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一種集成化磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承數字控制系統.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510408584.0

申請日:

2015.07.13

公開號:

CN105065452A

公開日:

2015.11.18

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F16C 32/04申請日:20150713|||公開
IPC分類號: F16C32/04; F16C41/00; G05B19/042 主分類號: F16C32/04
申請人: 北京航空航天大學
發明人: 劉剛; 郭清遠; 房建成; 文通
地址: 100191北京市海淀區學院路37號
優先權:
專利代理機構: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251 代理人: 成金玉; 孟卜娟
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510408584.0

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.02.08|||2015.12.16|||2015.11.18

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種集成化磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承數字控制系統,用來對磁懸浮慣性穩定平臺的磁軸承系統進行主動控制,主要包括DSP模塊、電平轉換芯片、接口電路和通訊芯片。該系統通過接口電路和通訊芯片獲得磁懸浮方位轉子的位移信號、磁軸承線圈電流和方位信號數據,DSP模塊按照在DSP芯片內的基于硬件編程實現的控制算法生成控制量,根據生成的控制量并結合電流信號,進行PWM調制后經限幅輸出給電平轉換芯片,電平變換后輸出到功放環節,產生磁軸承線圈的控制電流,從而實現磁懸浮慣性穩定平臺方位轉子五自由度懸浮的全主動控制。

權利要求書

1.一種集成化磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承數字控制系統,其特征在于:
DSP模塊(4):與接口電路(12)、通訊芯片(8)和電平轉換芯片(5)相接,對由接
口電路(12)輸入的電流信號和位移信號進行采樣保持和模擬量到數字量的AD轉換,對
由通訊芯片(8)傳輸來自POS方位測量(9)方位信號進行角度換算,通過對數字化后的
電流信號、位移信號和方位信號進行運算處理,得到磁軸承線圈(7)所需的PWM輸出
量;
電平轉換芯片(5):與DSP模塊(4)和功放(6)相接,將DSP模塊(4)輸出的
0~3.3V的PWM輸出量轉換為的0~5V的電平值,送至功放(6),驅動磁軸承線圈(7);
接口電路(12):與電流傳感器(10)、位移傳感器(11)和DSP模塊(4)相接,包括
電流傳感器接口電路(13)和位移傳感器接口電路(14),將由電流傳感器(10)輸入的電
流信號和由位移傳感器(11)輸入的位移信號轉換成DSP模塊(4)所需的0~3V的模擬
信號;
通訊芯片(8):與和POS方位測量(9)相接,將POS系統所測量的方位信號實時傳
輸到DSP模塊(4)。
2.根據權利要求1所述的集成化磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承數字控制系統,其特征在
于:
所述的DSP模塊(4)包括硬件電路部分和在DSP芯片內的基于硬件編程實現的控制
算法部分;硬件電路部分包括配置芯片(1)、晶振(2)和DSP芯片(3),其中DSP芯片
(3)采用一片TI公司新推出的一款浮點型數字信號處理器TMS320F28335芯片;基于硬
件編程實現的控制算法部分,包括AD采樣轉換控制算法(17)、分散PID+扭轉控制算法
(16)和PWM調制算法(18),DSP芯片(3)通過AD采樣轉換控制算法(17)對接口電
路(12)輸入的電流信號和位移信號進行采樣保持和模擬量到數字量的AD轉換;分散
PID+扭轉控制算法(16)對位移偏移量和扭轉偏移量進行計算,得到PWM調制算法
(18)所需的控制量;由PWM調制算法(18)對分散PID+扭轉控制算法(16)生成的控
制量和AD采樣轉換控制算法(17)得到的電流偏移量進行PWM信號調制,并將調制生成
結果進行限幅保護后輸出到電平轉換芯片(5),經由功放(6)輸出到磁軸承線圈(7),完
成磁懸浮慣性穩定平臺方位轉子五自由度懸浮的全主動控制。
3.根據權利要求2所述的集成化磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承數字控制系統,其特征在
于:所述分散PID+扭轉控制算法(16)實現為:對位移傳感器(11)得到的軸向4路位移
信號ZA、ZB、ZC、ZD,經過分散PID控制算法的運算后得到控制量輸出4路軸向控制信
號,用于實現方位框架轉子軸向的穩定懸浮;ZA和ZB,ZC和ZD分別經過差分運算后得
到兩個扭轉自由度的位移量,將來自POS方位測量(9)所得的方位扭轉信號,進行兩個
扭轉自由度上的分解運算,分別加權到各自相對應的自由度上,根據加權后的結果進行單
獨扭轉控制PID算法,從而實現兩個扭轉自由度的控制。

說明書

一種集成化磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承數字控制系統

技術領域

本發明涉及一種集成化磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承數字控制系統,用于對磁懸浮慣性
穩定平臺方位框架轉子的五自由度懸浮的磁軸承系統進行全主動控制,適用于高集成度、
高可靠性以及低功耗等應用場合。

背景技術

慣性穩定平臺是現代飛機中常用的搭載相機的基礎部件。磁懸浮慣性穩定平臺與傳統
機械慣性穩定平臺對比,具有無接觸、無摩擦、高精度、長壽命等優點,因而在慣性穩定
平臺上具有廣闊的應用前景。磁懸浮慣性穩定平臺主要由橫滾框、俯仰框和由磁軸承支撐
的方位框架組成。作為磁懸浮慣性穩定平臺的關鍵技術,磁軸承不但可以克服方位框架與
外框架之間的摩擦力矩干擾,而且大大提高了方位框架的調制響應速度。同時由于慣性穩
定平臺結構方式決定,磁軸承不但需要提供支撐負載的高承載力,同時還能夠對框架轉子
進行高精度的偏轉調整。

現有的磁軸承控制器主要有兩類:以TI的C2000或者C3000系列DSP為核心的磁軸
承數字控制系統以及TMS320VC33浮點型DSP+FPGA處理核心的磁軸承數字控制系統。
前者比較普遍,它具有集成度高、功耗小等優點,但因其計算能力有限,不能很好的滿足
現有的磁軸承控制系統運算速度的要求。后者使得DSP主要用于運算,FPGA則作為功率
模塊的控制器,充分發揮每個模塊的優點,數據處理能力得到顯著提高。然而此類控制器
的控制算法主要由DSP內部軟件實現,控制算法生成的控制量還要再送回FPGA進行
PWM調制,所有DSP模塊與FPGA模塊之間必須由頻繁的數據通訊,這對于整個系統存
在可靠性差的問題,并且由于采用了DSP芯片和FPGA芯片同時工作,因此與其他數字控
制器相比其集成度也較差,功耗也比偏高。

發明內容

本發明需要解決的技術問題是:克服現有的常用的兩類數字控制系統對于磁懸浮慣性
穩定平臺要求的集成度差、可靠性低和功耗偏高等缺點,提供一種高集成度、高可靠性和
低功耗的一種新型集成化磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承數字控制系統。

本發明的技術解決方案是:一種集成化磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承數字控制系統,其
特征在于,包括:

DSP模塊:與接口電路、通訊芯片和電平轉換芯片相接,對由接口電路輸入的電流信
號和位移信號進行采樣保持和模擬量到數字量的AD轉換,對由通訊芯片傳輸來自POS方
位測量方位信號進行角度換算,通過對數字化后的電流信號、位移信號和方位信號進行運
算處理,得到磁軸承線圈所需的PWM輸出量。

電平轉換芯片:與DSP模塊和功放相接,將DSP模塊輸出的0~3.3V的PWM輸出量
轉換為的0~5V的電平值,送至功放,驅動磁軸承線圈。

接口電路:與電流傳感器、位移傳感器和DSP模塊相接,包括電流傳感器接口電路和
位移傳感器接口電路,將由電流傳感器輸入的電流信號和由位移傳感器輸入的位移信號轉
換成DSP模塊所需的0~3V的模擬信號。

通訊芯片:與和POS方位測量相接,將POS系統所測量的方位信號實時傳輸到DSP
模塊。

DSP模塊包括硬件電路部分和在DSP芯片內的基于硬件編程實現的控制算法部分;硬
件電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
款浮點型數字信號處理器TMS320F28335芯片;基于硬件編程實現的控制算法部分,包括
AD采樣轉換控制算法、分散PID+扭轉控制算法和PWM調制算法,DSP芯片通過AD采
樣轉換控制算法對接口電路輸入的電流信號和位移信號進行采樣保持和模擬量到數字量的
AD轉換;分散PID+扭轉控制算法對位移偏移量和扭轉偏移量進行計算,得到PWM調制
算法所需的控制量;由PWM調制算法對分散PID+扭轉控制算法生成的控制量和AD采樣
轉換控制算法得到的電流偏移量進行PWM信號調制,并將調制生成結果進行限幅保護后
輸出到電平轉換芯片,經由功放輸出到磁軸承線圈,完成磁懸浮慣性穩定平臺方位轉子五
自由度懸浮的全主動控制。

分散PID+扭轉控制算法實現為:對位移傳感器得到的軸向4路位移信號ZA、ZB、
ZC、ZD,經過分散PID控制算法的運算后得到控制量輸出4路軸向控制信號,用于實現方
位框架轉子軸向的穩定懸浮;ZA和ZB,ZC和ZD分別經過差分運算后得到兩個扭轉自由
度的位移量,將來自POS方位測量所得的方位扭轉信號,進行兩個扭轉自由度上的分解運
算,分別加權到各自相對應的自由度上,根據加權后的結果進行單獨扭轉控制PID算法,
從而實現兩個扭轉自由度的控制。

本發明的原理是:DSP芯片采用基于硬件編程實現的AD采樣轉換控制算法對接口電
路輸入的電流信號和位移信號進行采樣保持和模擬量到數字量的AD轉換,轉換結果存入
到DSP芯片中的RAM中。同時DSP讀取POS方位測量信號通過通訊芯片傳輸得到的扭轉
偏移量,將扭轉偏移角度通過正交投影變換為扭轉自由度的位移偏移量,在DSP芯片基于
硬件實現的分散PID+扭轉控制算法對位移偏移量和扭轉偏移量進行計算,執行相應的控制
算法,得到PWM調制算法所需的控制量;根據算法生成的控制量,結合RAM中的電流偏
移量進行PWM信號調制,并將調制生成結果進行限幅保護后輸出到電平轉換芯片,經由
功放輸出到磁軸承線圈,完成磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承系統的主動控制。

本發明與現有技術相比的優點在于:

(1)相比于現有的TI的C2000或者C3000系列DSP為核心的磁軸承數字控制系統,
本發明針對磁懸浮慣性穩定平臺所用的磁軸承系統進行開發,由于整個系統結構方式的改
變以及DSP數據處理能力和通信速度的顯著提高,所有更適合于高承載力、參數敏感的對
磁懸浮慣性穩定平臺所用的磁軸承系統的高精度控制。

(2)較傳統的DSP+FPGA處理核心的磁軸承數字控制系統,本發明采用單片高性能
DSP芯片構建磁懸浮慣性穩定平臺控制算法的執行核心,基于硬件編程不但實現了分散
PID+扭轉控制算法,而且對于片內自帶的AD采樣模塊采用AD采樣轉換控制算法完成模
擬量到數字量的轉換,以及對片內PWM生成模塊實現的PWM調制算法,大大降低了周圍
相關器件的數量,減少了器件間軟硬件通訊的環節。實現了控制系統的高集成化,明顯的
提高了系統的可靠性,同時降低了控制器的功耗。

附圖說明

圖1為本發明的結構組成框圖;

圖2為本發明的控制原理框圖;

圖3為本發明的DSP芯片內基于硬件編程實現的控制算法框圖;

圖4為本發明的電流傳感器接口電路的電路原理圖;

圖5為本發明的位移傳感器接口電路的電路原理圖;

圖6為本發明的POS方位測量與DSP模塊之間通訊芯片的電路圖;

圖7為本發明的DSP模塊與功放模塊之間電平轉換芯片的電路圖;

圖8為本發明的DSP芯片與其他器件信號連接的電路圖;

圖9為本發明采用的AD轉換控制算法流程圖;

圖10為本發明采用的分散PID+扭轉控制算法流程圖;

圖11為本發明采用PWM調制算法的原理框圖。

具體實施方式

如圖1所示,本發明的集成化磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承數字控制系統主要由DSP模
塊4、接口電路12、通訊芯片8和電平轉換芯片5組成,其中DSP模塊4包括配置芯片
1、晶振2和DSP芯片3,接口電路12包括電流傳感器接口電路13和位移傳感器接口電路
14。電流傳感器接口電路13將由電流傳感器10輸入的電流信號轉換成DSP模塊4所需的
0~3V的模擬信號;位移傳感器接口電路14將由位移傳感器11輸入的位移信號轉換成
DSP模塊4所需的0~3V的模擬信號;通訊芯片8將POS系統所測量的方位信號實時傳輸
到DSP模塊4;DSP模塊4對由接口電路12輸入的電流信號和位移信號進行采樣保持和模
擬量到數字量的AD轉換,對由通訊芯片8傳輸來自POS方位測量9方位信號進行角度換
算,通過對數字化后的電流信號、位移信號和方位信號進行運算處理,得到磁軸承線圈7
所需的PWM輸出量;電平轉換芯片5將DSP模塊4輸出的0~3.3V的PWM輸出量轉換
為的0~5V的電平值,送至功放6,驅動磁軸承線圈7,完成磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承系
統的主動控制。

如圖2所示,給出了本發明的控制原理,DSP模塊4對來自的電流傳感器10的電流信
號和來自位移傳感器11的位移信號進行AD采樣變換后,結合POS方位測量9發送的方位
信號進行PWM調制。PWM信號通過電平轉換芯片5進行電平轉換后,經由功放6輸出到
磁軸承線圈7轉換成相應的控制電流,完成磁懸浮慣性穩定平臺方位轉子的五自由度懸
浮。

如圖3所示,DSP芯片3內基于硬件編程實現的控制算法包括AD采樣轉換控制算法
17、分散PID+扭轉控制算法16和PWM調制算法18。DSP芯片3通過AD采樣轉換控制
算法17對接口電路12輸入的電流信號和位移信號進行采樣保持和模擬量到數字量的AD
轉換;分散PID+扭轉控制算法16對位移偏移量和由通訊芯片8傳輸POS方位測量9得到
的扭轉偏移量進行計算,得到PWM調制算法18所需的控制量;由PWM調制算法18對分
散PID+扭轉控制算法16生成的控制量和AD采樣轉換控制算法17得到的電流偏移量進行
PWM信號調制,并將調制生成結果進行限幅保護后輸出到電平轉換芯片5,經由功放6輸
出到磁軸承線圈7,完成磁懸浮慣性穩定平臺方位轉子五自由度懸浮的全主動控制。

如圖4所示,電流傳感器10得到的方位磁軸承線圈電流信號,通過電壓跟隨和比例變
換、電平平移后,變換為DSP芯片3內置AD轉換芯片所需的0~3V電壓信號,然后經過
抗混疊二階低通濾波去除高頻噪聲后送至DSP芯片3。

如圖5所示,位移傳感器11得到的方位框架轉子的位移信號,通過電壓跟隨、比例變
換、偏置調節和電平平移后,變換為DSP芯片3內置AD轉換芯片所需的0~3V電壓信
號,然后經過抗混疊二階低通濾波去除高頻噪聲后送至DSP芯片3。

如圖6所示,本發明的POS方位測量與DSP模塊之間通訊芯片采用MAX3232芯片。
為保證POS方位測量9所得到的方位信號與DSP芯片3之間的傳輸,采用通過的RW-232
協議,該芯片具有2路接受器和2路驅動器,提高了系統的可靠性,并提供關斷模式,有
效的降低了功耗。

如圖7所示,本發明的DSP模塊與功放模塊之間電平轉換芯片采用74ALV164245。由
于本發明采用的DSP芯片3為TI公司的TMS320F28335,PWM輸出電壓為0~3.3V,通
過電平轉換芯片5轉換為功放6所需0~5V電壓。

如圖8所示,本發明所采用的DSP芯片為TI公司新推出的一款浮點型數字信號處理器
TMS320F28335芯片。該芯片采用30M的晶振2作為時鐘,主頻可達150MHz,保證了控
制算法的高速執行;內核電壓為1.9V,I/O引腳電壓為3.3V,降低了控制系統功耗;自帶12
位A/D轉換器,具有16個轉化通道:80ns的快速轉換時間,16通道的多路輸入選擇器和2
個采樣保持器,可同時支持18路PWM輸出,減少了周邊器件的數量,提高了系統的可靠
性。

如圖9所示,為本發明采用的AD轉換控制算法流程圖。由于DSP芯片3自帶AD轉
換模塊,上電后首先初始化ADC寄存器,時鐘產生ADC觸發信號,等待模擬信號輸入,
轉換開始后,每次轉換SEQ_CNTR位(AD轉換完成標志位)自動減1;當前轉換完成
后,數字結果存儲到ADCRESULT(AD轉換結果)寄存器中,通過辨識SEQ_CNTR位是
否為0,判斷是否所有轉換完成。

如圖10所示,為本發明采用的分散PID+扭轉控制算法流程圖。由位移傳感器11得到
的ZA、ZB、ZC、ZD(軸向4路位移信號)(分別代表什么,給出說明)。其中ZA、ZB、
ZC、ZD四路位移信號分別經過電壓跟隨和比例變換、電平平移后,變換為DSP芯片3內
置AD轉換芯片所需的0~3V電壓信號,然后經過抗混疊二階低通濾波去除高頻噪聲后送
至DSP芯片3通過分散PID控制輸出4路軸向控制信號,用于實現方位框架轉子軸向的穩
定懸浮。ZA和ZB,ZC和ZD(軸向4路位移信號)分別經過電路差分后得到兩個扭轉自
由度的位移,同時將來自POS方位測量9所獲得的方位扭轉信號,進行兩個扭轉自由度上
的分解,分別加權到相對應的自由度上,根據加權后的結果進行單獨扭轉控制PID算法,
獲得相對應自由度方向上的PWM控制量,輸出到對應的驅動電路,從而實現兩個扭轉自
由度的控制。

如圖11所示,為本發明采用PWM調制算法的原理框圖。由分散PID算法和扭轉控制
算法加權后所產生的控制量,與電流信號再次加權運算,得到需要進行PWM調制的調制
量,然后將調制量與載波信號計數器的當前值通過比較器進行比較,再通過限幅保護輸出
即為調制出的PWM信號。

本發明雖為磁懸浮慣性穩定平臺磁軸承數字控制系統,但也可以作為一種通用的磁軸
承控制慣性穩定平臺作為其他磁軸承控制器,應用者可以根據其應用領域不同通過修改
DSP內核程序來靈活設計完成所需功能。

關 鍵 詞:
一種 集成化 磁懸浮 慣性 穩定 平臺 磁軸 數字 控制系統
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