磁悬浮轴承数字功率放大器的研究.doc

磁悬浮轴承数字功率放大器的研究*常肖1 徐龙祥1 董继勇2（1南京航空航天大学机电学院，南京 中国，210016 2南京磁谷科技有限公司，南京 中国，210000）摘 要：本文研制了基于DSP和FPGA的三电平磁悬浮轴承数字功率放大器。用DSP芯片取代模拟电路进行PI调节、三角载波产生以及负载线圈驱动信号PWM波的产生，通过DSP内部程序实现PWM占空比在线调节，并给出了采用FPGA对驱动信号PWM波进行移相180的方法，实现了三电平的数字功率放大器。将此数字功率放大器应用于五自由度磁悬浮轴承试验台，实现了转子的静态稳定悬浮，静态悬浮时转子振动的峰峰值小于5m。关键词：磁悬浮轴承；数字功率放大器；DSP；FPGA；PWMResearch on Digital Power Amplifier of Active Magnetic Bearing Chang Xiao1 Xu Longxiang1 Dong Jiyong2(1 College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanning 210016, China 2 Nanning Cigu Company, Nanning 210000, China)Abstract: The three-level digital power amplifier based on DSP and FPGA of the active magnetic bearing is researched in this paper, the DSP chip is used to replace the analog circuit to generate the PWM wave which is used to drive the load winding, the PWM waves duty cycle is modulated through the internal program, the method of making phase shift of the PWM wave of the drive signal through FPGA is also given in this paper and the three-level digital power amplifier is achieved through this method. The rotor is suspended statically while the peak value of the rotors vibration is less than 5m on the base of five-degree-of-freedom of active magnetic bearing through this digital power amplifier.Key words: Active magnetic bearing；Digital Power amplifier；DSP；FPGA, PWM60 引言磁悬浮轴承的功率放大器是磁悬浮轴承系统能量转换的关键部分，是影响磁悬浮轴承稳定性的关键因素之一1，同时对整个系统的动态性能起着重要的作用，严重制约着控制器的设计效果2。所以，磁悬浮轴承的功率放大器需满足效率高、电流纹波小、响应快以及可靠性高等几个要求。按照实现形式的不同，磁悬浮轴承功率放大器分为模拟功率放大器和数字功率放大器。模拟功率放大器是应用模拟运算电路搭建起来的控制系统来驱动功率转换电路产生电流的。其中，三角波产生电路、PI调节电路、PWM波产生电路都是由模拟器件来完成的，因此，模拟功率放大器体积一般较为庞大，复杂程度高，降低了系统的可靠性，模拟器件存在的温漂和零漂也会降低功率放大器的精度，而且控制算法是由模拟器件实现的，如果需要改进算法往往要对硬件电路进行修改，不利于磁悬浮轴承系统的调试，也给功率放大器其他控制策略的试验研究带来了一定的难度。数字功率放大器是通过AD转换将磁悬浮轴承负载线圈的电流信号以及控制器输出到功率放大器的控制信号数字化，功率放大器的CPU对转化后的数字信号进行运算处理，进而产生驱动信号PWM波来驱动磁悬浮轴承的负载线圈，从而产生转子稳定悬浮或高速旋转所需的电流。其优点是系统简单、体积小、可靠性高、可以实现复杂的控制方案3，并且可以进行大量额外任务的处理。国内很多高校对磁悬浮轴承的数字功率放大器做了研究工作，武汉理工大学成功研制了基于TMS320F2407 DSP的磁悬浮主轴功率放大器，采用五块DSP作为此数字功率放大器的CPU分别对磁悬浮轴承的五个自由度进行控制4，实现了磁悬浮轴承转子的稳定悬浮。西安交通大学研制的基于两块TMS320F240 DSP的数字控制系统也已经成功应用于磁悬浮轴承系统5，实现了转子的稳定悬浮。1 磁悬浮轴承功率放大器的工作原理一般情况下，磁悬浮轴承功率放大器的功率转换电路采用半桥主电路来产生单向电流，如图1所示。图中，Vref 为控制器输入到功率放大器中的参考信号， I为线圈中的电流大小，e(t)为参考信号与反馈电流的差值，T1、T2分别表示半桥主电路的上桥臂和下桥臂驱动信号。图1 功率放大器半桥控制原理图在三电平功率放大器中，PWM发生器根据PI调节器的运算结果产生两路不同的驱动信号PWM波，分别来驱动功率放大器半桥主电路中的两只功率管。功率放大器根据参考信号Vref来调整驱动信号PWM波的占空比，从而控制负载线圈中电流的大小。当反馈的电流值小于给定的参考值时，e(t) 0，驱动波形T1、T2占空比大于50%，在上下桥臂同时导通时，线圈中流过驱动电流，线圈电流I增大；当反馈的电流值等于给定的参考值时，e(t)=0，驱动波形T1、T2占空比等于50%，线圈通过半桥主电路的二极管D1或D2续流，线圈中的电流既不增大也不减小；当反馈的电流值大于给定的参考值时，e(t) 0，驱动波形T1、T2占空比小于50%，在上下桥臂同时关断时，半桥主电路的两个二极管D1和D2同时导通，线圈中电流减小6。半桥主电路工作过程中，负载线圈的驱动波形及电流波形如图2所示：图2 半桥驱动波形及三电平电流原理图综上所述，磁悬浮轴承三电平功率放大器工作时，就是通过这几种状态之间的相互转换，使得线圈中的电流增大、减小或续流来跟踪控制器给定的参考信号工作的7。2 三电平数字功率放大器的实现方法分析由图1可以看出，磁悬浮轴承中一组负载线圈需要两路不同的PWM波来分别驱动半桥主电路的两个功率管，五自由度的磁悬浮轴承共有十组线圈，那么就需要20路不同的PWM波。本文总结出了以下几种三电平控制策略的实现方法：（1）完全利用DSP内部资源。这种方式下，CPU在中断程序中计算出每个PWM波所需要的占空比，从而产生连续的PWM波，并通过DSP的通用I/O引脚输出。这种方法目前较少采用，其缺点是产生PWM波需要CPU参与工作，占用了DSP的大量资源，使得DSP的实时运行能力下降，不利于整个系统的控制8。（2）完全利用DSP的PWM模块。通过配置DSP中两个比较寄存器的值，可以获得两路不同的PWM波，从而完成一组负载线圈的驱动，一块DSP中只有12个比较寄存器，因此不能同时完成五自由度磁悬浮轴承功率放大器部分的控制，可采用两块DSP进行分散控制，一块控制三个自由度，另一块控制两个自由度，但是这样造成了DSP资源的浪费，同时降低了系统的可靠性。（3）由DSP中PWM模块中每个全比较单元产生的PWM波分别控制十组负载线圈的上桥臂，然后根据对应每个桥臂，通过外部增加数字逻辑电路的方法来实现PWM驱动波形的移相180，从而控制对应的下桥臂。这种方法的控制策略与第二种方法相同，代价就是要增加外围电路。综上所述，本文总结出了一种实现五自由度磁悬浮轴承三电平数字功率放大器的方法：由DSP产生十路不同的PWM波完成磁悬浮轴承十组负载线圈上桥臂的驱动，通过数字逻辑芯片FPGA（FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列）对每组线圈上桥臂驱动波形进行移相180即驱动波形周期的一半，移相后的PWM波驱动所对应的下桥臂，移相180后的PWM波与未移相的PWM波占空比完全一致，只是在相位上滞后了180，这样的两路PWM波相结合，就可以完成一组负载线圈的驱动。这种基于DSP和FPGA的三电平数字功率放大器的原理如图3所示：图3 数字功率放大器原理图在此数字功率放大器中，DSP芯片完成PI调节和驱动信号PWM波的产生，PWM波的占空比可在线调节，取代模拟功率放大器中的三角波产生电路、PI调节电路和PWM波产生电路。 FPGA完成驱动信号PWM波的移相，实现三电平功率放大器对电流的实时控制。与之前的数字功率放大器相比，本文研制的数字功率放大器只采用了一块DSP就可以实现五个自由度的同时控制，提高了系统的可靠性，节约资源，实现简单且易于调试。下面结合DSP内部资源结构和半桥驱动原理来说明此磁悬浮轴承数字功率放大器中驱动信号PWM波的实现策略。本论文所研制的数字功率放大器采用TI公司最新推出的32位浮点高性能DSP控制器TMS320F28335 DSP作为核心处理器，它弥补了浮点DSP芯片TMS320VC33和定点DSP芯片TMS320F2812各自的不足，同时具有了浮点运算功能和专门的PWM产生模块以及内置AD模块。此数字功率放大器中采用TMS320F28335 DSP完成PI调节从而产生所需占空比的驱动信号PWM波，用DSP芯片取代了模拟功率放大器中的部分硬件电路。此DSP芯片在5.33s的时间内即可实现单路PI调节进而产生负载线圈驱动信号PWM波，因此将此数字功率放大器应用于功放开关频率为25KHz的五自由度磁悬浮轴承控制箱，完全可以满足要求。选用TMS320F28335 DSP的EPWM模块产生PWM波，可产生非对称和对称的PWM波形。当产生非对称PWM波形时，定时器被设置为连续递增模式，其周期寄存器被赋予一个与所需的PWM载波周期相对应的值。在定时器的每个周期内，EPWM模块的比较寄存器的值与对应定时器的值比较，当发生比较匹配后，会在相应的EPWM模块的输出产生PWM信号，如图4所示：图4 非对称PWM波产生原理图当产生对称PWM波形时，定时器工作在连续递增递减计数模式。这时定时器周期值应为PWM的开关周期的二分之一。对称PWM波形的特点是其调制脉冲是关于每个PWM周期对称的，在对称PWM波形的发生过程中，一个PWM周期内有两次比较匹配：一次是在周期匹配前的递增计数期间，另一次是在周期匹配后的递减计数期间。EPWM模块会在相应的输出口产生PWM波，波形如图5所示：图5 对称PWM波产生原理图本文应用的是对称PWM波发生器原理，即载波为三角波的方法产生PWM波。因为在采用非对称PWM方法产生原理（即载波为锯齿波方法）时，在电平切换时电流波形上会产生毛刺，即在控制半桥主电路时，每结束一个PWM周期，PWM波必定会出现一次电平转换，续流状态时会出现从上桥臂切换到下桥臂、或者从下桥臂切换到上桥臂的状态，而在此切换过程当中会因为开关管的导通与关断时间不对称产生电流纹波。所以综合考虑本文采用了对称PWM波产生方法，不会出现续流状态切换的现象，电流纹波比较小。利用DSP产生PWM波，EPWM模块的设置很关键。PWM波的时间基准由EPWM模块的定时器提供，可以通过DSP内部软件的配置达到各个EPWM模块时基同步的效果。当EPWM模块的比较操作被使能时，定时器的值不停地与比较寄存器的值比较，当比较匹配后，PWM输出引脚上的输出电平将发生变化，产生所需占空比的PWM波，所产生PWM波的频率由定时器的周期寄存器来决定，占空比则随比较寄存器值的改变而改变。当比较寄存器的值在规定范围内变化时，DSP可以产生占空比从0%到100%变化的PWM波。DSP在其软件部分计算出线圈中电流值与参考值的偏差，通过PI算法得出驱动信号的占空比，从而控制比较寄存器的值，只需通过配置比较寄存器的值就可产生所需占空比的驱动信号PWM波，这种方法方便灵活， TMS320F28335 DSP强大的EPWM模块给此数字功率放大器的研究带来了很大的方便，而且此DSP芯片的浮点功能使得程序编写中无需IQ格式的转换，其自带的AD模块，使系统简单、抗干扰能力强。在DSP产生所需占空比的驱动信号PWM波的基础上，FPGA利用移位寄存器对PWM波进行移相，移相原理如图6所示：图6 移相原理图n位移位寄存器的最低位接输入FPGA的PWM信号，最高位信号作为移相后的PWM信号输出，每一次时钟到来时，每位的值左移一位，这样输入信号经过n个时钟的位移后输出，此输出信号和输入信号就会有个相位差，移相时，相角的大小可以通过移位寄存器的位数和时钟的频率来控制。本文采用上述原理可以通过FPGA芯片成功实现PWM波移相180，图7为具体的试验图，从图中可以看出，此方法的移相精度较高。图7 FPGA对PWM波移相波形图FPGA具有丰富的I/O口资源、强大的逻辑实现能力，利用此芯片进行系统移相电路的软、硬件开发设计，移相电路的参数可以通过软件来调节，灵活方便且移相精度高。因此，一块DSP 和一块FPGA相结合便可以完成五自由度磁悬浮轴承功率放大器的控制，实现了三电平的数字功率放大器。3 试验结果分析本文采用上述控制策略研制了基于DSP和FPGA的三电平数字功率放大器，控制了磁悬浮轴承负载线圈电流的实时变化，实现了转子的稳定悬浮。下面讨论此数字功率放大器在实现磁悬浮轴承负载线圈电流控制方面的性能。该数字功率放大器驱动波形的开关频率为25KHz，母线电压为200V，最大输出电流为4A。图8为此数字功率放大器输出为直流2A时的电流波形图及负载线圈驱动信号PWM波的波形图。图8 数字功率放大器跟踪直流信号如图8所示，示波器通道1对应于DSP产生的PWM驱动波形，通道2对应于经过FPGA移相处理的PWM驱动波形，通道3对应于负载线圈的电流波形，可以看出，通过数字功率放大器的实时控制，可以使负载线圈电流稳定在2A。 接下来讨论此数字功率放大器的动态性能。图9 数字功率放大器跟踪正弦信号数字功率放大器的输入信号是一个偏置为0V、幅值为10V、频率为400Hz的正弦波电压信号，输出为负载线圈的驱动电流。由图9可以看出，本文所研制的数字功率放大器能较好地跟踪此输入信号，信号失真小，可以适用于普通的磁悬浮轴承控制系统。将此数字功率放大器应用于五自由度磁悬浮轴承试验台，实现了磁悬浮轴承转子的稳定悬浮，由于传感器信号处理电路的输出电压范围是0+5V，稳定悬浮时，其输出电压应在2.5V附近，此时转子处于磁悬浮轴承的中心位置。本设计中，将转子稳定悬浮时负载线圈的偏置电流通过软件设置为了2A，因此稳定悬浮时，负载线圈的电流应为2A。下图为数字示波器抓取的静态悬浮试验波形。图10 静态悬浮时电流和位移波形图从图10中可看出位移信号电压曲线峰峰值小于100mV，本文采用的传感器灵敏度为20mV/m，因此静态悬浮时转子振动的峰峰值小于5m。4 结论本文主要研究讨论了三电平磁悬浮轴承数字功率放大器的工作原理及其三电平控制策略的实现方法。从DSP的内部结构出发，详细分析了DSP数字功率放大器的控制原理，为了实现三电平功率放大器的控制策略，总结出了一种经济可靠的方法，采用FPGA进行驱动信号PWM波的移相，并且研制成功了这种基于DSP、FPGA的数字功率放大器，此功率放大器的体积比传统的模拟功率放大器小，并且可以通过改变DSP、FPGA的程序来调整功率放大器的控制算法以及控制参数。由具体的试验结果可以看出，此数字功率放大器达到了磁悬浮轴承功率放大器基本性能的要求，实现了转子的稳定悬浮。磁悬浮轴承的负载是电感，因此本文所研制的数字功率放大器可推广