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基于快速原型控制的5自由度磁懸浮軸承實驗系統(tǒng)
關(guān)鍵詞：
磁懸浮軸承
電磁軸承
飛輪儲能
高速電機
高速軸承
主動磁軸承
所屬分類：
解決方案
開放式儲能控制系統(tǒng)平臺
機電測控臺架
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產(chǎn)品描述
在現(xiàn)代工業(yè)與科技迅猛發(fā)展的進程中，高速大慣量旋轉(zhuǎn)機械廣泛應用于航空航天、高端裝備制造、能源電力等眾多關(guān)鍵領(lǐng)域。在這些旋轉(zhuǎn)機械里，軸承作為核心部件，其性能優(yōu)劣直接關(guān)乎設備的整體運行質(zhì)量與穩(wěn)定性。傳統(tǒng)機械軸承在高速運轉(zhuǎn)時，因存在機械接觸，不可避免地會產(chǎn)生摩擦與磨損，這不僅降低了系統(tǒng)效率，還增加了能耗，限制了設備的轉(zhuǎn)速與精度提升，嚴重時甚至會引發(fā)故障，導致高昂的維修成本與生產(chǎn)停滯。
隨著科技發(fā)展對設備性能要求的不斷攀升，研發(fā)新型高性能軸承迫在眉睫。磁懸浮軸承應運而生，它利用電磁力將轉(zhuǎn)子無接觸地懸浮起來，徹底消除了機械接觸帶來的摩擦與磨損問題。憑借高精度、高轉(zhuǎn)速、低能耗、長壽命等顯著優(yōu)勢，磁懸浮軸承在諸多前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應用潛力，成為推動現(xiàn)代高端裝備技術(shù)革新的關(guān)鍵因素。 然而，磁懸浮軸承系統(tǒng)是一個高度復雜的機電一體化系統(tǒng)，涉及電磁學、控制理論、機械設計等多學科知識。其性能受電磁參數(shù)、控制算法、機械結(jié)構(gòu)等多種因素的綜合影響，且各因素之間相互耦合，關(guān)系錯綜復雜。為了深入探究磁懸浮軸承的運行機理，優(yōu)化系統(tǒng)性能，確保其在實際應用中的可靠性與穩(wěn)定性，一套先進且完善的磁懸浮軸承試驗系統(tǒng)就顯得尤為重要。對此，南京研旭電氣科技有限公司在多年動模平臺經(jīng)驗的基礎上，結(jié)合電磁軸承磁懸浮飛輪系統(tǒng)合作方，構(gòu)建基于快速原型控制的五自由度磁懸浮軸承試驗系統(tǒng)。通過此平臺，研究人員可以快速掌握電磁軸承五自由度控制特性，驗證相關(guān)控制算法，可以縮短研究和開發(fā)周期、節(jié)省研究經(jīng)費，可以展開全面深入的研究，具有重要的現(xiàn)實意義。
基于快速原型控制的五自由度磁懸浮軸承實驗系統(tǒng)主要由磁軸承測試臺架、功率驅(qū)動器、快速原型控制器、基于模型開發(fā)快速原型監(jiān)控系統(tǒng)、開放式功率硬件開發(fā)系統(tǒng)組成，高精度可編程直流電源組成，其系統(tǒng)拓撲如下圖所示。
圖1 基于快速原型控制的5自由度磁懸浮軸承實驗系統(tǒng)
系統(tǒng)特點
基于快速原型控制的五自由度磁懸浮軸承實驗系統(tǒng)采用5自由度磁懸浮試驗臺，基于SIC的開放式功率硬件與快速原型控制控制器構(gòu)成，使得系統(tǒng)能夠更快更高效的進行算法驗證與迭代。
1、5自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)，磁軸承和驅(qū)動電機在非工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子軸兩端靠重力分別停靠在徑向磁軸承組件 A 和徑向磁軸承組件 B 中的保護軸承上。當系統(tǒng)啟動后，首先會啟動磁軸承工作，磁軸承轉(zhuǎn)子軸會懸浮在磁軸承中心，磁軸承轉(zhuǎn)子軸同磁軸承組件脫離接觸。當系統(tǒng)顯示懸浮正常時，開啟驅(qū)動電機的控制器，轉(zhuǎn)子軸可在驅(qū)動電機的帶動下進行高速旋轉(zhuǎn)。
2、基于SIC的開放式功率硬件，系統(tǒng)采用SIC功率器件，可以有較高的開關(guān)頻率，功率硬件可以輸出較高的交流頻率，可以適應更高轉(zhuǎn)速的控制。
3、采用YXSPACE-SP6000快速原型控制器控制，從SIMULINK模型到控制器執(zhí)行代碼一鍵生成，可以快速驗證與迭代控制算法。
4、提供系統(tǒng)控制的開源例程，用戶在例程基礎上可以更高效的理解系統(tǒng)以及進行算法迭代創(chuàng)新設計。
系統(tǒng)典型配置清單
表1 系統(tǒng)典型配置清單
| 序號 | 產(chǎn)品名稱 | 備注 |
| 1 | 磁軸承測試臺架 | 1、驅(qū)動電機功率：600W 2、最高工作轉(zhuǎn)速：12000rpm 3、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍： 0-12000rpm 4、輸入電壓：380 VAC 5、最大運行電流： 7A 6、磁軸承最大承載力（單個徑向）：250N 7、位移傳感器精度：1um 8、系統(tǒng)包含2個徑向磁軸承、1個軸向磁軸承，及其保護軸承，轉(zhuǎn)軸，亞克力護罩與底座，含電渦流位移傳感器2套等 9、平臺重量：72kg |
| 2 | 功率驅(qū)動器 | 1、驅(qū)動部分采用SIC 2、電機驅(qū)動采用三相兩電平 3、磁軸承采用6路三相橋 4路徑向，2路軸向； 4.在硬件上采用分體化設計，控制板、采集板、功率板、電容板等模塊化，外殼采用透明的亞克力板材，美觀實用，用戶可以方便觀察內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)。同時頂蓋可以打開，方便進行相關(guān)信號的測量。 ★5.開放設計：開放給用戶硬件原理圖、硬件設計說明以及軟件模塊底層驅(qū)動，開放控制板的debug接口，客戶可以燒寫自己的程序。 6.安全穩(wěn)定：設計了健全的保護機制，軟件方面有過壓保護、欠壓保護、過流速斷保護、IGBT過熱保護、通訊保護等；硬件方面有短路保護、IGBT過流保護等。 7.人機交互：具備7寸觸控屏，可以查詢模塊的狀態(tài)信息，電壓電流數(shù)據(jù)和波形，模式切換。 ★8。具備獨立的DSP控制板，可以獨立運行，同時可外接快速原型控制器，方便與YXspace控制器及其他通用控制器或者數(shù)字實時仿真器對接，提供相應的數(shù)字轉(zhuǎn)接板。 |
| 3 | YXSPACE-SP6000 | 1、支持Simulink代碼自動生成和基于模型的程序設計；算法的Simulink模型可直接仿真下載到快速原型控制器的過程，能方便地使用Matlab/Simulink進行控制算法設計并在線實時仿真的功能，無需了解軟硬件實現(xiàn)及編程過程，就能進行控制設計和調(diào)試。 ★2、控制器需采用雙DSP+FPGA雙核結(jié)構(gòu)，采用TI公司的C6000系列DSP作為核心控制器，多個FPGA作為輔助控制器，運算能力可達3648MIPS，浮點運算。 3、具備自主編寫的驅(qū)動庫，可以直接導入到Simulink庫中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動相應的硬件元件庫，將模型中的數(shù)據(jù)直接與硬件對接，無需再花費時間去查詢硬件映射。多種庫文件，可適用于各種工程調(diào)試需求。 4、用戶可以隨意拖拽即可完成與硬件的連接，同時，配套了組態(tài)式的上位機，可以查看模型中任何的中間變量，可隨時觀測各種關(guān)鍵變量，從而做出相應參數(shù)上的更改。 5、需采用總線擴展方式，采用插卡方式，各個子板卡可進行擴展，不接受單板卡方式。采用插卡式結(jié)構(gòu)，用戶根據(jù)實際功能需求，可以靈活配置板卡種類，基本配置是CPU板卡、模擬采集ADC板卡、模擬輸出DAC板卡、數(shù)字輸出DO板卡、數(shù)組輸入DI板卡、脈寬調(diào)制PWM板卡、正交編碼QEP板卡 |
| 4 | 基于模型開發(fā)快速原型監(jiān)控系統(tǒng) | ★1、將Simulink模型與快速原型控制器硬件結(jié)合在一起，下載到控制器中執(zhí)行，控制器運行過程中，此軟件可以將Simulink模型中想要查看的各類控制量直觀顯示，也可以隨時修改各類控制參數(shù)，讓控制器實時響應，從而實現(xiàn)了真正的在線仿真。 ★5、系統(tǒng)需具備以下配置功能： |
| 5 | 開放式功率硬件開發(fā)系統(tǒng) | ★1、基于simulink的永磁同步電機的控制的模型例程 ★2、磁懸浮軸承控制 ★3、系統(tǒng)調(diào)試，含系統(tǒng)上位機 |
| 6 | 高精度可編程直流電源 | 1、輸入電壓：380V(AC) 2、輸入電流: 10A(AC) 3、功率因數(shù)：0.97 4、頻率范圍：45Hz-65Hz ★5、輸出電壓：50-800V（直流） 6、電流范圍：0-10A 7、功率范圍：0-5kW ★8、電壓精度：±0.5% F.S. ★9、電流精度：±1% F.S. 10、電壓測量分辨率:0.1V 11、電流測量分辨率:0.1A 12、功率測量分辨率:0.001kW ★13、可編程響應時間滿載20ms,空載10ms 14、含上位機配置軟件 ★15、本地7寸彩色觸控屏（800 x 480分辨率） 16、通信接口：RS485 17、冷卻方式：強制風冷 18、風扇控制方式：溫控調(diào)速 ★19、保護：OCP，OVP，OPP，OTP |
主要設備參考說明
磁軸承測試臺架
磁懸浮測試臺架主要由驅(qū)動電機、徑向磁軸承總成 A、軸向磁軸承總成、徑向磁軸承總
成 B、底座總成、轉(zhuǎn)子軸、護罩等主要部件組成，旋轉(zhuǎn)部件為轉(zhuǎn)子軸，由驅(qū)動電機直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，其他部件為靜止件。兩套位移傳感器組件分別置于徑向磁軸承總成 A 和徑向磁軸承總成 B 中.參考圖如圖所示
臺架的基本工作原理：磁軸承和驅(qū)動電機在非工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子軸兩端靠重力分別?？吭趶较虼泡S承組件 A 和徑向磁軸承組件 B 中的保護軸承上。當系統(tǒng)啟動后，首先會啟動磁軸承工作，磁軸承轉(zhuǎn)子軸會懸浮在磁軸承中心，磁軸承轉(zhuǎn)子軸同磁軸承組件脫離接觸。當系統(tǒng)顯示懸浮正常時，開啟驅(qū)動電機的控制器，轉(zhuǎn)子軸可在驅(qū)動電機的帶動下進行高速旋轉(zhuǎn)。
系統(tǒng)主要參數(shù)如下：
1、驅(qū)動電機功率：600W
2、最高工作轉(zhuǎn)速：12000rpm
3、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍： 0-12000rpm
4、輸入電壓：380 VAC
5、最大運行電流： 7A
6、磁軸承最大承載力（單個徑向）：250N
7、位移傳感器精度：1um
8、系統(tǒng)包含2個徑向磁軸承、1個軸向磁軸承，及其保護軸承，轉(zhuǎn)軸，亞克力護罩與底座，含電渦流位移傳感器2套等
9、平臺重量：72kg
功率驅(qū)動器
基于快速原型控制的五自由度磁懸浮軸承實驗系統(tǒng)的功率驅(qū)動部分包含了電機驅(qū)動與磁軸承驅(qū)動，功率硬件皆采用SIC，可以有較高的開關(guān)頻率，能夠適應更高轉(zhuǎn)速控制，采用模塊化設計，內(nèi)部的模塊比較容易替換，可以進行一些模塊替換后的比對研究。
電機驅(qū)動部分采用SIC，三相兩電平，YXPHM-TP205b采用基于模型設計的理念，脫胎于研旭成熟產(chǎn)品光伏并網(wǎng)逆變器與風機變流器等成熟產(chǎn)品，又結(jié)合了研旭多年的模塊化組件與開放式平臺研發(fā)經(jīng)驗，對該拓撲結(jié)構(gòu)與驅(qū)動電路、傳感器電路、信號處理電路進一步集成。三相橋式全控型變流器在新能源變流器、電機控制、電能質(zhì)量控制等應用中都非常廣泛，其主要由SIC、二極管、驅(qū)動電路、CPU信號處理單元、繼電器、熔斷器、傳感器、散熱器、電容等組成。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示
主控CPU采用目前流行的DSP，型號為TI公司的TMS320F28335，其32位浮點處理能力，非常適用于變流器控制場合。通過傳感器分別采集三相交流電流、三相交流電壓、直流側(cè)電壓、電流以及溫度等信息送給DSP，然后DSP經(jīng)過特定的算法，輸出PWM調(diào)制波控制開關(guān)器件，從而可以實現(xiàn)直流變交流或者交流變直流能量雙向流動。除此之外，信號處理電路還預留的外部控制器接口，方便對接RCP控制器，如DSPACE、RT-LAB、SPEEDGOAT、PLEX、YXSPACE等。
YXPHM-TP210b-III主要參數(shù)表
YXPHM-TP210b-III（Sic碳化硅） | ||
| 序號 | 參數(shù) | 參數(shù)值 |
| 1 | 額定功率 | 10kW |
| 2 | 直流電壓 | ≤800Vdc |
| 3 | 直流電流 | ≤17A |
| 4 | 交流電壓 | ≤450Vac |
| 5 | 交流電流 | ≤16A |
| 6 | 開關(guān)頻率 | ≤100kHz |
| 7 | 橋臂電抗 | 2mH |
| 8 | 效率 | ≤96% |
| 9 | 死區(qū) | 200ns |
| 10 | 工作環(huán)境溫度 | -5℃至45℃ |
| 11 | 電流傳感器范圍 | 直流電流≤25A 交流電流≤100A |
下圖為用亞克力材料封裝。尺寸為：428*312*240mm（長寬高），可以平放在桌子上面，故稱作桌面型功率模塊。
YXPHM-TP210b-I實物圖
功率模塊硬件板卡方面主要由主控單元、采集調(diào)理單元、功率單元（包含功率模塊、散熱、變壓器、濾波等）、接口單元和人機界面等組成.
YXSPACE-SP6000
研旭公司推出的YXSPACE產(chǎn)品系列，能夠?qū)⒂脩粼O計的圖形化的高級語言編寫的控制算法（Simulink）轉(zhuǎn)換成DIDO、AIAO量，完成實際硬件控制。同時通過YX-VIEW6000監(jiān)控組態(tài)軟件，對控制器進行實時監(jiān)控，從而完成模型的調(diào)試與驗證。其基本控制框圖如下所示：
快速原型開發(fā)流程示意
控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，將模型中的接口與硬件驅(qū)動接口綁定后，通過編譯工具產(chǎn)生可執(zhí)行文件，下載至SP6000快速原型控制器中運行。對被控對象進行實際控制。
研旭SP6000快速原型控制器配套軟件YXSPACE-VIEW6000（以下簡稱VIEW6000）主要用于配置快速原型控制器外設的工作模式，同時可以實時監(jiān)測控制過程中的各類運行量，包括采集量、中間控制變量等。另外此軟件集成了保護機制，用戶只需要設置硬件運行中的極限值，快速原型控制器就會按照此極限值進行實時判斷，一旦超過，快速原型控制器會自動停止運行，以達到保護后極功率電路的目的。
研旭SP6000快速原型控制器，采用插卡式結(jié)構(gòu)，基本配置包含CPU板卡、2塊模擬采集ADC板卡、模擬輸出DAC板卡、數(shù)字輸出DO板卡、數(shù)組輸入DI板卡、兩塊脈寬調(diào)制PWM板卡、正交編碼QEP/捕獲CAP板卡。其板卡配置安裝圖如下：
| YXSPACE-SP6000背面圖 | YXSPACE-SP6000資源描述 |
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YXSPACE獨特優(yōu)點
◆ 采用高端DSP芯片作為主運算核心，仿真速度更快，資源更豐富，其仿真結(jié)果針對實際研究更具有參考性；
◆ 在Matlab中設計的控制算法自動生成代碼，自動加載到實時目標機中運行，避免了繁瑣的編程和調(diào)試工作；
◆ 使用門檻低，會Matlab仿真即可完成實驗測試工作，所有測試工作只需一人即可完成
◆ 保護機制齊全，此部分不需要用戶實際搭建保護模型，只需配置控制量的極限值即可實現(xiàn)實時保護，讓用戶不用為安全保護費心，更多的關(guān)注于核心控制算法；
◆ 模型與硬件接口鏈接簡單，只需記住端口編號即可，更不用配置硬件各類細節(jié)，免去一切不必要的麻煩；
◆ 性價比高，在同等功能的前提下，YXSPACE成本更低。
◆ 具備自主編寫的驅(qū)動庫，可以直接導入到Simulink庫中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動相應的硬件元件庫，將模型中的數(shù)據(jù)直接與硬件對接，無需再花費時間去查詢硬件映射。多種庫文件，可適用于各種工程調(diào)試需求。
◆ 用戶可以隨意拖拽即可完成與硬件的連接，同時，配套了組態(tài)式的上位機，可以查看模型中任何的中間變量，可隨時觀測各種關(guān)鍵變量，從而做出相應參數(shù)上的更改。
基于模型開發(fā)快速原型監(jiān)控系統(tǒng)
研旭公司專門為SP6000研發(fā)了一套上位機監(jiān)控軟件VIEW6000軟件，采用組態(tài)式交互界面，方便用戶靈活、方便的查看快速原型控制器的工作信息。
VIEW6000軟件中包含控制器設置以及組態(tài)區(qū)。其中控制器設置界面共有4類控制器設置，包括仿真步長設置，DO控制源設置，QEP/CAP模式設置，PWM模塊設置。
圖 VIEW6000配置界面
組態(tài)區(qū)主要包括功能按鈕、組態(tài)控件、工作區(qū)等。
圖 VIEW6000組態(tài)界面
在實際應用中，很多用戶會提及，模型轉(zhuǎn)換的文件是否透明？是否可以查看最終的源代碼？答案是肯定的，用戶可以查看、編輯轉(zhuǎn)換后源代碼，換句話說simulink內(nèi)部自帶的算法模塊，可以透明的轉(zhuǎn)換成源代碼呈現(xiàn)在用戶面前。
圖 生成代碼查看
開放式功率硬件開發(fā)系統(tǒng)
當前，YXSPACE系列快速原型控制器備受大家關(guān)注，由于其支持模型下載功能，非?？旖?、方便的驗證控制算法。因此為了提高功率模塊的使用場合，特將功率模塊的模擬采集部分以及數(shù)字控制部分通過DB25接口外擴出來，直接與RCP控制器對接，便于RCP直接控制。
圖 YXPHM-TP210b與SP6000仿真機實物圖
研旭研發(fā)的YXPHM系列產(chǎn)品最大的特點就是開放性，目的是全面支撐用戶二次開發(fā)。所能提供的資料為：
所有硬件圖紙，包含原理圖和PCB圖（PDF格式）；
內(nèi)部布線圖；
DSP運行源代碼，包含但不限于程序主框架、硬件驅(qū)動功能、硬件配置功能、通訊功能、保護功能、編碼器功能、采樣功能、濾波函數(shù)、控制算法等（選配）；
設備操作說明書；
硬件開發(fā)設計說明；
軟件開發(fā)設計說明（需選配軟件資源開放）；
用戶獲取以上資料后，可以從硬件、軟件兩個方面進行深度研究，硬件方面可以了解這類變流器的設計思路，以及一些特定成熟的電路。軟件方面不僅可以從編程技巧等基礎方面獲取經(jīng)驗，而且更可以從探究、驗證自己的控制算法等理論方面獲得成果。
例程示意：
監(jiān)控示意：
高精度可編程直流電源
研旭YXPHD系列高壓大功率可編程直流電源采用全數(shù)字控制技術(shù)，在4U機箱體積內(nèi)功率可實現(xiàn)20kVA，輸出電壓可達到750V，輸出電流可達到25A-50A。
研旭YXPHD系列可編程直流電源帶主動式PFC，功率因素高達0.99，是采用PWM技術(shù)的高頻開關(guān)式直流電源，模塊化設計，采用先進的DSP數(shù)字控制技術(shù)，具有恒壓、恒流、恒功率模式輸出，可自動交叉變換，維持控制與保護兼顧特性，確保直流電源輸出的高精度、低紋波、快速瞬態(tài)響應，且效率高達93%；產(chǎn)品主要定位于電子電力生產(chǎn)、蓄電池行業(yè)、PCB板制造行業(yè)及通訊、PLC供電、機電老化試驗、自動測試系統(tǒng)集成、醫(yī)療器械、工業(yè)、電池充電及模擬、混合動力汽車與光伏逆變器測試研究單位、實驗室對高精度直流電源的需求。
系統(tǒng)特性
? 功率容量5kW-20kW，輸出電壓可達50V-750V，輸出電流可達25A~100A
? 高頻隔離，帶主動PFC功能，滿載功率因數(shù)0.99；
? 最大工作效率≧95.8% 滿載工作效率可達≧95.2%；
? 采用7寸液晶觸摸顯示屏；
? 全數(shù)位設計，輸出電壓、電流及功率測量顯示功能；
? 支持輸入過/欠壓保護、輸入過流保護；
? 支持輸出過壓，過流短路保護功能、以及過溫度保護功能；
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