一种三浮仪表磁悬浮控制电路

技术领域

本发明属于惯性技术领域，特别涉及一种三浮仪表磁悬浮控制电路。

背景技术

现阶段，三浮仪表作为高精度惯性仪表，被广泛应用于国内外弹道导弹、运载火箭的惯性导航中，三浮仪表主要包含三浮陀螺仪和三浮陀螺加速度计，采用了气浮、液浮和磁悬浮的支撑技术。磁悬浮系统的作用是通过磁悬浮线圈检测浮子位置变化，分析浮子运动状态及趋势，通过对磁悬浮线圈施加直流产生磁悬浮拉力，将油液中浮子控制在宝石轴承的中间位置，完全脱离与宝石轴承的机械接触，避免因机械摩擦带来的干扰力矩，从而提高三浮仪表的精度。

目前公开发表的三浮仪表磁悬浮控制电路中，其电路原理中均需使用到国外进口器件或进口芯片国产封装的器件做功能支撑，其中部分电路可以使用国内完全国产化芯片可以原位替代，但集成了激磁发生电路和相敏解调电路的7B698芯片在国内没有可以原位替代的国产化芯片或相似功能的国产化芯片，国内没有芯片厂家能够研制出该款芯片。因此，现有的三浮仪表磁悬浮控制电路面临无法直接用国产化芯片原位替代实现完全自主可控的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种三浮仪表磁悬浮控制电路，解决了现有三浮仪表磁悬浮控制电路不能采用国产化芯片原位替代的技术问题，本发明实现了三浮仪表磁悬浮电路国产化、小型化以及对受控对象的快速、精密控制。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种三浮仪表磁悬浮控制电路，包括激磁发生电路、位置检测电桥、多路选通开关、信号处理电路、数字信号处理器电路和加力控制电路；

数字信号处理器电路产生PWM方波，并将方波输出至激磁发生电路；

激磁发生电路接收由数字信号处理器电路输入的PWM方波，将PWM方波调制为正弦波激磁信号，将正弦波激磁信号输出至位置检测电桥；

位置检测电桥在正弦波激磁信号的作用下驱动磁悬浮线圈工作；

位置检测电桥获取用于表征磁悬浮线圈位置的交流电压信号，并将交流电压信号经过多路选通开关输出至信号处理电路；

信号处理电路将由位置检测电桥输入的交流电压信号转换为用于表征磁悬浮线圈位置的直流信号，将直流信号输出至数字信号处理器电路；

数字信号处理器电路根据直流信号得到加力控制信号，将加力控制信号输出至加力控制电路；

加力控制电路响应加力控制信号，为磁悬浮线圈提供悬浮加力。

进一步的，位置检测电桥获取用于表征磁悬浮线圈位置的多路差分信号；

数字信号处理器电路控制多路选通开关中的各路选通开关依次通断，使各路差分信号按设定选通顺序依次输入信号处理电路。

进一步的，信号处理电路包含差动放大电路和解调电路；差动放大电路将选通的一路差分信号进行放大及差值处理，得到差分放大后的交流电压信号，所述一路差分信号由位置检测电桥的两个通道输出的交流电压信号形成；解调电路包括相敏解调器和低通滤波电路，相敏解调器以激磁发生电路输入的正弦波激磁信号作为参考信号，对差分放大后的交流电压信号进行解调，得到用于表征磁悬浮线圈位置的全半波交流信号，低通滤波电路将全半波交流信号过滤为用于表征磁悬浮线圈位置的直流信号。

进一步的，差动放大电路为国产仪表放大器ZSAD620TF，解调电路为国产相敏解调器LZX2。

进一步的，数字信号处理器电路中包含系统初始化模块、磁悬浮位置采集与处理模块、磁悬浮加力计算模块、执行磁悬浮加力模块和RS485通信模块；

系统初始化模块用于设置系统时钟、中断使能和多路选通开关使能；

磁悬浮位置采集与处理模块包括PWM方波产生模块、A/D转换电路和多路选通开关控制模块；A/D转换电路用于将信号处理电路输入的直流信号转换为数字信号；多路选通开关控制模块用于控制多路选通开关的选通；

磁悬浮加力计算模块预设浮子定中位置的数字量范围，即死区，将数字信号与预设死区进行对比，得到加力控制信号；具体方法为：若数字信号在死区范围内，认为浮子处于中心位置，不需执行加力；若数字信号大于死区上边界或小区死区下边界，则需执行正向或负向加力，拉动浮子向死区内运动；加力大小根据数字信号超出死区边界差值大小动态调整，差值越大则加力周期内加力时间越长，差值越小则加力周期内加力时间越短；

执行磁悬浮加力模块用于PWM断使能和控制加力开关通断；加力控制电路为磁悬浮线圈提供悬浮加力时PWM断使能，根据加力控制信号，通过GPIO口控制加力控制电路，将加力电流输入到磁悬浮线圈中，产生磁拉力使浮子定中；

RS485通信模块用于与外部设通信。

进一步的，A/D转换电路为数字信号处理器电路中内置的12位A/D模块；

数字信号处理器电路还包括连接于A/D转换电路和信号处理电路之间的A/D输入限幅电路；A/D输入限幅电路由两个开关二极管组成，将输入A/D转换电路的高电压钳制在3.3V，输入低电压钳制在0V。

进一步的，加力控制电路包含≥10路加力开关，每一路加力开关受数字信号处理器电路的I/O口输出的加力控制信号控制，加力开关导通时实现磁悬浮线圈与直流电源导通，进行磁悬浮加力。

进一步的，激磁发生电路包含带通滤波电路和电压跟随器；

带通滤波电路用于将PWM方波调制为正弦波激磁信号，电压跟随器用于稳定正弦波激磁信号不受后级负载影响；

带通滤波电路中的电阻、电容根据实际需求的正弦波激磁信号参数确定。

进一步的，带通滤波电路为有源二阶带通滤波器；

有源二阶带通滤波器包含电阻R1、R2、R3和电容C1、C2；

设实际需求的正弦波激磁信号参数包括放大倍数A

其中，C＝C1＝C2。

进一步的，带通滤波电路中的运算放大器为四通道集成运算放大器FX147BH(Z)，使用FX147BH(Z)其中1个通道构成交流激磁信号的电压跟随器；

数字信号处理器电路采用国产化DSP控制器JDSPF2812A，以晶振JA120-30MHz作为数字信号处理器电路的时钟源，经数字信号处理器电路内分频电路产生12kHz时钟，由数字信号处理器电路内事件管理器模块EVA输出12kHz的PWM方波；

数字信号处理器电路内具有片上存储器FLASH，其扇区A、C～J共9个用于固化磁悬浮控制软件，其扇区B专用于固化磁悬浮参数。

本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

(1)本发明创造性的提出一种三浮仪表磁悬浮控制电路，通过新设计功能电路替代了目前常规方案中使用进口或伪国产的LVDT信号调理器，实现了三浮仪表磁悬浮控制电路所有物料的完全国产化，摆脱了对进口器件和伪空包器件的依赖；

(2)本发明磁悬浮控制电路可以实现对三浮仪表浮子位置的快速、精确控制，特别是激磁信号频率由数字信号处理器电路的分频电路和晶振决定，时钟高度稳定性赋予激磁信号频率的高稳定性，远高于常规方案中LVDT信号调理器产生的激磁信号；

(3)本发明磁悬浮控制电路兼顾现有技术的所有用户需求，在印制板尺寸不变的条件下兼容现有任务、多类型的三浮仪表磁悬浮控制电路，适用于多型号，实现货架式的产品化，推动了三浮仪表产品化；

(4)本发明做到了极简化设计，由于全新设计功能电路替代7B698芯片和加力电路封装尺寸变大3倍，电路板空间变成难题，通过使用四通道集成运算放大器、数字信号处理器电路内置A/D转换模块替代单片/D转换电路、多路模拟开关、数字信号处理器电路片上存储器替代片外存储器，显著得减小了电路体积，且解决了内置A/D转换精度差、输入信号受限等问题。

附图说明

图1为本发明实施例中一种完全国产化的三浮仪表磁悬浮控制电路的结构框图；

图2为本发明实施例中一种磁悬浮电路控制过程流程示意图；

图3为本发明实施例中一种有源二阶带通滤波器示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

目前可查磁悬浮技术方案中，提及或未提及但方案中必须的多个器件均为进口器件或伪空包器件，本发明通过新设计功能电路替代了目前常规方案中使用进口或伪国产的LVDT信号调理器进行激磁产生、信号解调、直流信号输出功能，率先解决了LVDT信号调理器裸芯受限于国外技术的问题。

本发明提供一种完全国产化的三浮仪表磁悬浮控制电路，通过自主式激励信号发生电路和解调电路的新设计，对进口芯片或伪空包芯片进行功能电路替代，在保证磁悬浮控制精度及可靠性前提下实现了磁悬浮电路的完全国产化，解决了国外芯片卡脖子的问题。此外，通过精简设计，将磁悬浮电路做到少器件、小体积，为三浮仪表小型化奠定基础。

本发明提供一种三浮仪表磁悬浮控制电路，包括：激磁发生电路1、位置检测电桥2、多路选通开关3、信号处理电路4、数字信号处理器电路6(内部集成A/D转换电路5)、加力控制电路7、RS485接口电路8；

激磁发生电路1，用于产生正弦激励信号，作用于位置检测电桥，驱动磁悬浮线圈工作；处理12kHz信号要求运算放大器具有很高的带宽，产生幅值为1.6V的12kHz交流信号进一步要求运算放大器具有很大的压摆率，因此，带通滤波电路9只能采用国产化芯片四通道集成运算放大器FX147BH(Z)。针对带通滤波电路9的交流激磁信号负载能力不足问题，使用FX147BH(Z)其中1个通道构成交流激磁信号的电压跟随器10，大大提高了激磁发生电路1的负载能力。

位置检测电桥2，用于检测各通道磁悬浮电压信号，表征三浮仪表浮子当前的位置；

多路选通开关3，用于磁悬浮位置信号的通道选通，实现对磁悬浮信号分路采集；

信号处理电路4，用于将采集的位置信号进行放大、解调及滤波等处理形成待转换模拟信号；

A/D转换电路5，用于将经过处理的位置信号进行模数转换，得到磁悬浮位置的数字信号；A/D转换电路5是集成于数字信号处理器电路6内部的一个12位A/D转换器，替代现有技术的单片A/D转换电路，通过基准源校正和中值滤波处理，A/D转换电路5精度优于现有技术。

数字信号处理器电路6，是电路核心控制器件，存储嵌入式软件和磁悬浮参数、产生PWM、执行I/O控制、运算、通信等功能。数字信号处理器电路6搭载嵌入式软件，将数字信号进行运算分析，根据运算结果执行磁悬浮加力控制，并通过RS485接口电路将位置信号及加力控制等信号发送至上位机监测；

加力控制电路7，用于响应数字信号处理电路5输出的控制信号，作为执行机构通过控制开关方式对磁悬浮线圈通断直流电源，实现磁悬浮加力；加力控制电路7采用模拟开关SF312MD，其封装尺寸是现有技术的伪空包芯片模拟开关TW312SS的3倍。

RS485接口电路8，用于磁悬浮控制电路与外部设备的通信。

在上述三浮仪表磁悬浮控制电路中，激磁发生电路1，通过数字信号处理器电路6控制产生PWM方波，PWM方波信号通过带通滤波电路9及电压跟随器10后，转换为目标值的正弦波激磁信号。

位置检测电桥2，是通过电阻与线圈组成电桥电路，可将浮子位置变化带来的线圈电感变化转换为交流电压信号，表征磁悬浮位置变化。

多路选通开关3，用于磁悬浮位置信号多个通道顺序选通，可按需求逐一采集各通道磁悬浮信号。

信号处理电路4用于将采集的位置信号进行放大、解调及滤波等处理形成待转换模拟信号，包含差动放大电路11和解调电路12。差动放大电路11将选通的某一路正负两个通道磁悬浮差分信号进行放大及差值处理，得到放大后的位置信号；解调电路12包含相敏解调器和低通滤波电路两部分，其中相敏解调器将差动放大后的位置信号进行解调，以激磁发生电路1输出的正弦激励信号作为参考信号，解调得到表征磁悬浮位置的全半波交流信号，低通滤波电路将全半波交流信号滤为表征磁悬浮位置的直流信号。

A/D转换电路5为数字信号处理器电路内置集成模块，负责将信号处理电路4得到的直流信号转换为数字信号，输入数字信号处理器电路6内做进一步计算处理。

数字信号处理器电路6采用国产化DSP控制器JDSPF2812A，本发明以晶振JA120-30MHz作为数字信号处理器电路6的时钟源，经数字信号处理器电路6内分频电路产生12kHz时钟，由数字信号处理器电路6内事件管理器模块EVA输出12kHz的PWM方波。

数字信号处理器电路6内具有片上存储器FLASH，其扇区A、C～J共9个用于固化磁悬浮控制软件，其扇区B专用于固化磁悬浮参数，无需设计片外存储器，充分利用了数字信号处理器电路6的存储器资源。

数字信号处理器电路6内固化有磁悬浮控制软件，完成系统初始化、PWM方波产生、通道选通控制、A/D转换电路的采数、磁悬浮控制律计算加力值、输出加力控制信号、RS485通信等功能；数字信号处理器电路6包括系统初始化模块S1、磁悬浮位置采集与处理模块S2、磁悬浮加力计算模块S3、执行磁悬浮加力模块S4、RS485通信模块S5共五个主要功能模块，实现以下控制过程：

系统初始化模块S1：设置系统时钟、中断使能、多路选通开关使能、扇区B的磁悬浮参数读取等。

磁悬浮位置采集与处理模块S2：PWM输出使能、多路选通开关选通控制、A/D转换等。

磁悬浮加力计算模块S3：该领域仪表通常预设浮子定中位置的数字量范围，称为死区。将采样处理后的位置数字量与死区进行对比，若在死区范围内，认为浮子处于中心位置，不需执行加力；若大于死区上边界或小区死区下边界，则需执行正向或负向加力，拉动浮子向死区内运动；加力大小根据超出死区边界差值大小动态调整，差值越大则加力周期内加力时间越长，差值越小则加力周期内加力时间越短。

执行磁悬浮加力模块S4：包含PWM断使能和控制加力开关通断。磁悬浮线圈既是检测机构又是执行机构，采用分时复用的方式，位置采集与磁悬浮加力均通过线圈实现。为避免加力时仍通入激磁信号造成叠加干扰，需断开激磁，即PWM断使能；根据S3中加力计算结果，通过GPIO口控制加力开关，将加力电流输入到十个磁悬浮线圈中，产生磁拉力使浮子定中。

RS485通信模块S5：向外界发送磁悬浮位置以及加力数据等通信数据。

加力控制电路7，其每一路加力开关受数字信号处理器I/O口控制，根据磁悬浮控制律计算出的加力值，控制加力开关导通使加力通路接通，为浮子提供磁悬浮加力；加力控制电路7总通道数不小于10。

本发明三浮仪表磁悬浮控制电路用于三浮仪表磁悬浮轴承的控制，也可以用于其他磁悬浮轴承的控制实现，可应用于高精度导航的航空、航天领域；本发明所有的组成部件完全自主可控，达到100％国产化。通过本发明能够摆脱现有电路对国外技术及芯片依赖，实现对三浮仪表磁悬浮电路国产化、小型化以及对受控对象的快速、精密控制。

实施例：

图1为本发明实施例中一种完全国产化的三浮仪表磁悬浮控制电路的结构框图。在本实施例中，完全国产化的三浮仪表磁悬浮控制电路包括：激磁发生电路1、位置检测电桥2、多路选通开关3、信号处理电路4、集成于数字信号处理器电路6中的A/D转换电路5、数字信号处理器电路6、加力控制电路7、RS485接口电路8。

激磁发生电路1包含带通滤波电路9及电压跟随器10。根据实际需求的激磁信号参数，配置相应阻容值的电阻、电容，使带通滤波电路9将数字信号处理器电路6产生的PWM方波信号调制为要求正弦波激磁信号，电压跟随器10用于稳定正弦信号不受后级负载影响。

本实施例中，通过软件设定数字信号处理器电路6在初始化完成后即通过PWM引脚输出3.3V、占空比为50％的方波信号；设置带通滤波电路9适当阻容值，该值可通过经验及计算取得，其中一种优选的设计方式如下：

选择带通滤波电路形式为有源二阶带通滤波器，根据下述公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)可知，通过调整如图3所示的电阻R1、R2、R3阻值及电容C(C＝C1＝C2)容值可以获得所需增益、带宽及Q值的激磁信号。

放大倍数

品质因数

中心频率

带宽

根据上述设计方式，可以将方波信号转换为有效值1.6V、频率12KHz的正弦激磁信号；带通滤波电路9和电压跟随器10中运放优选四路集成运算放大器。

位置检测电桥2通过线圈与电阻组成，可将浮子位置变化带来的线圈电感变化转换为交流电压信号。其实施方式为根据施加的激磁信号可得到被激励后电感线圈的等效阻抗，计算方式如公式(5)：

等效阻抗

选择与之相应的桥臂电阻，即可实现磁悬浮浮子定中位置的电桥平衡状态。

多路选通开关3用于选通磁悬浮多个通道线圈的位置检测信号，通过数字信号处理器电路6控制多路选通开关3依次通断，可按需求采集各通道磁悬浮信号。

本实施例中，设置了十个磁悬浮线圈，通过位置检测电桥2得到五路差分信号；多路选通开关3优选国产双8选1模拟开关，使五路信号按设定选通顺序依次输入后级电路。

信号处理电路4包含差动放大电路11和解调电路12。差动放大电路11将选通的某一路正负两个通道磁悬浮差分信号进行放大及差值处理，得到放大后的位置信号；解调电路12将差动放大后的位置信号进行调制，以激磁发生电路1输出的正弦激励信号作为参考信号，解调得到磁悬浮位置直流信号；

在本实施例中，差动放大电路11优选国产仪表放大器，具有低成本、高精度特性，且可通过调节电阻设置所需放大倍数，本实施例中根据系统总体增益情况，选用调节电阻阻值为9.1KΩ，放大倍数为5.5倍；

在本实施例中，解调电路12中调制解调器优选国产相敏解调器，具有可调节输出零位的特性；由于用于A/D转换的信号须为直流信号，则还需根据所选相敏解调器类型做适应性调整，如解调后信号为直流，可直接用于A/D转换；如解调后信号为交流，则可根据信号情况设置滤波电路将其转换为直流信号。在本实施例的其中一种情况中，得到解调后波形为半波交流信号，故设计二阶低通滤波电路将波形进行滤波处理，得到相应直流信号。

本实施例中所述激磁发生电路1、信号处理电路4(包含差动放大电路11和解调电路12)通过自主电路设计，实现了国外LVDT信号处理器的激磁发生及解调功能的国产化替代，解决了该相关器件电路无法实现国产化的问题。

A/D转换电路5，用于将经过处理的直流位置信号进行模数转换，得到磁悬浮位置数字信号；

在本实施例中，前述A/D转换电路5优选使用数字信号处理器电路6中P内置12位A/D模块，减少外设芯片使用，进一步缩减了电路体积及成本；根据A/D转换电路5输入电压要求为正，使用前述四路运算放大器第四路运放设计加法器电路，将解调的直流信号抬高恒定电压值；

为进一步保护数字信号处理电路6，本实施例中使用由两个开关二极管组成A/D输入限幅电路，将输入高电压钳制在3.3V，输入低电压钳制在0V，避免了过高电压或过低负电压输入损坏器件。

数字信号处理器电路6内写有磁悬浮控制软件，将位置数字信号进行运算分析，计算出所需加力值，并根据运算结果执行磁悬浮加力控制，并由RS485接口电路将位置信号及加力控制等信号向外发送监测；

数字信号处理器电路6常见封装外形为四角扁平封装LQFP，在本实施例中优选数字信号处理器电路6封装形式为BGA，较常规LQFP封装体积更小；并通过调整器件的引脚排序，由回字形改为16*16阵列排序，进一步优化BGA封装外形，较常规表贴封装形式尺寸减小了三分之一，有利于进一步减小电路体积。

加力控制电路7，用于响应数字信号处理电路6输出的控制信号，作为执行机构通过控制开关方式对磁悬浮线圈通断加力电源，实现磁悬浮加力；且其单路开关受单路I/O控制，加力时该单路开关导通使直流电源通过，为单路线圈提供电流，且加力开关总通道数不小于10。

本实施例中，加力控制电路7选用了3只国产四路单刀单掷模拟开关，具有四路开关分别控制、通道输入电流大的特点。

RS485接口电路8，用于磁悬浮电路与上位机的通信。

参照图2所示，在本实施例中，加力控制电路7包含：系统初始化模块S1、磁悬浮位置采集与处理模块S2、磁悬浮加力计算模块S3、执行磁悬浮加力模块S4、RS485通信模块S5共五个主要功能模块。其中可以由S2～S5各模块组成程序中的主循环，在系统初始化后循坏执行。

系统初始化模块S1：设置系统时钟、中断使能、多路选通开关使能等。

磁悬浮位置采集与处理模块S2：PWM输出使能、多路选通开关选通控制、A/D转换等；本实施例中需采集五路磁悬浮信号，通过I/O口控制多路选通开关依次选通，采集每一路位置信号。

磁悬浮加力计算模块S3：本实施例中仪表预设了浮子定中位置的数字量范围，称为死区，例如可设置为2048±8。将采样处理后的位置数字量与死区进行对比，若在死区范围内，认为浮子处于中心位置，不需执行加力；若大于死区上边界(本例中为2056)或小区死区下边界(本例中为2040)，则需执行正向或负向加力，拉动浮子向死区内运动。

执行磁悬浮加力S4模块：包含PWM断使能和控制加力开关通断。本实施例中，磁悬浮线圈既是检测机构又是执行机构，采用分时复用的方式，位置采集与磁悬浮加力均通过线圈实现。为避免加力时仍通入激磁信号造成叠加干扰，需断开激磁，即PWM断使能；根据S3中加力计算结果，通过GPIO口控制十路加力开关，将加力电流输入到十个磁悬浮线圈中，产生磁拉力使浮子定中。

RS485通信S5模块：向上位机发送磁悬浮位置以及加力数据。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。