一种磁悬浮电主轴的实时控制系统及磁悬浮电主轴系统

摘要

本发明公开了一种磁悬浮电主轴的实时控制系统及磁悬浮电主轴系统，包括：上位调试机和控制电路；控制电路包括控制器、电流驱动模块、电流传感器以及采样模块；电流传感器的输入端用于采集磁悬浮电主轴的线圈电流；采样模块的第一输入端连接至电流传感器的输出端，第二输入端用于采集磁悬浮电主轴的位置信号；控制器的输入端连接至采样模块的输出端，参数输入端连接至上位调试机的参数输出端，状态输出端连接至上位调试机的状态输入端；电流驱动模块的输入端连接至控制器的输出端，输出端用于驱动磁悬浮电主轴的线圈。本发明能够提高控制的实时性和可靠性，并实现控制系统内部参数的在线测试与调节，同时保证成本不会过高。

权利要求

1.一种磁悬浮电主轴的实时控制系统，用于实现对磁悬浮电主轴状态的实时监测与控制，其特征在于，包括：上位调试机(1)和控制电路(2)；

所述控制电路(2)包括控制器(6)、电流驱动模块(7)、电流传感器(8)以及采样模块(10)；

所述电流传感器(8)的输入端与磁悬浮电主轴的线圈相连，所述电流传感器(8)用于采集磁悬浮电主轴中线圈的电流信号；

所述采样模块(10)的第一输入端连接至所述电流传感器(8)的输出端，所述采样模块(10)的第二输入端与磁悬浮电主轴的位移传感器相连，所述采样模块(10)用于对磁悬浮电主轴的电流信号及位置信号进行采样并转换为数字信号；

所述控制器(6)的输入端连接至所述采样模块(10)的输出端，用于根据采样得到的位置信号和给定的位置信号得到电流控制信号，并根据采样得到的电流信号和所述电流控制信号得到电流驱动模块的PWM信号；

所述电流驱动模块(7)的输入端连接至所述控制器的输出端，所述电流驱动模块(7)的输出端用于驱动磁悬浮电主轴的线圈，所述电流驱动模块(7)用于根据所述PWM信号产生控制电流，并将所述控制电流输入磁悬浮电主轴的线圈，以使得线圈产生可控的电流及磁力，从而调整磁主轴转子在气隙中的位置；

所述控制器(6)的参数输入端连接至所述上位调试机(1)的参数输出端，所述控制器(6)的状态输出端连接至所述上位调试机(1)的状态输入端，所述控制器(6)还用于接收所述上位调试机(1)下发的控制参数以实现所述控制系统内部参数的在线测试与调节，以及将所采集到的磁悬浮电主轴的状态信息上传至所述上位调试机(1)，以由所述上位调试机(1)对磁悬浮电主轴的状态信息进行可视化显示。

2.如权利要求1所述的磁悬浮电主轴的实时控制系统，其特征在于，所述控制器(6)包括十路电流控制环路和五路位移控制环路；每一路位移控制环路与两路电流控制环路相对应，用于实现对磁悬浮电主轴一个方向的控制，其中，所述一路位移控制环路用于对该方向进行选通控制，所述两路电流控制环路根据该方向的电流控制信号差分得到对应的PWM信号。

3.如权利要求1所述的磁悬浮电主轴的实时控制系统，其特征在于，所述上位调试机(1)与所述控制器(6)之间的控制参数和状态信息均通过数据帧的形式传输。

4.如权利要求1所述的磁悬浮电主轴的实时控制系统，其特征在于，所述控制电路(2)基于FPGA实现。

5.如权利要求4所述的磁悬浮电主轴的实时控制系统，其特征在于，由所述上位调试机(1)下发的控制参数为算法控制参数，用于调节所述控制器(6)得到电流控制信号或PWM信号的算法；

或者，由所述上位调试机(1)下发的控制参数为测试控制信号，用于进行电流开环测试，以验证对所述控制系统对磁悬浮电主轴任意一个方向的监控功能。

6.一种磁悬浮电主轴系统，其特征在于，包括：控制系统及磁悬浮电主轴(3)；

所述控制系统为权利要求1-5任一项所述的磁悬浮电主轴的实时控制系统，用于实现对所述磁悬浮电主轴(3)的实时监测与控制；

其中，所述控制系统的电流驱动模块的输出端与所述磁悬浮电主轴(3)的线圈(11)相连，所述控制系统的采样模块的第二输入端与所述磁悬浮电主轴(3)的位移传感器(9)相连。

说明书

一种磁悬浮电主轴的实时控制系统及磁悬浮电主轴系统

技术领域

[0001] 本发明属于磁悬浮轴承控制技术及机床加工主轴领域，更具体地，涉及一种磁悬浮电主轴的实时控制系统及磁悬浮电主轴系统。

背景技术

[0002] 磁悬浮轴承是利用可控电磁力作用将转子或轴稳定悬浮于空间的一种新型高性能轴承，与传统轴承相比，磁悬浮轴承相对运动表面之间没有接触，转子能够运行到很高的转速，同时具有无摩擦、无需润滑、功耗低、清洁无污染等优点，因此广泛的应用于机械工业领域，如各类机床、涡轮分子泵、高速离心机、涡轮发电机等各种高速旋转机械。

[0003] 磁悬浮电主轴是一个应用了磁悬浮轴承的复杂的机电一体化系统，磁悬浮电主轴的结构主要分为机械结构和电路结构两大部分，在使用磁悬浮电主轴时，为保证稳定运行，需要根据轴承的悬浮状态不断地调节磁场力的大小，因此需要实时对系统状态进行监控和调节控制参数。磁悬浮电主轴对控制系统的实时性和可靠性要求较高。由于磁悬浮电主轴结构的复杂性，现有技术中对磁悬浮电主轴状态的实时监控、参数的调节效率比较低，而且控制效果不佳。当前的市面上实时仿真控制系统能提高效率，但这些设备的价格昂贵，使用这些设备作为磁悬浮电主轴的控制系统成本较高。此外，现有的磁悬浮电主轴的控制系统中，都无法实现控制系统内部参数的在线测试与调节。

发明内容

[0004] 针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种磁悬浮电主轴的实时控制系统及磁悬浮电主轴系统，其目的在于，提高对磁悬浮电主轴状态监测与控制的实时性和可靠性，并实现控制系统内部参数的在线测试与调节，同时保证成本不会过高。

[0005] 为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种磁悬浮电主轴的实时控制系统，用于实现对磁悬浮电主轴状态的实时监测与控制，包括：上位调试机和控制电路；

[0006] 控制电路包括控制器、电流驱动模块、电流传感器以及采样模块；

[0007] 电流传感器的输入端与磁悬浮电主轴的线圈相连，电流传感器用于采集磁悬浮电主轴中线圈的电流信号；

[0008] 采样模块的第一输入端连接至电流传感器的输出端，采样模块的第二输入端与磁悬浮电主轴的位移传感器相连，采样模块用于对磁悬浮电主轴的电流信号及位置信号进行采样并转换为数字信号；

[0009] 控制器的输入端连接至采样模块的输出端，用于根据采样得到的位置信号和给定的位置信号得到电流控制信号，并根据采样得到的电流信号和电流控制信号得到电流驱动模块的PWM信号；

[0010] 电流驱动模块的输入端连接至控制器的输出端，电流驱动模块的输出端用于驱动磁悬浮电主轴的线圈，电流驱动模块用于根据PWM信号产生控制电流，并将控制电流输入磁悬浮电主轴的线圈，以使得线圈产生可控的电流及磁力，从而调整主轴转子在气隙中的位置；

[0011] 控制器的参数输入端连接至上位调试机的参数输出端，控制器的状态输出端连接至上位调试机的状态输入端，控制器还用于接收上位调试机下发的控制参数以实现控制系统内部参数的在线测试与调节，以及将所采集到的磁悬浮电主轴的状态信息上传至上位调试机，以由上位调试机对磁悬浮电主轴的状态信息进行可视化显示。

[0012] 进一步地，控制器包括十路电流控制环路和五路位移控制环路；每一路位移控制环路与两路电流控制环路相对应，用于实现对磁悬浮电主轴一个方向的控制，其中，一路位移控制环路用于对该方向进行选通控制，两路电流控制环路用于根据该方向的电流控制信号差分得到对应的PWM信号。

[0013] 进一步地，上位调试机与控制器之间的控制参数和状态信息均通过数据帧的形式传输，且两种数据帧具有相同的帧格式。

[0014] 进一步地，控制电路基于FPGA实现，设计逻辑简单，同时可以保证较快的运算速度和精准的运行时序。

[0015] 更进一步地，由上位调试机下发的控制参数为算法控制参数，用于调节控制器得到电流控制信号或PWM信号的算法；

[0016] 或者，由上位调试机下发的控制参数为测试控制信号，用于进行电流开环测试，以验证对控制系统对磁悬浮电主轴任意一个方向的监控功能；

[0017] 一方面，在基于FPGA实现相关算法时，往往先根据被控制磁悬浮电主轴的结构参数及物理特性进行理论分析，以完成相关算法参数的设定，然后将设定好的算法程序烧写进控制器中；磁悬浮电主轴是复杂的机电一体化系统，必不可少的存在各种环境噪声，以及装配误差等系统误差，而且理论分析时通常会涉及建模的过程，而在建模时会忽略很多非线性问题，所以根据理论分析设定算法参数，所得到的算法的控制结果往往存在较大的误差，因此需要通过实际的测试调整相关的算法参数，以保证控制系统的控制效果满足精度要求；按照传统的实现方法，每调整一次算法参数，都需要重新烧写算法程序，这一过程需要多次编程重新生成芯片执行文件，十分耗时，同时频繁的烧写会对FPGA芯片产生较大的损耗，而在本发明所提供的控制系统中，只需一次将设计的算法烧录进芯片中，直接通过上位调试机将相关的算法参数下发至控制器，可以在系统运行过程中进行不同参数效果的比较，进而可实现算法的实时调节，相比之下，本发明所提供的参数在线调节方法既能够缩短研发周期，又能够延长FPGA芯片的使用寿命；

[0018] 另一方面，由于磁悬浮电主轴的控制涉及到五个自由度的控制，通过电流开环测试分别验证磁悬浮电主轴每一个方向的监控功能，能够缩小电流驱动模块的调节粒度，提高控制系统的控制精度和调节效率。

[0019] 按照本发明的第二方面，还提供了一种磁悬浮电主轴系统，包括：控制系统及磁悬浮电主轴；

[0020] 控制系统为本发明第一方面所提供的磁悬浮电主轴的实时控制系统，用于实现对磁悬浮电主轴的实时监测与控制；

[0021] 其中，控制系统的电流驱动模块的输出端与磁悬浮电主轴的线圈相连，控制系统的采样模块的第二输入端与磁悬浮电主轴的位移传感器相连。

[0022] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

[0023] (1)本发明所提供的磁悬浮电主轴的实时控制系统，包括上位调试机和控制电路，能够实现对磁悬浮电主轴的实时监测与控制，同时，通过其中的控制器还接收上位调试机下发的控制参数实现控制系统内部参数的在线测试与调节，既能够缩短研发周期，又能够延长FPGA芯片的使用寿命，还能够提高控制系统的控制精度和调节效率。

[0024] (2)本发明所提供的磁悬浮电主轴的实时控制系统，其控制电路基于FPGA实现，由于FPGA具有较快的运算速度和精准的运行时序，能够保证控制的实时性；由于控制器内部的算法可依据实际需要实时调整，既能够保证控制系统具有较高的控制精度，又能够保证控制系统可适应被控对象及外部环境的变化，因此，本发明所提供的磁悬浮电主轴的控制系统，能够提高对磁悬浮电主轴状态监测与控制的可靠性。

[0025] (3)本发明所提供的磁悬浮电主轴的控制系统，仅包含基本、简单的控制电路，因此其实现成本较低。

附图说明

[0026] 图1为本发明实施例提供的磁悬浮电主轴的控制系统的示意图；

[0027] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

[0028] 1为上位调试机，2为控制电路，3为磁悬浮电主轴，5为串口，6为控制器，7为电流驱动模块，8为电流传感器，9为位移传感器，10为采样模块，11为线圈，12为主轴转子。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0030] 在对本发明的技术方案进行详细介绍之前，先对磁悬浮电主轴的基本结构进行简单介绍。磁悬浮电主轴包括五个自由度的磁悬浮轴承，这五个自由度具体为：前端x、y轴，后端x、y轴，以及z轴；如图1所示，每个自由度均包含位移传感器9、线圈11以及主轴转子12，其中，位移传感器9用于测量主轴转子12在气隙中的位置，线圈11中通有电流，用于产生相应的磁力，以支撑主轴转子12到气隙中的某一位置。

[0031] 本发明所提供的磁悬浮电主轴的控制系统，用于实现对上述磁悬浮电主轴状态的实时监测与控制，如图1所示，包括：上位调试机1和控制电路2；

[0032] 控制电路包括控制器6、电流驱动模块7、电流传感器8以及采样模块10；

[0033] 电流传感器8的输入端与磁悬浮电主轴3的线圈相连，电流传感器8用于采集磁悬浮电主轴3中线圈的电流信号；

[0034] 采样模块10的第一输入端连接至电流传感器的输出端，采样模块10的第二输入端与磁悬浮电主轴3的位移传感器9相连，采样模块10用于对磁悬浮电主轴3的电流信号及位置信号进行采样并转换为数字信号；在本发明实施例中，采样模块10具体为ADC(Analog-to-Digital Converter，指模/数转换器)；

[0035] 控制器6的输入端连接至采样模块10的输出端，用于根据采样得到的位置信号和给定的位置信号得到电流控制信号，并根据采样得到的电流信号和电流控制信号得到电流驱动模块7的PWM信号；在本发明实施例中，控制器6具体包括十路电流控制环路和五路位移控制环路；每一路位移控制环路与两路电流控制环路相对应，用于实现对磁悬浮电主轴一个方向的控制，其中一路位移控制环路用于对该方向进行选通控制，两路电流控制环用于根据该方向的电流控制信号差分得到对应的PWM信号，从而完成对磁悬浮电主轴3全部五个自由度的控制；

[0036] 电流驱动模块7的输入端连接至控制器6的输出端，电流驱动模块7的输出端用于驱动磁悬浮电主轴3的线圈11，电流驱动模块7用于根据PWM信号产生控制电流，并将控制电流输入磁悬浮电主轴3的线圈11，以使得线圈11产生可控的电流及磁力，从而调整主轴转子12在气隙中的位置；在本发明实施例中，电流驱动模块7具体包括光电耦合器和半桥功率放大电路，其中光电耦合器用于将控制器6输出的PWM信号转换为能够驱动半桥功率放大电路的信号，半桥功率放大电路用于在光电耦合器输出的信号的控制下产生最终的控制电流；

[0037] 控制器6的参数输入端连接至上位调试机1的参数输出端，控制器6的状态输出端连接至上位调试机1的状态输入端，控制器6还用于接收上位调试机1下发的控制参数以实现控制系统内部参数的在线测试与调节，以及将所采集到的磁悬浮电主轴的状态信息上传至上位调试机，以由上位调试机对磁悬浮电主轴的状态信息进行可视化显示；为实现磁悬浮电主轴的状态信息的可视化显示，上位调试机1中基于Labview实现了具体的显示界面，Labview为一个使用图形化编程的通用的程序开发环境，其工具包全面，且易于实现，常用于开发测量或控制系统；

[0038] 在本实施例中，控制器6与上位调试机1之间通过RS-232串口5完成通信，且所采用的波特率为115200；应当理解的是，其他通信协议或通信方式也可用于实现控制器6和上位调试机1之间的通信；上位调试机1与控制器6之间的控制参数和状态信息均通过数据帧的形式传输，控制器6上传的数据帧由五个自由度位移数据，五路电流控制信号及相应的标志位和校验位组成；上位调试机1发送的参数帧，包含对应五路位移环的选路开关位，对应环路的通断开关位，系统参数的初始化位，控制算法的关键参数及标志位与校验位；在其他实施方式中，数据帧也可采用其他的帧格式。

[0039] 在一个可选的实施方式中，控制器6根据采样得到的位置信号和给定的位置信号得到电流控制信号，所采用的算法为PID算法，具体的计算公式为：

[0040]

[0041] 并且，控制器6根据采样得到的电流信号和电流控制信号得到PWM信号，所采用的算法为PI控制算法；

[0042] 其中，u(t)为电流控制信号，e(t)为采样得到的位置信号与给定的位置信号之间的误差，Kp，Ki，Kd分别为PID算法中的比例系数，积分系数和微分系数；

[0043] 应当理解的，其他能够实现相关计算的算法，如神经网络等，均可用于控制器6中以完成具体的计算。

[0044] 在一个可选的实施方式中，控制电路2基于FPGA实现；由上位调试机1下发的控制参数为算法控制参数，用于调节所述控制器6得到电流控制信号或PWM信号的算法，即PID算法或PI控制算法中的比例系数、积分系数、微分系数等参数；在调节控制器6的算法参数后，会监测电对应算法参数下磁悬浮电主轴的状态信息，并进一步分析控制系统当前的控制效果；重复执行调节参数、监控响应状态的过程，直至控制效果满足控制要求；

[0045] 或者，由所述上位调试机1下发的控制参数为测试控制信号，用于进行电流开环测试，以验证对所述控制系统对磁悬浮电主轴任意一个方向的监控功能；

[0046] 一方面，在基于FPGA实现相关算法时，往往先根据被控制磁悬浮电主轴的结构参数及物理特性进行理论分析，以完成相关算法参数的设定，然后将设定好的算法程序烧写进控制器中；磁悬浮电主轴是复杂的机电一体化系统，必不可少的存在各种环境噪声，以及装配误差等系统误差，同时理论分析时通常会涉及建模的过程，而在建模时会忽略很多非线性问题，因此根据理论分析设定算法参数，所得到的算法的控制结果往往存在较大的误差，因此需要通过实际的测试调整相关的算法参数，以保证控制系统的控制效果满足精度要求；按照传统的实现方法，每调整一次算法参数，都需要重新烧写算法程序，这一过程需要多次编程重新生成芯片执行文件，十分耗时，同时频繁的烧写会对FPGA芯片产生较大的损耗，而在本发明所提供的控制系统中，只需一次将设计的算法烧录进芯片中，直接通过上位调试机将相关的算法参数下发至控制器，可以在系统运行过程中进行不同参数效果的比较，进而可实现算法的实时调节，既能够缩短研发周期，又能够延长FPGA芯片的使用寿命；

[0047] 另一方面，由于磁悬浮电主轴的控制涉及到五个自由度的控制，通过电流开环测试分别验证磁悬浮电主轴每一个方向的监控功能，能够缩小电流驱动模块的调节粒度，提高控制系统的控制精度和调节效率。

[0048] 本发明还提供了一种磁悬浮电主轴系统，如图1所示，包括：控制系统及磁悬浮电主轴3；

[0049] 控制系统为本发明所提供的磁悬浮电主轴的实时控制系统，用于实现对磁悬浮电主轴3的实时监测与控制；

[0050] 其中，控制系统的电流驱动模块7的输出端与磁悬浮电主轴3的线圈11相连，控制系统的采样模块10的第二输入端与磁悬浮电主轴3的位移传感器9相连。

[0051] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。