基于DSP的智能高速磁悬浮控制及模拟功放装置 技术领域
本发明属于一种高速磁悬浮控制装置，具体地讲是一种基于DSP的智能高速磁悬浮控制及模拟功放装置。
背景技术
目前基于高速磁悬浮控制装置基本采用的是“电压采集卡+工控机”的方案，即用现成的电压采集板卡插入工控机中。这种方式具有稳定性好，通用性强等优点。但是由于在高速采集中随着采集和处理流量的加大，这种方案由于采用的是16位ISA总线，所以无法满足要求。随着控制技术及控制精度的不断提高和完善，需要对磁悬浮系统进行动态实时控制和监测，而目前的方案无法满足高速极高精度复杂控制，另外电压采集卡和工控机的总体成本过高，体积较大，而整体资源利用率相对较低，所以不易实现产业化发展。
目前磁轴承开关功放主要有以下四种形式：脉宽调制(PWM)型、采样保持(Sample/Hold)型、滞环(Hysteresis)型、最小脉宽(Minimum PulseWidth)型。各种工作形式的功放性能各有优缺点，脉宽产生、电流检测形式和控制方式也不一定相同。对于磁悬浮控制系统的系统稳定性好和响应快等特性的具体要求，一般采用的是脉宽调制(PWM)型功率放大器并取得了较好的控制效果。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于DSP的智能高速磁悬浮控制及模拟功放装置，采用的是“DSP+CPLD+D/A”的方案，DSP进行高速信号采集、分析和控制，CPLD和D/A将分析数据通过逻辑适配、驱动和进行模拟信号转换，最后交给功率放大装置进行执行控制任务，以克服上述的不足。
为了实现上述目的，本发明的特点是：由DSP(数字信号处理器)及外围电路构成，DSP通过输入数据线接收电涡流位置传感器的信号，DSP输出信号通过D/A(模/数)转换电路与恒流型开关功率放大装置相连接，恒流型开关功率放大装置输出的控制信号与磁悬浮机械执行机构相连接；
上述DSP与D/A转换电路之间还连接有一个CPLD(可编程逻辑器件)，CPLD的输入端与DSP输出信号相连，CPLD地输出端与D/A的数据输入端相接；
上述DSP与CPLD之间采用CAN(控制局域网)总线进行通讯；
上述恒流型开关功率放大装置采用PWM(脉宽调制)型功率放大器，其输入端还与磁悬浮的磁力线圈上的电流传感器输出信号相连接。
本发明由于采用的是“DSP+CPLD+D/A”的方案，使得本发明具有：
脉宽调制PWM(Pulse Width Modulate)：PWM产生的方式很多，可以通过模拟器件进行硬件实现也可以通过单片机的专用PWM接口软件方式产生。由于磁悬浮电源功放数目较多，通过模拟硬件实现的工作稳定好但故障率较高而且在硬件调试较为困难；通过单片机软件实现PWM的工作精度高稳定性好但硬件、软件设计复杂，系统整体利用率不高。所以在设计中，本发明采用了美国硅通用(Silicon General)公司生产的SG3524/2524 PWM调制器模块。它属于由双极型工艺制成的模拟与数字混合式集成电路，内部包含了双端输出开关电源所必须的各种基本电路，适宜构成100-500W中功率推挽输出式开关电源，并且用高频变压器或光电隔离器实现电网隔离，能省掉笨重的工频变压器。
CAN控制局域网络(Control Area Network)：CAN原先是由德国Bosch公司为汽车的监控和控制方面而设计的，现已逐步发展到用于其它工业部门，且其总线规范被ISO制定为国际标准。在现场总线中，目前是唯一被批准为国际标准的现场总线。
DSP数字信号专用处理器(Digital Signal Processor)：磁悬浮控制系统具有反应快、控制精度高、稳定性好等特点。而磁悬浮控制系统可以简单的说是一个双环控制系统，控制外环是由DSP微处理器对悬浮空间状态位置的实时控制。本发明采用的是美国TI公司的TMS320F2XX系列专用处理器完成各种控制算法。
附图说明
图1为本发明实施例的结构原理框图。
图2为本发明实施例恒流型开关功率放大装置原理框图。
图3为整个磁悬浮装置的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明的硬件模块(图1)主要由：9路高速位置电压转换模块，DSP信号采样及处理模块，系统保护及稳压模块，CAN总线通讯模块，上位机通讯模块等几部分组成。本发明采用的DSP处理芯片为美国Ti公司的TMS320F2812或TMS320C2407专用信号处理模块。首先，9路电涡流位置传感器通过9路高速位置电压转换模块将磁悬浮位置大小传送DSP系统。(将传感器5v信号转换为3.3vDSP可采电压，并对电压信号进行模拟滤波)。然后DSP信号采集及处理模块将采集到的电压信号进行采样、加权量化、平滑去噪等，按照给定位置电压进以相应的控制算法处理，最后将10路电源功放的控制参数通过总线方式传递给CPLD(ALTERA7128)，CPLD将DSP控制参数经过逻辑转换、选通和驱动后交给10路12位D/A(AD7545)转换模块，从而输出10路模拟功放控制电压。控制系统保护及稳压模块提供系统各功能模块的稳定电压和抗干扰，以及在系统处于过压过流或传感器超量程等异常工作状态下，对控制系统提供稳压限流光电隔离保护和报警信号。Can总线将10路数据参数通过总线方式交给上位机(工控机)，进行动态实时监控和显示，或将数据参数传给监控DSP进行监控和显示处理。
磁悬浮控制系统可以简单的说是一个双环控制系统，控制外环是由DSP微处理器对悬浮空间状态位置的实时控制。该控制方案根据传感器的位置采样电压通过相应的优化控制算法，最后经过数模转换后给出电源功放的实时参考电压。而控制内环则是电源功放根据给定的控制电压信号对磁悬浮线圈进行动态相应。在动态相应的过程中在整个控制系统中功率放大器是非常重要的环节，功率放大器响应的好坏直接影响到控制算法的实现。在功率放大器工作过程中，为了保证控制精度和控制效果，必须通过线圈回路电流/电压采样从而对该开关电源进行恒流/恒压控制。这就是磁悬浮控制系统执行机构的内环控制。功率放大器的设计要求是在工作效率高的前提下尽可能提高系统的执行速度且具有很好的数字跟随。
本发明的功率放大器(图2)本身就构成了一个小的电流闭环系统，以保证DA输出能很精确的控制输出电流。同时考虑到磁力线圈电流(此闭环系统的控制对象)由于电感的感性作用而存在很大的滞后输出，必须想办法加快其响应速度。这样在功率放大器的设计时，本发明采用了脉宽调制的方法。这样做一方面利用开关特性使电流输出响应加快，另一方面提高了功率放大器的工作效率，降低了功耗。
本发明的功率放大器硬件采用美国硅通用(Silicon General)公司生产的SG3524/2524 PWM调制器模块构成PWM开关恒流源。一般的开关电源只需要对单个MOS功率管进行电流开关控制，但是由于磁悬浮线圈是一个强感性负载，在单极性开关过程中能产生较大电流感抗严重影响电流控制效果，所以必须采用开关续流方式提高控制性能。电流功率放大器的强电输出部分可以采用H型双极性全桥式或H型单极性半桥电路，H型全桥式电路具有较好的电流开关和恢复特性但设计较半桥式复杂。全桥式电路由四个MOS管和相应的四个续流二极管组成。其驱动控制部分采用双极性脉宽调制法。双极性脉宽调制电路在输出电压平均值较小时，每一个MOS管的门极控制脉冲较宽，能保证晶体管可靠的导通。而普通的单极性工作制在输出电压平均值较小时，门极控制脉冲较窄，当窄到一定程度时，就不能保证开关管可靠的导通了，从而影响低电流控制时的效果。由于采取了高频脉冲调制，因此输出的电流波形响应速度很快。
目前市场上主要是基于工控机的数字采集卡系统，但是成本较高，性能有限而且普通工控机通过总线方式根本达不到速度要求，国外的该项产品的价格较贵而且与国内产品接口也不十分兼容所以只能采用DSP的嵌入式开发方案。应用嵌入式开发方案，具有源代码小执行效率高等优点。该方案基于现有的Vxworks和CCStudio(Code Composer Studio，谱码工作室)嵌入式集成开发环境，重点实现对于不同型号信号源的兼容化和可视化工作，它包括：全功能调试器(根据传感器不同的工况选择不同的采样频率和上位通讯接口)，采样控制算法函数分析库(根据传感器不同的工况选择不同的函数控制算法，例如PID控制、模糊控制、专家控制等)，采样输出的动态可视化窗口，系统外设和控件驱动接口等等。
由于10路DSP控制参数通过总线方式传送至D/A单元，所以需要对数据进行片选、驱动和逻辑处理，本发明采用基于MAX-PLUS的CPLD逻辑编程技术完成这一项任务。基于MAX+PLUS逻辑编程具有通用性好，编程灵活、可靠性强等优点。
本发明DSP的软件程序主要实现以下功能：数据采样及滤波、数据预测及分析、基于CAN总线数据的收发及处理、基于各种磁悬浮控制算法实现等。数据采样及滤波模块采用定时器方式，在500kHz采样率10路的12位数据点。再将数据进行加权滤波。根据不同的工况要求和性能指标可以采用不同的数据处理算法(插值、预测、拟合)等。最后将控制参数通过总线方式进行输出。如果是多台系统并行工作，它们可以将处理好的数据通过CAN总线方式传送到上位监控机。TMS320F2407支持CAN2.0B标准CAN总线接口及协议，具有很好的通用性。基于RS232/USB的上位机通讯负责将数据交给上位监控计算机。
本发明CPLD的软件程序主要完成以下功能：12位数据的输出驱动、DSP2812外围逻辑及工作状态显示、多路D/A逻辑片选等等。
本发明可用于多路控制系统的动态实时监控。例如：磁悬浮主轴控制系统，磁悬浮电机控制系统等，另外本发明还可以用来对一些特殊的结构进行高分辨动态监测，如磁悬浮磁盘的动态监控等等。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。