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產品描述
在現代工業與科技迅猛發展的進程中，高速大慣量旋轉機械廣泛應用于航空航天、高端裝備制造、能源電力等眾多關鍵領域。在這些旋轉機械里，軸承作為核心部件，其性能優劣直接關乎設備的整體運行質量與穩定性。傳統機械軸承在高速運轉時，因存在機械接觸，不可避免地會產生摩擦與磨損，這不僅降低了系統效率，還增加了能耗，限制了設備的轉速與精度提升，嚴重時甚至會引發故障，導致高昂的維修成本與生產停滯。
隨著科技發展對設備性能要求的不斷攀升，研發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、高轉速、低能耗、長壽命等顯著優勢，磁懸浮軸承在諸多前沿領域展現出巨大的應用潛力，成為推動現代高端裝備技術革新的關鍵因素。 然而，磁懸浮軸承系統是一個高度復雜的機電一體化系統，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、控制算法、機械結構等多種因素的綜合影響，且各因素之間相互耦合，關系錯綜復雜。為了深入探究磁懸浮軸承的運行機理，優化系統性能，確保其在實際應用中的可靠性與穩定性，一套先進且完善的磁懸浮軸承試驗系統就顯得尤為重要。對此，南京研旭電氣科技有限公司在多年動模平臺經驗的基礎上，結合電磁軸承磁懸浮飛輪系統合作方，構建基于快速原型控制的五自由度磁懸浮軸承試驗系統。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，驗證相關控制算法，可以縮短研究和開發周期、節省研究經費，可以展開全面深入的研究，具有重要的現實意義。
基于快速原型控制的五自由度磁懸浮軸承實驗系統主要由磁軸承測試臺架、功率驅動器、快速原型控制器、基于模型開發快速原型監控系統、開放式功率硬件開發系統組成，高精度可編程直流電源組成，其系統拓撲如下圖所示。
圖1 基于快速原型控制的5自由度磁懸浮軸承實驗系統
系統特點
基于快速原型控制的五自由度磁懸浮軸承實驗系統采用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成，使得系統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，磁軸承和驅動電機在非工作狀態下，轉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。當系統啟動后，首先會啟動磁軸承工作，磁軸承轉子軸會懸浮在磁軸承中心，磁軸承轉子軸同磁軸承組件脫離接觸。當系統顯示懸浮正常時，開啟驅動電機的控制器，轉子軸可在驅動電機的帶動下進行高速旋轉。
2、基于SIC的開放式功率硬件，系統采用SIC功率器件，可以有較高的開關頻率，功率硬件可以輸出較高的交流頻率，可以適應更高轉速的控制。
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以及進行算法迭代創新設計。
系統典型配置清單
表1 系統典型配置清單
| 序號 | 產品名稱 | 備注 |
| 1 | 磁軸承測試臺架 | 1、驅動電機功率：600W 2、最高工作轉速：12000rpm 3、轉速調節范圍： 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、系統包含2個徑向磁軸承、1個軸向磁軸承，及其保護軸承，轉軸，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 | 功率驅動器 | 1、驅動部分采用SIC 2、電機驅動采用三相兩電平 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部的硬件結構。同時頂蓋可以打開，方便進行相關信號的測量。 ★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信息，電壓電流數據和波形，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字實時仿真器對接，提供相應的數字轉接板。 |
| 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及編程過程，就能進行控制設計和調試。 ★2、控制器需采用雙DSP+FPGA雙核結構，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，將模型中的數據直接與硬件對接，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，可隨時觀測各種關鍵變量，從而做出相應參數上的更改。 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。采用插卡式結構，用戶根據實際功能需求，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、數字輸出DO板卡、數組輸入DI板卡、脈寬調制PWM板卡、正交編碼QEP板卡 |
| 4 | 基于模型開發快速原型監控系統 | ★1、將Simulink模型與快速原型控制器硬件結合在一起，下載到控制器中執行，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，讓控制器實時響應，從而實現了真正的在線仿真。 ★5、系統需具備以下配置功能： |
| 5 | 開放式功率硬件開發系統 | ★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、系統調試，含系統上位機 |
| 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：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、轉子軸、護罩等主要部件組成，旋轉部件為轉子軸，由驅動電機直接驅動旋轉，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：磁軸承和驅動電機在非工作狀態下，轉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。當系統啟動后，首先會啟動磁軸承工作，磁軸承轉子軸會懸浮在磁軸承中心，磁軸承轉子軸同磁軸承組件脫離接觸。當系統顯示懸浮正常時，開啟驅動電機的控制器，轉子軸可在驅動電機的帶動下進行高速旋轉。
系統主要參數如下：
1、驅動電機功率：600W
2、最高工作轉速：12000rpm
3、轉速調節范圍： 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、系統包含2個徑向磁軸承、1個軸向磁軸承，及其保護軸承，轉軸，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
功率驅動器
基于快速原型控制的五自由度磁懸浮軸承實驗系統的功率驅動部分包含了電機驅動與磁軸承驅動，功率硬件皆采用SIC，可以有較高的開關頻率，能夠適應更高轉速控制，采用模塊化設計，內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，脫胎于研旭成熟產品光伏并網逆變器與風機變流器等成熟產品，又結合了研旭多年的模塊化組件與開放式平臺研發經驗，對該拓撲結構與驅動電路、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、電能質量控制等應用中都非常廣泛，其主要由SIC、二極管、驅動電路、CPU信號處理單元、繼電器、熔斷器、傳感器、散熱器、電容等組成。其拓撲結構如圖所示
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、直流側電壓、電流以及溫度等信息送給DSP，然后DSP經過特定的算法，輸出PWM調制波控制開關器件，從而可以實現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主要參數表
YXPHM-TP210b-III（Sic碳化硅） | ||
| 序號 | 參數 | 參數值 |
| 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 | 開關頻率 | ≤100kHz |
| 7 | 橋臂電抗 | 2mH |
| 8 | 效率 | ≤96% |
| 9 | 死區 | 200ns |
| 10 | 工作環境溫度 | -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產品系列，能夠將用戶設計的圖形化的高級語言編寫的控制算法（Simulink）轉換成DIDO、AIAO量，完成實際硬件控制。同時通過YX-VIEW6000監控組態軟件，對控制器進行實時監控，從而完成模型的調試與驗證。其基本控制框圖如下所示：
快速原型開發流程示意
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動接口綁定后，通過編譯工具產生可執行文件，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，采用插卡式結構，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、數字輸出DO板卡、數組輸入DI板卡、兩塊脈寬調制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實時保護，讓用戶不用為安全保護費心，更多的關注于核心控制算法；
◆ 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，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，將模型中的數據直接與硬件對接，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，可隨時觀測各種關鍵變量，從而做出相應參數上的更改。
基于模型開發快速原型監控系統
研旭公司專門為SP6000研發了一套上位機監控軟件VIEW6000軟件，采用組態式交互界面，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區。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
組態區主要包括功能按鈕、組態控件、工作區等。
圖 VIEW6000組態界面
在實際應用中，很多用戶會提及，模型轉換的文件是否透明？是否可以查看最終的源代碼？答案是肯定的，用戶可以查看、編輯轉換后源代碼，換句話說simulink內部自帶的算法模塊，可以透明的轉換成源代碼呈現在用戶面前。
圖 生成代碼查看
開放式功率硬件開發系統
當前，YXSPACE系列快速原型控制器備受大家關注，由于其支持模型下載功能，非常快捷、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
研旭研發的YXPHM系列產品最大的特點就是開放性，目的是全面支撐用戶二次開發。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）；
內部布線圖；
DSP運行源代碼，包含但不限于程序主框架、硬件驅動功能、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、控制算法等（選配）；
設備操作說明書；
硬件開發設計說明；
軟件開發設計說明（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字控制技術，在4U機箱體積內功率可實現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技術的高頻開關式直流電源，模塊化設計，采用先進的DSP數字控制技術，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、快速瞬態響應，且效率高達93%；產品主要定位于電子電力生產、蓄電池行業、PCB板制造行業及通訊、PLC供電、機電老化試驗、自動測試系統集成、醫療器械、工業、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；
微信公眾號
