專利名稱：磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁懸浮軸承調(diào)試系統(tǒng)，尤其涉及一種磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
磁懸浮軸承在工業(yè)上一般用在機械軸承無法滿足的高速或超高速場合，控制系統(tǒng)的性能直接決定了磁懸浮軸承的性能。一旦控制系統(tǒng)的參數(shù)沒有設(shè)計好，現(xiàn)場調(diào)試時極容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，這不僅可能損壞造價極為昂貴的機械設(shè)備，而且對現(xiàn)場調(diào)試的技術(shù)人員會造成很大的心里壓力和恐慌。磁懸浮軸承在國內(nèi)外已逐步廣泛應(yīng)用到工業(yè)場合，但尚未有用于磁懸浮軸承現(xiàn)場調(diào)試的系統(tǒng)出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場的調(diào)試系統(tǒng)，以可靠地解決磁懸浮軸承現(xiàn)場調(diào)試的失穩(wěn)現(xiàn)象。
2、技術(shù)方案為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)包括正弦和余弦信號發(fā)生電路、正弦信號處理電路、余弦信號處理電路、控制器和功率放大器，其中，正弦和余弦信號發(fā)生電路包括單片機、直接數(shù)字合成芯片U2、直接數(shù)字合成芯片U3、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和晶體振蕩器，單片機U1的FQ_UD端連于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的D端，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端同時連于直接數(shù)字合成芯片U2、U3的FQ_UD端，直接數(shù)字合成芯片U2、U3的RESET端并聯(lián)合連于單片機的RESET端，單片機的W_CLK-1端連于直接數(shù)字合成芯片U2的W_CLK端，單片機的W_CLK-2端連于直接數(shù)字合成芯片U3的W_CLK端，晶體振蕩器的輸出端CLK連于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的CK端后再同時連于直接數(shù)字合成芯片U2、U3的REF CLK端，單片機的DATABUS端同時連于直接數(shù)字合成芯片U2、U3的DATA端，直接數(shù)字合成芯片U2輸出余弦信號，直接數(shù)字合成芯片輸出正弦信號；正弦信號處理電路、余弦信號處理電路分別包括二階低通濾波電路、電壓幅值調(diào)整電路，來自于正弦和余弦信號發(fā)生電路的正弦信號和余弦信號分別結(jié)過處理后輸出，運算放大器的反向輸入端和輸出端之間并聯(lián)有電位器；通過電位器的調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)正弦信號處理電路、余弦信號處理電路輸出信號的幅值在正弦信號處理電路的二階低通濾波電路中，運算放大器的正向輸入端和反向輸入端還可以分別連接有電容，電容的另一端分別接地，這兩個電容主要起到電壓濾波作用，為運算放大器提供穩(wěn)定的電壓信號；在正弦信號處理電路和余弦信號處理電路的二階低通濾波電路中，運算放大器的正向輸入端還連接有偏置電壓調(diào)節(jié)電路，為運算放大器提供偏置電壓，其中，電阻與電容并聯(lián)并一端接地，電阻另一端與正弦信號處理電路中運算放大器的正向輸入端連接，并經(jīng)另一電阻與電位器連接，通過電位器可以調(diào)節(jié)運算放大器的正向輸入電壓。
余弦信號和正弦信號的頻率、幅值通過單片機實時可調(diào)，且二者的相位差鎖定為90°；雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用是利用其輸入輸出的延時來調(diào)整直接數(shù)字合成芯片的FQ_UD與REF CLK的時序，以滿足REF CLK最小先于FQ_UD信號1.5ns的要求；通過電位器的調(diào)節(jié)使得余弦信號輸出處理電路的輸出信號的幅值在0～±12.5V變化、頻率在0～12KHz變化，正弦信號輸出處理電路的輸出信號的幅值在0～±12.5V變化、頻率在0～12KHz變化。
本系統(tǒng)中的控制器和功率放大器均可采用現(xiàn)有技術(shù)中的控制器和功率放大器。
本發(fā)明的原理是任何旋轉(zhuǎn)機械不可避免地都存在不平衡，旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生一個隨時間變化的離心力，不考慮轉(zhuǎn)子的彈性變形即認為轉(zhuǎn)子是剛性的，離心力在x方向和y方向的分量分別是 其中 為轉(zhuǎn)子不平衡的質(zhì)徑積，ω為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角頻率，是t＝0時轉(zhuǎn)子的不平衡矢量 與x軸的初始夾角。式(1)表明離心力的頻率就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率。對于磁懸浮軸承系統(tǒng)，只要初始時間t選擇合適，總可以使初始夾角＝0，這樣式(1)可改寫為Fx=mrω2cosωtFy=mrω2sinωtΛΛ...(2)]]>
式(2)表明離心力在x方向和y方向的分量分別是余弦函數(shù)和正弦函數(shù)，離心力的頻率就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率。Fx、Fy是由于圓盤的不平衡引起的離心力，通過磁場作用到左右兩端的磁軸承上。也就是說，兩端磁軸承受到的離心力也是余弦函數(shù)和正弦函數(shù)，一般可表示為Fx1=A1cosωt,Fy1=A1sinωtFx2=A2cosωt,Fy2=A2sinωtΛΛ...(3)]]>其中Fxi、Fyi是第i個軸承受到的離心力(i＝1，2)，A1、A2是ω2的線性函數(shù)，一般A1+A2＝mrω2。
因此，為了比較真實地模擬轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的運行環(huán)境，在轉(zhuǎn)子靜止不旋轉(zhuǎn)的情況下，同時在磁軸承的x方向加余弦信號、y方向加正弦信號進行掃描，就可以準(zhǔn)確地模擬出轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的運行環(huán)境。本發(fā)明即是先產(chǎn)生同頻率、相位差為90°的余弦信號和正弦信號，得到幅值、頻率均連續(xù)可調(diào)的余弦信號和正弦信號，再將同頻率的余弦信號和正弦信號疊加在磁懸浮軸承控制器徑向四個自由度的輸出信號上，同時對控制器的控制參數(shù)進行調(diào)節(jié)，這樣就可以對磁懸浮軸承進行現(xiàn)場調(diào)試。
3、有益效果本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)能夠很好地解決磁懸浮軸承高速旋轉(zhuǎn)調(diào)試現(xiàn)場的失穩(wěn)現(xiàn)象，大大提高磁懸浮軸承系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試的安全性和可靠性，減輕了現(xiàn)場調(diào)試工程師的心里壓力和恐慌，降低了現(xiàn)場事故發(fā)生的風(fēng)險；(2)本系統(tǒng)設(shè)計簡單，控制靈活。
四

圖1為本發(fā)明的模擬調(diào)試信號層次原理圖。
圖2為本發(fā)明的余弦和正弦信號發(fā)生電路原理圖。
圖3為本發(fā)明的余弦和正弦信號輸出通道處理電路原理圖。
圖4是本發(fā)明的磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試示意圖。
五具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明
如圖1、圖2所示，磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)包括正弦和余弦信號發(fā)生電路、正弦信號處理電路、余弦信號處理電路、控制器和功率放大器，其中，正弦和余弦信號發(fā)生電路包括單片機U1、直接數(shù)字合成芯片U2、U3、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U4和晶體振蕩器U5，單片機U1的型號為P89C58，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U4的型號為74HC74，直接數(shù)字合成芯片U2、U3的型號為AD9851；單片機U1的FQ_UD端連于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U4的D端，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U4的Q端同時連于直接數(shù)字合成芯片U2、U3的FQ_UD端，直接數(shù)字合成芯片U2、U3的RESET端并聯(lián)連于單片機U1的RESET端，單片機U1的W_CLK-1端連于直接數(shù)字合成芯片U2的W_CLK端，單片機U1的W_CLK-2端連于直接數(shù)字合成芯片U3的W_CLK端，晶體振蕩器U5的輸出端CLK連于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U4的CK端后再同時連于直接數(shù)字合成芯片U2、U3的REF CLK端，單片機U1的DATABUS端同時連于直接數(shù)字合成芯片U2、U3的DATA端，直接數(shù)字合成芯片U2輸出余弦信號OUT1，直接數(shù)字合成芯片U3輸出正弦信號OUT2；正弦信號處理電路、余弦信號處理電路分別包括二階低通濾波電路、電壓幅值調(diào)整電路，余弦信號OUT1依次經(jīng)過正弦信號處理電路的二階低通濾波電路、電壓幅值調(diào)整電路處理后形成信號S2，正弦信號OUT2依次經(jīng)過余弦信號處理電路的二階低通濾波電路、電壓幅值調(diào)整電路處理后形成信號S1。
如圖3所示，在正弦信號處理電路的二階低通濾波電路中，來自于正弦和余弦信號發(fā)生電路的正弦信號OUT2依次經(jīng)過電阻R24、R26，經(jīng)運算放大器U19A處理后，經(jīng)電阻R29輸入電壓幅值調(diào)整電路的運算放大器U19B，運算放大器U19B的反向輸入端與輸出端之間并聯(lián)有電位器W6，電位器W6用于調(diào)節(jié)正弦信號處理電路輸出信號S2的幅值；在余弦信號處理電路的二階低通濾波電路中，來自于正弦和余弦信號發(fā)生電路的余弦信號OUT1依次經(jīng)過電阻R17、R19，經(jīng)運算放大器U19D處理后，經(jīng)電阻R22輸入電壓幅值調(diào)整電路的運算放大器U19C，運算放大器U19C的反向輸入端與輸出端之間并聯(lián)有電位器W4，電位器W4用于調(diào)節(jié)余弦信號處理電路輸出信號S1的幅值。在正弦信號處理電路的二階低通濾波電路中，運算放大器U19A的正向輸入端連接有偏置電壓調(diào)節(jié)電路，其中，電阻R28與電容C15并聯(lián)并一端接地，電阻R28另一端與運算放大器U19A的正向輸入端連接，并經(jīng)電阻R27與電位器W5連接，通過電位器W5可以調(diào)節(jié)運算放大器U19A的正向輸入電壓；運算放大器U19A的正向輸入端和反向輸入端分別連接有電容C17和C16，電容C17和C16的另一端分別接地，二者的作用是為放大器提供穩(wěn)定的電壓信號。在余弦信號處理電路的二階低通濾波電路中，運算放大器U19D的正向輸入端連接有偏置電壓調(diào)節(jié)電路，其中，電阻R21與電容C10并聯(lián)并一端接地，電阻R21另一端與運算放大器U19D的正向輸入端連接，并經(jīng)電阻R20與電位器W3連接，通過電位器W3可以調(diào)節(jié)運算放大器U19D的正向輸入電壓。
余弦信號OUT1和正弦信號OUT2的頻率、幅值通過單片機U1實時可調(diào)，且二者的相位差鎖定為90；而電位器W4的調(diào)節(jié)，使得余弦信號輸出處理電路的輸出信號S1的幅值在0～±12.5V變化、頻率在0～12KHz變化；電位器W6的調(diào)節(jié)，使得正弦信號輸出處理電路的輸出信號S2的幅值在0～±12.5V變化、頻率在0～12KHz變化。
如圖4所示，在磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子靜止不旋轉(zhuǎn)的情況下，軸向自由度不加余弦信號或者正弦信號，在徑向四個自由度的控制器輸出信號上同時疊加同頻率的余弦信號和正弦信號，其中，第1、3自由度疊加正弦信號，第2、4自由度疊加余弦信號，幅值范圍為-1～+1V，實時調(diào)整余弦信號和正弦信號的頻率，從而模擬轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的運行環(huán)境。同時，在不同頻率下，對控制器的控制參數(shù)進行調(diào)節(jié)，使得轉(zhuǎn)子的振動幅值抑制到最小。
權(quán)利要求
1.一種磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)，包括控制器和功率放大器，其特征在于，該系統(tǒng)還包括正弦和余弦信號發(fā)生電路、正弦信號處理電路、余弦信號處理電路，其中，正弦和余弦信號發(fā)生電路包括單片機(U1)、直接數(shù)字合成芯片(U2、U3)、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U4)和晶體振蕩器(U5)，單片機(U1)的FQ_UD端連于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U4)的D端，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U4)的Q端同時連于直接數(shù)字合成芯片(U2)、(U3)的FQ_UD端，直接數(shù)字合成芯片(U2)、(U3)的RESET端并聯(lián)連于單片機(U1)的RESET端，單片機(U1)的W_CLK-1端連于直接數(shù)字合成芯片(U2)的W_CLK端，單片機(U1)的W_CLK-2端連于直接數(shù)字合成芯片(U3)的W_CLK端，晶體振蕩器(U5)的輸出端CLK連于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U4)的CK端后再同時連于直接數(shù)字合成芯片(U2、U3)的REF_CLK端，單片機(U1)的DATABUS端同時連于直接數(shù)字合成芯片(U2、U3)的DATA端，直接數(shù)字合成芯片(U2)輸出余弦信號OUT1，直接數(shù)字合成芯片(U3)輸出正弦信號OUT2；正弦信號處理電路、余弦信號處理電路分別包括二階低通濾波電路、電壓幅值調(diào)整電路，余弦信號OUT1依次經(jīng)過正弦信號處理電路的二階低通濾波電路、電壓幅值調(diào)整電路處理后形成信號S2，正弦信號OUT2依次經(jīng)過余弦信號處理電路的二階低通濾波電路、電壓幅值調(diào)整電路處理后形成信號S1。
2.如權(quán)利要求1所述的磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)，其特征在于，在正弦信號處理電路的二階低通濾波電路中，來自于正弦和余弦信號發(fā)生電路的正弦信號OUT2依次經(jīng)過電阻(R24)、(R26)，經(jīng)運算放大器(U19A)處理后，經(jīng)電阻(R29)輸入電壓幅值調(diào)整電路的運算放大器(U19B)，運算放大器(U19B)的反向輸入端與輸出端之間并聯(lián)有電位器(W6)，電位器(W6)用于調(diào)節(jié)正弦信號處理電路輸出信號S2的幅值；在余弦信號處理電路的二階低通濾波電路中，來自于正弦和余弦信號發(fā)生電路的余弦信號OUT1依次經(jīng)過電阻(R17)、(R19)，經(jīng)運算放大器(U19D)處理后，經(jīng)電阻(R22)輸入電壓幅值調(diào)整電路的運算放大器(U19C)，運算放大器(U19C)的反向輸入端與輸出端之間并聯(lián)有電位器(W4)，電位器(W4)用于調(diào)節(jié)余弦信號處理電路輸出信號S1的幅值。
3.如權(quán)利要求2所述的磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)，其特征在于，在正弦信號處理電路的二階低通濾波電路中，運算放大器(U19A)的正向輸入端連接有偏置電壓調(diào)節(jié)電路，其中，電阻(R28)與電容(C15)并聯(lián)并一端接地，電阻(R28)另一端與運算放大器(U19A)的正向輸入端連接，并經(jīng)電阻(R27)與電位器(W5)連接，通過電位器(W5)可以調(diào)節(jié)運算放大器(U19A)的正向輸入電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)，其特征在于，在正弦信號處理電路的二階低通濾波電路中，運算放大器(U19A)的正向輸入端和反向輸入端分別連接有電容(C17)和(C16)，電容(C17)和(C16)的另一端分別接地。
5.如權(quán)利要求2所述的磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)，其特征在于，在余弦信號處理電路的二階低通濾波電路中，運算放大器(U19D)的正向輸入端連接有偏置電壓調(diào)節(jié)電路，其中，電阻(R21)與電容(C10)并聯(lián)并一端接地，電阻(R21)另一端與運算放大器(U19D)的正向輸入端連接，并經(jīng)電阻(R20)與電位器(W3)連接，通過電位器(W3)可以調(diào)節(jié)運算放大器(U19D)的正向輸入電壓。
6.如權(quán)利要求1所述的磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)，其特征在于，余弦信號OUT1和正弦信號OUT2的頻率、幅值通過單片機(U1)實時可調(diào)，且二者的相位差鎖定為90°。
7.如權(quán)利要求1所述的磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)，其特征在于，電位器(W4)的調(diào)節(jié)，使得余弦信號輸出處理電路的輸出信號S1的幅值在0～±12.5V變化、頻率在0～12KHz變化；電位器(W6)的調(diào)節(jié)，使得正弦信號輸出處理電路的輸出信號S2的幅值在0～+12.5V變化、頻率在0～12KHz變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁懸浮軸承模擬現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)，包括正弦和余弦信號發(fā)生電路、正弦信號處理電路、余弦信號處理電路、控制器和功率放大器，其中，正弦和余弦信號發(fā)生電路包括單片機、直接數(shù)字合成芯片U2、直接數(shù)字合成芯片U3、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和晶體振蕩器，正弦信號處理電路、余弦信號處理電路分別包括二階低通濾波電路、電壓幅值調(diào)整電路；本發(fā)明能夠很好地解決磁懸浮軸承高速旋轉(zhuǎn)調(diào)試現(xiàn)場的失穩(wěn)現(xiàn)象，大大提高磁懸浮軸承系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試的安全性和可靠性，減輕了現(xiàn)場調(diào)試工程師的心里壓力和恐慌，降低了現(xiàn)場事故發(fā)生的風(fēng)險，并且設(shè)計簡單，控制靈活。
文檔編號F16C33/04GK1858858SQ20061003882
公開日2006年11月8日 申請日期2006年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月14日
發(fā)明者徐龍祥, 戴大海 申請人:南京航空航天大學(xué)