinx的kintex-7芯片xc7k325的开发平台ax7325，具有丰富的外设扩展接口。其搭载了1个pciex8接口、4路10g sfp光纤接口、1路40g的qspf+光纤接口、1路uart串口接口、1路sd卡接口、1个fmc扩展接口、一个40针的扩展口等等。满足开发人员各种高速数据交换，数据存储，数据处理以及工业控制的要求，是一款“专业级”的fpga开发平台。为高速数据传输和交换，数据处理的前期验证和后期应用提供了可能。在已有的传感器、功率放大器10、磁悬浮轴承机械结构等环节定型的基础上，设计了一款基于kintex-7325的磁悬浮轴承数字控制器，并在此数字控器上编写了不完全微分pid算法的程序，实现了磁悬浮轴承转子的静态悬浮以及高速旋转。本发明的一种基于labview fpga的磁悬浮轴
承数字控制器集成度高、体积较小，且利用labview开发fpga模块4，避免了传统fpga软件开发门槛高、周期长、调试困难的问题，大大降低了控制算法的实现难度，实现了短平快的快速原型控制器开发，降低了开发与维护的成本。
[0033]
进一步的，所述传感器前置调理电路2采用二阶巴特沃斯低通滤波器，用于对所述电涡流传感器1输出的信号进行滤波。
[0034]
进一步的，所述模数转换模块3采用ad7606，具有16位adc以及8通道，同时200khz频率采集，每秒8x200k样本。
[0035]
进一步的，所述基于labview fpga的磁悬浮轴承数字控制器还包括转子单自由度控制系统；
[0036]
所述转子单自由度控制系统包括位移传感器7、位置控制器8、两个电流控制器9和两个功率放大器10；所述位置控制器8和所述位移传感器7连接，两个所述电流控制器9分别与所述位置控制器8连接，两个所述功率放大器10分别与两个所述电流控制器9连接。
[0037]
在本实施方式中，参考图5，图5为对转子单个自由度位置的控制框图，每个自由度由相对放置的两个轴承线圈进行控制，控制外环为位置环，转子的位置误差经过位置环控制器后得到控制电流指令值，控制内环为电流环，控制同一自由度的两个线圈采用了电流差分控制：两个线圈电流的指令值分别为偏置电流i
bias
加、减控制电流i
x
，其中偏置电流的作用为在气隙中产生偏置磁场，控制电流作用为产生差分的电磁力。磁轴承控制电流i
x
在稳态下远小于偏置电流i
bias
，每个线圈的电流都是单向流通的，其幅值在0～2i
bias
间变化。
[0038]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种基于labviewfpga的磁悬浮轴承数字控制器，其特征在于，包括电涡流传感器、传感器前置调理电路、模数转换模块、fpga模块、驱动电路模块和功率模块；所述传感器前置调理电路和所述电涡流传感器连接，所述模数转换模块和所述传感器前置调理电路连接，所述fpga模块和所述模数转换模块连接，所述驱动电路模块和所述fpga模块连接，所述功率模块和所述驱动电路模块连接。2.如权利要求1所述的一种基于labviewfpga的磁悬浮轴承数字控制器，其特征在于，所述传感器前置调理电路采用二阶巴特沃斯低通滤波器，用于对所述电涡流传感器输出的信号进行滤波。3.如权利要求2所述的一种基于labviewfpga的磁悬浮轴承数字控制器，其特征在于，所述模数转换模块采用ad7606，具有16位adc以及8通道，同时200khz频率采集，每秒8x200k样本。4.如权利要求3所述的一种基于labviewfpga的磁悬浮轴承数字控制器，其特征在于，所述基于labviewfpga的磁悬浮轴承数字控制器还包括转子单自由度控制系统；所述转子单自由度控制系统包括位移传感器、位置控制器、两个电流控制器和两个功率放大器；所述位置控制器和所述位移传感器连接，两个所述电流控制器分别与所述位置控制器连接，两个所述功率放大器分别与两个所述电流控制器连接。

技术总结
本发明涉及控制器技术领域，具体涉及一种基于LabVIEWFPGA的磁悬浮轴承数字控制器，包括电涡流传感器、传感器前置调理电路、模数转换模块、FPGA模块、驱动电路模块和功率模块；电涡流传感器检测到的转子位移信号经传感器前置调理电路处理后，输入到模数转换模块，经过抗混叠滤波、电平转换和限幅保护环节后到达FPGA模块，模数转换模块将模拟信号转换成数字信号，通过FPGA模块中采用的控制算法对其进行处理，然后得到所需的PWM控制信号，最后数字控制信号经驱动电路模块转换成模拟控制信号传送到下一级控制系统，本申请具有集成度高、体积较小的优点。积较小的优点。积较小的优点。


技术研发人员：侯春峰 周东 胡志望 谢小华 张艳 邓德见 李鑫
受保护的技术使用者：重庆江增船舶重工有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/9