CN103322045A - 一种调制方式可变的磁悬浮飞轮磁轴承数字控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了调制方式可变的磁悬浮飞轮磁轴承数字控制***，是一种能够用来对磁悬浮飞轮磁轴承进行控制的装置，其主要包括DSP处理器***、FPGA处理器***、PWM功放电路和信号调理电路。DSP处理器***通过ADC模块来获取信号调理电路输出的信号，根据信号进行控制算法的运算，运算结果传输至FPGA处理器***，FPGA处理器***根据获取的运算结果进行PWM调制，可以根据需要进行两电平PWM调制策略或三电平PWM调制策略的实现。

Description

一种调制方式可变的磁悬浮飞轮磁轴承数字控制***

技术领域

本发明属于机电技术领域，涉及一种轴承控制***，具体地说，涉及一种调制方式可变的磁悬浮飞轮磁轴承数字控制***。

背景技术

磁轴承是通过磁力将转子悬浮起来并进行旋转的一种新型轴承，与传统的轴承相比具有无接触、无摩擦、高速度、高精度等优点，具有很强的研究意义和很广阔的应用空间。

目前在磁轴承的数字控制上，一般采用单个DSP芯片作为控制处理器的方案。这种方案的优点在于***设计简单，集成度高。但是对于采用全桥结构的5自由度磁轴承，采用单个DSP芯片做控制器的方案只能实现两电平调制；要实现磁轴承的三电平调制，至少需要20路独立PWM控制通道。而一般的DSP芯片受到集成的PWM信号通道数限制，无法对5个磁轴承通道进行独立控制。

发明内容

为了克服现有技术中磁轴承控制中调制方式单一、***设计复杂、稳定性差等缺陷，提出了一种硬件设计简洁、控制方式多样化和稳定性更高的磁轴承控制***。其技术方案如下：

一种调制方式可变的磁悬浮飞轮磁轴承数字控制***统，包括DSP处理器***、FPGA处理器***、PWM功放电路、信号调理电路，其中，DSP处理器***是整个控制装置的核心，用于处理从信号调理电路得到的数据，根据相应的控制算法生成运算结果，并通过XINTF接口将该结果传送给FPGA处理器***；FPGA处理器***主要是将DSP处理器***传输来的运算结果调制成PWM波形进行输出；PWM功放电路主要是根据PWM结果进行功率放大，驱动功率全桥电路进行工作，进而实现对磁轴承的控制；信号调理电路主要是将位移/电流的原始信号调理成DSP处理器***内部ADC模块所能接受的电压范围。

进一步优选，所述的DSP处理器***采用一片DSP芯片作为核心处理器，主要负责ADC采样和控制算法运算，通过DSP的XINTF接口实现与FPGA处理器***的数据交换，DSP芯片采用TMS320F2833x系列。

进一步优选，所述的FPGA处理器***采用一片Xilinx芯片生成PWM波形，并能够根据需要进行不同调制策略下的PWM信号输出。

进一步优选，PWM功放电路接收来自FPGA处理器***的PWM信号，并根据需要通过调制策略选择开关实现两电平调制策略或三电平调制策略下信号的传送和驱动，信号隔离采用高速数字隔离芯片Si87xx，信号驱动采用高集成的三相全桥驱动芯片IR2233。

本发明的原理是：采用一片DSP芯片和一片FPGA芯片实现磁轴承的控制。信号调理电路将磁轴承的位移和电流信息转化为电压信号，DSP芯片对以上电压信号采样，然后经过控制算法得到运算结果，并通过内部XINTF接口发送给FPGA芯片；FPGA根据接收到的数据进行两电平方式调制或三电平方式调制，并输出到PWM功放电路；PWM信号通过PWM功放电路中的数字隔离电路、脉冲驱动保护电路驱动磁轴承全桥电路，生成磁轴承线圈所需的控制电流，进而控制磁轴承工作。

本发明的有益效果：本发明利用了一片DSP芯片和一片FPGA芯片来构建磁轴承控制***，与其他的控制的***相比，具有以下特点：

（1）采用DSP处理器为核心处理器，主要利用DSP内部ADC模块进行信号采样，并进行控制算法的运算，采用高速的XINTF接口与FPGA进行数据交换，具有***集成度高，硬件电路结构简单、运算速度快等优点。

（2）采用FPGA处理器来生成不同调制策略下的PWM波形，调制功能实现过程简单，调制方式灵活可变。

（3）功放电路通过DSP数字指令的选择可以适应不同调制策略，采用数字隔离芯片来代替传统的隔离光耦芯片，采用三相全桥驱动芯片进行功率信号的驱动，具有集成度高、抗干扰能力强、隔离效果好等优点。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的DSP与FPGA接口图；

图3为本发明的FPGA工作原理图；

图4为本发明的PWM功放信号接口图；

图5为本发明的主程序流程图；

图6为本发明的DSP中定时器中断流程图；

图7为本发明的DSP中ADC中断流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

如图1所示，本发明包括DSP处理器***3、FPGA处理器***4、PWM功放电路5和信号调理电路2。其中DSP处理器***3是整个控制装置的核心，可以使用TMS320F2833x系列带有12位ADC和XINTF接口的浮点运算芯片，用于对信号调理电路2进行采样，并通过相应的控制算法生成计算结果，该结果通过XINTF接口传输给FPGA处理器***4，FPGA处理器***4根据要求的调制策略进行PWM控制信号的生成，并输出到PWM功放电路(5),进而控制磁轴承工作。

如图2所示，DSP处理器***3通过DSP内部的XINTF接口与FPGA处理器***4进行数据交换，其中：D(15:0)为双向数据线；A(5:0)为地址线，用于对FPGA映射的DSP片外空间进行地址选择；nOE为读使能信号，低电平有效；nWE为写使能信号，低电平有效；XZCS7为片选信号，低电平有效；Clk为时钟信号。当XZCS7与nOE都为低电平时，可以对FPGA进行读操作；当XZCS7与nWE都为低电平时，可以对FPGA进行写操作。

如图3所示，FPGA处理器***4实时查询总线信息，当对应端口检测到XZCS7端口出现下降沿时，表明DSP处理器***3选中FPGA处理器***4作为片外存储空间进行数据交换，FPGA延时1个时钟周期后判断nWE是否为低电平，若nWE为低电平，则接收调制方式控制字，并进行地址译码，根据调制控制方式控制字的要求和地址译码的不同内容，进行磁轴承功放***的两电平PWM调制或三电平PWM调制。

如图4所示，FPGA将调制好的PWM信号输出到PWM功放电路，信号经过数字隔离器件转化为强电信号，进而驱动磁轴承工作。

如图5所示，DSP程序开始执行后，首先对内部ADC、XINTF接口和定时器进行初始化，然后打开定时器中断和ADC中断，最后进入无限循环，等待DSP定时器中断到来。

如图6所示，在DSP的定时器中断子程序中，主要是定时开启ADC单次转换，然后清除定时器中断标志位，并响应其他中断。

如图7所示，在DSP的ADC中断子程序中，主要是读取ADC采样结果，并对其进行数学运算转化为PWM控制信号，然后将其通过XINTF接口发送到FPGA处理器***。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种调制方式可变的磁悬浮飞轮磁轴承数字控制***统（1），其特征在于，包括DSP处理器***（3）、FPGA处理器***（4）、PWM功放电路（5）、信号调理电路（2），其中，DSP处理器***（3）是整个控制装置的核心，用于处理从信号调理电路（2）得到的数据，根据相应的控制算法生成运算结果，并通过XINTF接口将该结果传送给FPGA处理器***（4）；FPGA处理器***（4）主要是将DSP处理器***（3）传输来的运算结果调制成PWM波形进行输出；PWM功放电路（5）主要是根据PWM结果进行功率放大，驱动功率全桥电路进行工作，进而实现对磁轴承（6）的控制；信号调理电路（2）主要是将位移/电流的原始信号调理成DSP处理器***（3）内部ADC模块所能接受的电压范围。

2.根据权利要求1所述的调制方式可变的磁悬浮飞轮磁轴承数字控制***统（1），其特征在于，所述的DSP处理器***（3）采用一片DSP芯片作为核心处理器，主要负责ADC采样和控制算法运算，通过DSP的XINTF接口实现与FPGA处理器***（4）的数据交换，DSP芯片采用TMS320F2833x系列。

3.根据权利要求1所述的调制方式可变的磁悬浮飞轮磁轴承数字控制***统（1），其特征在于，所述的FPGA处理器***（4）采用一片Xilinx芯片生成PWM波形，并能够根据需要进行不同调制策略下的PWM信号输出。

4.根据权利要求1所述的调制方式可变的磁悬浮飞轮磁轴承数字控制***统（1），其特征在于，PWM功放电路（5）接收来自FPGA处理器***（4）的PWM信号，并根据需要通过调制策略选择开关实现两电平调制策略或三电平调制策略下信号的传送和驱动，信号隔离采用高速数字隔离芯片Si87xx，信号驱动采用高集成的三相全桥驱动芯片IR2233。

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