一種用于電磁軸承的三態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)

尹強(qiáng)，龐浩，任曉丹，陳天錦，常志國(guó)，羅治軍（許繼電源有限公司，河南許昌461000）

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一種用于電磁軸承的三態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)

尹強(qiáng)，龐浩，任曉丹，陳天錦，常志國(guó)，羅治軍
（許繼電源有限公司，河南許昌461000）

摘要：針對(duì)三態(tài)調(diào)制技術(shù)輸出電流紋波小、電磁噪聲小、線圈損耗小、控制響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，提出了比較-PWM控制調(diào)制技術(shù)。該方法為上管驅(qū)動(dòng)采用PWM占空比可調(diào)的控制，下管驅(qū)動(dòng)采用比較輸出的控制，可以實(shí)現(xiàn)三態(tài)工作方式。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用比較-PWM控制調(diào)制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)三態(tài)工作方式，減小輸出電流紋波，同時(shí)具有較好的動(dòng)態(tài)特性、跟隨特性和穩(wěn)態(tài)特性，對(duì)電磁軸承用三態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)制作有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：電力電子；三態(tài)；比較-PWM；功率放大器；電磁軸承

傳統(tǒng)的機(jī)械式推力軸承具有摩擦、磨損及由此產(chǎn)生的溫升等缺陷，影響旋轉(zhuǎn)機(jī)械的速度和精度。而磁懸浮軸承是利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，然后將轉(zhuǎn)子以旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使其繞特定軸線旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子與定子之間無(wú)接觸、無(wú)摩擦、是使用壽命長(zhǎng)、不用潤(rùn)滑、高精度的一種新型、高性能軸承［1-2］。

功率放大器是磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中非常重要的一部分，它提供線圈足夠的電流來(lái)產(chǎn)生需要的電磁力，其性能不僅決定磁懸浮軸承能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，也影響系統(tǒng)的承載能力和動(dòng)態(tài)性能。電磁軸承系統(tǒng)在早期多采用線性功率放大器，由于線性功放的效率較低、體積相對(duì)較大、功率適應(yīng)范圍小等不足，現(xiàn)在電磁軸承系統(tǒng)中幾乎都采用效率高、動(dòng)態(tài)特性好的開關(guān)功率放大器［1］。

較早的磁懸浮軸承開關(guān)功放大都采用兩態(tài)調(diào)制技術(shù)，存在電流紋波大、動(dòng)態(tài)特性受限等缺點(diǎn)，而三態(tài)調(diào)制技術(shù)能有效地降低電流紋波，減小電磁噪聲，同時(shí)減小了線圈的銅損耗，此外還有利于提高開關(guān)功放的電流響應(yīng)速度和控制力響應(yīng)速度，進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體性能。因此三態(tài)功率放大器是近來(lái)研究較多的一種控制方式［1-9］。

功率放大器的兩個(gè)主要指標(biāo)，一個(gè)是電流跟蹤動(dòng)態(tài)特性，另一個(gè)是輸出電流紋波大小。本文針對(duì)三態(tài)控制調(diào)制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提出了比較-PWM控制調(diào)制技術(shù)，其上管驅(qū)動(dòng)采用PWM占空比可調(diào)的控制，下管驅(qū)動(dòng)采用比較輸出的控制，設(shè)計(jì)了一種用于電磁軸承的三態(tài)功率放大器，實(shí)現(xiàn)了三態(tài)工作方式，控制由模擬電路組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)線圈的低紋波電流輸出，同時(shí)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。

1　三態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)及研究的三態(tài)功率放大器的主回路如圖1所示。Q1和Q2為功率MOSFET管，D1和D2為功率快恢復(fù)二極管，電解電容E1和無(wú)感電容C1為支撐母線電壓和吸收功率管尖峰的作用，Rm為電磁軸承線圈的電阻，Lm為電磁軸承線圈的電感，電流互感器串聯(lián)在回路中用于采樣電感電流。

圖1　三態(tài)功率放大器主回路Fig.1 Main circuit of tri-state power amplifier

1.1三態(tài)功率放大器的工作原理［1，3，7］

基于三態(tài)控制的功率放大器有3種工作狀態(tài)：充電狀態(tài)、續(xù)流狀態(tài)和放電狀態(tài)。1）充電狀態(tài)的原理圖如圖2所示。功率開關(guān)管Q1和Q2同時(shí)開通，功率快恢復(fù)二極管D1和D2同時(shí)關(guān)斷，線圈電流增大，忽略功率管的導(dǎo)通壓降，線圈兩端電壓為電源電壓。其回路為Q1，電流互感器，Rm，Lm和Q2的充電狀態(tài)。2）續(xù)流狀態(tài)的原理圖如圖3所示。功率開關(guān)管Q1開通，Q2關(guān)斷，功率快恢復(fù)二極管D2開通，D1關(guān)斷，線圈電流沿同方向續(xù)流。其回路為D2，電流互感器，Rm，Lm和Q2的續(xù)流狀態(tài)。3）放電狀態(tài)的原理圖如圖4所示。功率開關(guān)管Q1和Q2同時(shí)關(guān)斷，功率快恢復(fù)二極管D1和D2同時(shí)開通，線圈電流減小，忽略二極管的導(dǎo)通壓降，電源電壓反向加載于線圈兩端。其回路為D2，電流互感器，Rm，Lm和D1的放電狀態(tài)。通過(guò)3種工作狀態(tài)之間的切換，使得線圈中的電流跟蹤給定電流的變化，實(shí)現(xiàn)功率放大的目的。

圖2　充電狀態(tài)Fig.2 Charging status

圖3　續(xù)流狀態(tài)Fig.3 The continued flow state

圖4　放電狀態(tài)Fig.4 Discharging status

1.2三態(tài)功率放大器的電路實(shí)現(xiàn)

控制調(diào)節(jié)電路、脈沖調(diào)制電路和隔離驅(qū)動(dòng)電路組成了三態(tài)功率放大的控制調(diào)制方法，其中，比較-PWM控制調(diào)節(jié)電路包括信號(hào)調(diào)理電路、PI調(diào)節(jié)電路、比較電路和PWM調(diào)節(jié)器，控制框圖如圖5所示。

圖5　控制框圖Fig.5 The control block diagram

比較控制調(diào)節(jié)的電路圖如圖6所示。電流給定信號(hào)經(jīng)濾波調(diào)理后得到IGB信號(hào)，電阻R41、電阻R42、電阻R43和運(yùn)放實(shí)現(xiàn)給定信號(hào)1/100的抬升，然后經(jīng)濾波電路和運(yùn)放通過(guò)電阻R48接到比較器的同相輸入端，電流反饋信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路得到IFB信號(hào)，再經(jīng)電阻R49接到比較器的反相輸入端，比較后的高低電平為脈沖電壓驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)G2。

圖6　比較控制電路Fig.6 The comparison control circuit

PWM控制調(diào)節(jié)的電路圖如圖7所示。電流反饋信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路得到IFA信號(hào)，電流給定經(jīng)濾波調(diào)理后得到IGA信號(hào)，兩者經(jīng)高噪聲抑制比、高精度運(yùn)放及PI調(diào)節(jié)器得到誤差信號(hào)EO1。PWM調(diào)節(jié)器將誤差信號(hào)與內(nèi)部的載波進(jìn)行比較得到占空比可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)G1。

圖7　PWM控制電路Fig.7 The PWM control circuit

脈沖電壓驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)G1和G2，經(jīng)脈沖調(diào)制電路和隔離驅(qū)動(dòng)電路得到DRV1_G，DRV1_E和DRV2_G，DRV2_E，分別來(lái)直接驅(qū)動(dòng)半橋主回路中功率管Q1和Q2的開通與關(guān)斷，從而達(dá)到控制電磁軸承線圈電流的目的。

2　實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)制造了一套為10自由度磁懸浮軸承提供驅(qū)動(dòng)的三態(tài)功率放大器。該系統(tǒng)共需10個(gè)功率放大器向10個(gè)自由度的電磁線圈供電。其每個(gè)功率放大器的技術(shù)指標(biāo)為：直流母線電壓300 V，最大輸出電流30 A，線圈電感10 mH，線圈電阻小于1 Ω。其中電流即可為正弦峰值電流30 A，頻率為0.1 Hz～1 kHz，也可為直流30 A。

測(cè)試儀器：數(shù)字示波器為MS03014，示波器探頭P6139A，高壓差分探頭P5205，可編程大功率交直流電源MX30-3PI-400-LF-SNK，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器AFG3022B。

按照輸入電壓與輸出電流的變比為3 A/V，電流傳感器LAH-50NP的轉(zhuǎn)換比為2 000∶1。CH1為電流給定通道，CH2為電流反饋通道，CH3為驅(qū)動(dòng)DRV1_G，CH4為驅(qū)動(dòng)DRV2_G。圖8為給定端加入直流偏置5 V，交流分量幅值為2.7 V、頻率0.1 Hz的正弦波，可知功率放大器的輸出電流23 A；圖9為給定端加入直流偏置5 V，交流分量幅值2.7 V、頻率100 Hz的正弦波，可知功率放大器的輸出電流23 A；圖10、圖11為給定端加入直流偏置5 V，交流分量幅值0.5 V、頻率分別為0.1 Hz，1 000 Hz的正弦波，可知功率放大器的輸出電流為16.5 A；圖12為功率放大器的驅(qū)動(dòng)波形。

圖8　5 V+0.1 Hz/2.7 V的給定與反饋波形Fig.8 The given and feedback waveforms at 5 V+0.1 Hz/2.7 V

圖9　5 V+100 Hz/2.7 V的給定與反饋波形Fig.9 The given and feedback waveforms at 5 V+100 Hz/2.7 V

圖10　5 V+0.1 Hz/0.5 V的給定與反饋波形Fig.10 The given and feedback waveforms at 5 V+0.1 Hz/0.5 V

圖11　5 V+1 kHz/0.5 V的給定與反饋波形Fig.11 The given and feedback waveforms at 5 V+1 kHz/0.5 V

圖12　驅(qū)動(dòng)波形Fig.12 The waveforms of driving signal

從圖8和圖9可以看出，輸出電流紋波小、電流信號(hào)失真較小，輸出電流能快速跟蹤輸入信號(hào)的變化，有較好的跟蹤特性和穩(wěn)態(tài)特性。從圖10和圖11可以看出，從低頻到高頻波形比較穩(wěn)定，而且紋波很小，反應(yīng)了動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性好并且具有很高的帶寬。從圖12可以看出，磁功率放大器能夠?qū)崿F(xiàn)三態(tài)工作方式。

3　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款用于電磁軸承的三態(tài)功率放大器，詳細(xì)地分析了其工作原理，并進(jìn)行了關(guān)鍵性電路的原理圖設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用提出的比較-PWM控制調(diào)制技術(shù)，上管驅(qū)動(dòng)采用PWM占空比可調(diào)的控制，下管驅(qū)動(dòng)采用比較輸出的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)三態(tài)工作方式，減小輸出電流紋波，同時(shí)具有較好的動(dòng)態(tài)特性、跟隨特性和穩(wěn)態(tài)特性，對(duì)電磁軸承用三態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)制作有一定的指導(dǎo)意義。

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修改稿日期：2015-09-11

Design of the Tri-state Power Amplifier for Electromagnetic Bearings

YIN Qiang，PANG Hao，REN Xiaodan，CHEN Tianjin，CHANG Zhiguo，LUO Zhijun
（XJ Power C0.，Ltd.，XJ Group Corporation，Xuchang 461000，Henan，China）

Abstract:For the advantages of the tri-state modulation technique，small output current ripple，low electromagnetic interference，less coil losses，and rapid control response speed，proposed the control modulation technique of comparison-PWM（pulse width modulation）. The upper power transistor was controlled by the adjustable PWM duty cycle and the lower one was controlled by the output of the comparison. The tri-state could be achieved with this mode. The test results show that the comparison-PWM control modulation technology can achieve the tri-state work，reduce the output current ripple，and have good dynamic characteristics，following features and steady state performance. The conclusions have some guiding significance to the design of the tri-state power amplifier for electromagnetic bearings.

Key words:power electronics；tri-state；comparison-PWM；power amplifier；electromagnetic bearings

收稿日期：2015-04-23

作者簡(jiǎn)介：尹強(qiáng)（1984-），男，碩士研究生，工程師，Email：yin-1-qiang@163.com

中圖分類號(hào)：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A