（电力电子与电力传动专业论文）新型磁轴承开关功率放大器的研究.pdf

新型磁轴承开关功率放大器的研究 a b s t r a c t t w ok i n d so fn o v e ls w i s h i n gp o w e ra m p l i f i e r sf o rm a g n e t i cb e a r i n g sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r s e p a r a t e l yu s i n g3 - l e ga n d4 - l e gt o p o l o g i e sa sm a i np o w e rc i r c u i t s t h e s et w ot o p o l o g i e sh a v e s m a l l e rs i z ea n dh i g h e ri n t e r g r a t i o nr a t et h a nt r a d i t i o n a lp o w e r a m p l i f i e r sf o rm a g n e t i cb e a r i n g s t h e yc a na l s o b eu s e da so r d i n a r yt h r e e - p h a s ei n v e r t e r s ，w h i c ho v e r c o m et h ed r a w b a c ko f t r a d i t i o n a lp o w e r a m p l i f i e r sw h i c h h a v eo n l yo n ef u n c t i o n i nt h i sp a p e r , t h r e e l e gs w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ri sc o n t r o l l e db ys v p w m t h e p r i n c i p l eo f s v p w mi sd i s c u s s e di nd e t a i la n dt h r e ek i n d so f s w i t c h i n gp a t t e mo fs v p w m a r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d n o d ep o t e n t i a lm o d u l a t i o n ，an e wc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f 4 - l e gp o w e ra m p l i f i e r , i sp r o p o s e d t h i sm e t h o d h a st h ev i r t u e so f s i m p l es t r u c t u r ea n di se a s yt o r e a l i z e ，h a v i n gt h es a m ee f f e c ta ss v p w m t h e3 - l e gs w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ra n dt h e4 - l e g p o w e ra m p l i f i e rb o t hh a v et h ea d v a n t a g e so f s m a l lc u r r e n tr i p p l ea n dh i g hu t i l i z a t i o nr a t i oo f v o l t a g e p r o t o t y p e so f3 - l e ga n d4 - l e gs w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r sc o n t r o l l e db yd s p a r ec o n s t r u c t e d b a s e do ne m u l a t i o nm o d e l s s i m u l a t i o nr e s u l t sa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t et h eh i g nq u a l i t y o f t h en o v e lp o w e r a m p l i f i e r s k e y w o r d s ：m a g n e t i cb e a r i n g ，s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r , 3 - l e g ，4 - l e g ，s v p w m ，n o d ep o t e n t i a l i i 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 新型磁轴承开关功率放大器的研究 变量符号说明 名称说明 爿 磁极截面积 丑 磁感应强度 c m ， 各比较寄存器比较值 d i 各开关信号的占空比 p偏心距 丘 开关频率 ， 输出电流基波有效值 i a ，i a ，i a三相电流 i 。三相输出电流之和的反相 i d r三相给定电流之和的反相 厶偏磁绕组电流 ，f控制绕组电流 i r 给定电流 l输出电流谐波有效值 负载等效电感 转子廪量 r l负载等效电阻 s扇区数 劢 控制周期 死，n ，乃，乃 基本电压矢量作用时间 u 。，u b ，u 。三相电压 u x ，u y ，u z各负载上的电压 w ，v 蚕虻， 各节点的初始电位 v 。，v b ，v 。，v 。 各节点的电位 k 。 功率管导通压降 x 磁轴承转子位移 z 0控制精度 j 定转子间气隙 叩 功放的效率 一0 空气磁导率 时间常数 甜 磁轴承转子的转速 v i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 磁悬浮轴承概述 第一章绪论 磁悬浮轴承是利用定子和转子之间的磁力作用将转子悬浮的一种新型轴 承。由于定、转子不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承的转子可达到很高的 转速，并且具有机械磨损小、能耗低、寿命长、无润滑无污染等优点，特别适 合高速、真空和超洁净等特殊的应用场合“1 。 1 1 1 磁轴承的种类 磁悬浮轴承按照不同的分类方法，会产生不同的磁轴承种类，通常主要按 照以下两种方式对其进行分类。 按照悬浮方式磁轴承可以分为主动悬浮磁轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ， 简称a m b ) 、被动悬浮磁轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g ，简称p m b ) 和混合 磁轴承( h y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g ，简称h m b ) 三大类“”。 主动磁轴承( a m b ) 由可控电磁力实现转子的悬浮，其阻尼和刚度都可以 调节而且承载力大。 被动磁轴承( p m b ) 由不可控的永磁力或超导磁力使转子悬浮，结构比较 简单，成本低，功耗小，但是它的承载力小，刚度不能调节，转子在临界转速 运行时，必须通过外加的阻尼机构来抑制系统的共振。 混合磁轴承( h m b ) 通常采用永磁材料来代替主动磁轴承中的电磁铁来产 生偏置磁场，由电磁铁和永磁体共同作用，实现转子的可靠悬浮。这样就可以 降低功耗，缩小磁轴承的体积。 按照支承力的不同，磁轴承又可以分为永磁斥力式、超导磁力式、电动式 和吸力式等几种类型“。 永磁斥力磁轴承借助永磁体同性之间的斥力实现悬浮，原理很容易理解。 人们最早研制磁轴承就是从永磁斥力磁轴承开始的。永磁斥力磁轴承的结构简 单，无需控制，但是其特性与无阻尼弹簧的性质很相似，运行的稳定性差，并 且永磁结构的转子不适合高速旋转，故在实际应用中不是很常见。 新型磁轴承开关功率放火器的研究 超导斥力磁轴承利用了超导体的抗磁性，磁体产生的磁场不能穿过超导体， 就会在磁体与超导体之间产生排斥力实现悬浮。近年来随着抗磁材料，特别是 高温超导材料的发展，给这种磁轴承带来了广阔的发展前景。 电动式磁轴承是利用通电导体在磁场中受到的洛仑兹力来实现悬浮的，这 种磁轴承又被称为洛仑兹力轴承。电动式磁轴承线性特性突出，各自由度之间 没有耦合，控制性能和精度好，能耗较低，但是承载能力较低，转子平衡性能 较差，对大负荷、高转速的地面旋转机械并不太适用。 吸力型磁轴承利用电磁铁与铁磁材料之间的吸力实现悬浮，与上面几种磁 轴承相比这种磁轴承更受人们的青睐。吸力型磁轴承除了具各上述磁悬浮轴承 的共同特点，如无机械接触，无摩擦，转速高，寿命长，噪音低，无需润滑能 适应真空、超洁净、极端温度等外，还有承载能力强，机械性能好及刚度、阻 尼系数可调等独特优点，因而成为磁轴承研究的焦点，并且成为应用最为广泛 的一种磁轴承。目前吸力型磁轴承已经被应用到高速磨头，汽轮机，真空分子 泵，卫星反作用飞轮、储能飞轮和卫星天线定位等诸多领域。 如果没有特别说明本文中所说的磁轴承均为吸力型磁轴承。 1 1 2 磁轴承的工作原理 限于篇幅的要求，本文只介绍吸力型磁轴承的工作原理。 吸力型磁轴承利用电磁铁和转子上铁磁材料之间的吸力来工作，它本身是 不能悬浮的，这一点与被动悬浮式磁轴承不同。一个完整的磁轴承系统通常由 磁轴承主体( 包括电磁铁、永磁体和转子等) 、位移传感器、控制器和功率放大 器等四部分组成。 图1 1 是径向和轴向磁轴承的工作原理图。当磁轴承的转子偏离参考位置 时，位移传感器就会检测到这一位置的变化，并以电压的形式传送给控制器， ( a ) 径向磁轴承工作原理( b ) 轴向磁轴承工作原理 图1 1 磁轴承i ：作原理图 南京航空航天大学硕士学位论文 控制器通过特定的算法根据位移信号求得将转子拉回到参考位置所需的控制电 流值，这一控制信号本身并不具备驱动磁轴承的能力，功率放大器将这个电压 形式的电流信号转换成控制电流，以产生磁力将转子重新拉回到参考位置，从 而维持转予的悬浮。 从控制的角度来看，功率放大器是磁轴承系统控制指令的执行者，它的作 用是将控制器输出的电压信号转变成具有驱动能力的控制电流，用以控制电磁 铁产生适当的电磁力，驱动电流的大小应正比于控制器的输出电压，因而功放 的性能直接影响到整个系统的动态和稳态的性能及控制精度等。 1 2 磁轴承的结构及控制策略 不同结构的磁轴承其控制方法也不尽相同，对功放环节的要求也有所差别， 而对于同一结构的磁轴承如果采用了不同的控制策略，那么对功放部分的要求 也要发生改变，因此有必要对磁轴承的结构和控制策略进行简要的分析说明。 1 2 1 磁轴承的结构 根据磁极分布的不同磁轴承的结构可以分为差动式和分布式两种。由于作 用于磁轴承转子的麦克斯韦力是吸引力，电磁铁并不能产生推力，而为了能使 磁轴承的转子在一个自由度上实现悬浮，必须能够控制转子在这一自由度上双 向移动，因此必须在这一自由度上用方向相反的一对电磁铁进行控制，如图1 1 是差动式磁轴承的典型结构，转子在每个方向上受到的力是两个磁极产生的吸 力的差值，它的名字就是由此而来的。径向上的两个自由度需要用轴线相互垂 直的两对电磁铁来独立控制以实现两自由度悬浮；分布式磁轴承的磁极是沿圆 周均匀分布的，其作用力是由不同方向的磁极产生的吸力合成而来，这就是其 与差动式磁轴承的不同之处，对其详细工作原理本文不作过多的说明。 根据磁极上绕组的不同绕制方式，差动式结构的磁轴承又可以分为磁场叠 加式和电流叠加式两类”“( 见图1 2 ) ，它们对功放的设计要求也有所不同。”3 。 ( 1 ) 磁场叠加式磁轴承 磁场叠加式磁轴承的磁极上绕有两套绕组如图1 2 ( a ) ，分别是偏磁绕组和 控制绕组。在偏磁绕组通过电流厶，控制绕组中分别通过电流厶t ，五z 以后，两 新型磁轴承开关功率放大器的研究 种电流产生的磁场相互叠加合成气隙中的磁场，电磁铁1 产生的电磁吸力为 r 一l ，电磁铁2 产生的电磁吸力为f o + 如，它们合力f r l + f 1 r 2 即为所需的电磁 l 攀 i 鞋 ( a ) 磁场叠加式( b ) 电流叠加式 图1 2 磁场叠加式和电流叠加式磁轴承示意图 力。偏磁电流厶由一恒流源提供，产生偏置磁场，每个磁极上的控制电流五可 以由单独的可控电压源产生，也可以将两个控制绕组串联后由一个可控电压源 供电，两个控制绕组流过相同的控制电流五，此时两个磁极产生的合力为2 f r 。 ( 2 ) 电流叠加式磁轴承 电流叠加式磁轴承，见图1 2 ( b ) ，每个磁极上只有一个绕组，在同一绕组 中通过偏磁电流和控制电流，由两种电流叠加以后在气隙中产生磁场，其效果 与磁场叠加式磁轴承中两个绕组的磁场叠加是相同的。电流叠加式磁轴承中电 磁铁1 的绕组流过厶l 电流，电磁铁2 通过厶“l 的电流，跟图1 2 ( a ) 磁场 叠加式磁轴承偏磁绕组施加厶偏磁电流，两电磁铁分别通过l 和如的控制电 流所产生的控制作用是一致的，因而这两种磁轴承的性能也是相同的，但是， 它们对功率放大器的输出电流要求却不一样。 ( 3 ) 两种磁轴承的比较 两种磁轴承的电流的偏磁电流和控制电流都要满足下面的关系： i ，o + i r - 0 ( 1 - 1 ) 【厶一i r 0 即：i o 0 且一厶，r 厶，偏磁电流是一个稳态的直流量，而控制电流是双极性的 交变电流。 在磁场叠加式磁轴承中，两个偏磁绕组由同一直流电源供电，静态工作点 一致，便于统一调整；控制线圈中的只有双极性交变电流通过，控制简单，且 4 南京航窄航天大学硕士学位论文 电流一般不大，对开关管的要求不高，由于控制电流要由功率放大器来提供， 因此功放必须可以输出双向电流；同一方向的两个控制绕组可以串联或并联后 由同一个功率放大器驱动，这样就可以减少所需功放的数量，降低成本l “1 。 在电流叠加式磁轴承中，控制绕组中的电流分别为厶+ 2 和厶一上z ，包含了 控制电流和偏磁电流，但是厶+ ，r 2 i 0 ，厶一上2 0 ，所以功率放大器只需提供单 向电流即可，功放的控制比较简单；两个绕组中的电流变化方向相反，故不能 用同一功放来驱动，所以每个自由度的绕组都需要两个独立的功放来驱动，功 放的数量比磁场叠加式要多一倍“。 这两种磁轴承中的偏置磁场如果由永磁体来提供的话，就可以取消偏磁绕 组及其驱动电源，使电磁铁的安匝数减少一半，可以减小磁轴承的体积，并且 提高承载能力，这就是永磁偏置混合磁轴承。混合磁轴承由于使用永磁体产生 的磁场作为偏置磁场，具有低功耗，高功率密度等优点“”1 ，近年来逐渐成为磁 悬浮轴承领域的一个研究热点。 1 2 2 磁轴承的控制策略 磁轴承在单边气隙内产生的电磁力为：f ：丝，在差动工作方式下，磁轴 卢o 承转子在一个自由度上受到的电磁力为： f - - ( 霹一研)( 1 2 ) 0 由于磁感应强度b 随定予绕组电流或电压的的改变而改变，所以通过控制电流 或电压同样可以获得所需的电磁力，故按照磁轴承被控对象的不同，其控制方 式可以分为：磁链控制、电压控制和电流控制。1 。 ( 1 ) 磁链控制方式 在磁链控制方式中，磁感应强度被控制在线性区域 l b i = b o b r l b 2 = b o + b r 风和所分别由偏磁电流和控制电流产生。磁轴承的电磁力f 和磁感应强度满足 f ：4 a b o b ， ( 1 3 ) 5 新型磁轴承开关功率放大器的研究 可见通过控制磁轴承定、转子气隙中的磁链就可以控制电磁力的大小，实 现转子的悬浮，原理框图如图l | 3 。 ( 2 ) 电压控制方式 图1 , 3 磁链控制原理图 为了避免使用磁链观测器，可以根据电磁感应原理对磁轴承中的电磁力间 接进行控制。在电压控制磁轴承中f - u 方程为： ，= 器x 2 + 辫肌国 ( 1 _ 。) ( 万；一) 2 。占孑一x 2 j 0 。，。 、 图1 4 是这种控制方法的原理图。 fl 一电流传感器 ol 图1 , 4 电压控制原理图 ( 3 ) 电流控制方式 磁轴承绕组中的电流和磁感应强度的关系为： 岛= 1 u 0 n 丽( 1 。- i r ) 吃= 1 2 0 n 而( i o + i t ) 所以式( i - 2 ) 可以表示为： f ：1 2 0 a n 二( ! 出) 2 一( 尘量) 2 】 ( 1 5 ) 4 。南+ x 。r i o x 。 图1 ，5 是电流控制方式的原理框图。 前两种控制方式本质上都可以看作是将绕组上的电压作为控制对象，属于 电压控制方式，最后一种控制方式将绕组的电流当作受控参数，为电流控制方 式。对应于上述两种控制方式，按照功率放大器的输入一输出关系，功放可分 为两类：电压一电压型和电压一电流型。电压一电压型功率放大器控制电磁铁 6 南京航空航天大学硕士学位论文 图l ，5 电流控制原理图 绕组两端的电压，输出电压与给定电压信号相位一致，由于绕组是感性负载， 输出电流要落后于输入电压一个相位，所以电磁力必然也滞后于给定信号。若 能使输出电流与给定信号同相位，则可以将给定信号和电磁力建立直接的联系， 使系统的特征方程降低阶，这就是采用电流控制的目的，这时需要一种电流 一电流型的功率放大器，此放大器输出阻抗大，对不同负载的适应能力强，具 有一定的互换性，并且系统的自稳定性较强，抗干扰能力提高“，实际使用的 磁轴承广泛采用电压一电流型功率放大器。如果不做特殊说明，本文中所提到 的磁轴承功率放大器均指电压电流型开关功放。 1 3 磁轴承对功率放大器的要求 磁轴承功率放大器通常可以用图1 6 来表示，埒为电流反馈系数，凰为综 合考虑了放大、电压转换等因素后的系数，。是磁轴承定子绕组上的等效电感 ( 绕组的电阻一般都比较小，通常忽略不计) 。 唧# 斗 l 一垒卜一 图1 6 磁轴承功放的结构框图 在选择或设计磁轴承的功率放大器的时候，必须要考虑到磁轴承的特殊性， 磁轴承作为一种特殊的机电装置，对外提供的有用功一般不会太大，磁轴承系 统中的功率损耗大部分集中在功率放大环节，为了降低系统的功耗，要求功放 具有较高的效率；功放输出电流的纹波会引起转予的振动，增加机械噪声，同 时还会在定子中造成额外的铜损和铁损，发热量增加，因此功放的输出电流纹 波不能过大：磁轴承的控制力响应速度直接影响到磁轴承的性能，这就要求功 放的输出电流响应速度要快，通常需要电压较高的直流电源；对于一个五自由 度的磁轴承系统而言，任何一个功放出现故障都会造成系统的瘫痪，严重时甚 7 新型磁轴承开关功率放大器的研究 至会导致系统损坏，故要求功放的可靠性要很高，最好具有冗余设计，允许一 路或多路功放失效时系统还能正常工作嘲。 1 4 研究背景及意义 开关功率放大器相对于早期使用线性功率放大器而言，具有体积小，效率 高等优点，在一些功率较大的场合得到了非常广泛的应用，是磁轴承理想的功 率放大器，因此目前的磁轴承大多数采用开关功率放大器。现在使用的磁轴承 开关功放，特别是由模拟器件构成控制电路的开关功放，大都是每路输出采用 独立的控制器，电路比较复杂，并且磁轴承开关功率放大器功能单一，一般只 能实现电流或电压的功率放大，成本较高。本文采用三桥臂和四桥臂的功率转 换电路作为磁轴承开关功放的主电路，产生了两种新型的磁轴承开关功率放大 器。它们可分别控制磁轴承两个和三个自由度的绕组，这样不但可以使功率管 的数目减少，易于实现数字化控制简化了控制电路，进一步缩小功放的体积， 而且只需改变控制程序就可以将这两种功放当成普通的逆变器来使用，解决了 以前磁轴承功放功能单一的缺陷，大大增加了磁轴承开关功放的通用性。 1 5 论文工作与内容安排 本文对基于s v p w m 的三桥臂磁轴承开关功率放大器的工作原理作了详细 分析，并对它进行了仿真和实验验证，给出了实验结果。本文还首次采用用四 桥臂的电路拓扑作为磁轴承开关功率放大器的功率转换电路，并提出了一种简 单高效的控制方法，极大地简化了控制算法，文中对这种控制方法进行了仿真， 并在此基础上研制了一台原理样机，通过一系列的实验验证了其可行性。 这两种新型的开关功放不但可以减少开关管的数目，降低功放的开关损耗， 减小系统的体积，便于功放的小型化、集成化和模块化，而且还使开关功放功 能单一问题得到很好地解决，只要改换控制程序就可以将这两种开关功放当作 三相变频器来使用，使功放的使用范围增加，其通用性和互换性也大大提高。 论文的各章内容安排如下： 第一章简要介绍了磁轴承的分类，其中重点介绍了吸力式磁轴承的工作原 理、结构和控制策略，阐述了磁轴承对功率放大器的要求，最后对本文的研究 南京航空航天大学硕士学位论文 工作和各章的内容安排作了说明。 第二章介绍了功率放大器的分类、特点和磁轴承功率放大器的部分性能指 标，总结了目前磁轴承功率放大器的主要电路结构和控制方法，介绍了磁轴承 开关功率放大器的主要发展方向，由此引出本文的研究内容。 第三章介绍了新型的三桥臂磁轴承开关功率放大器的工作原理，详细地分 析了s v p w m 控制方法在这种功率放大器中的应用，分析和比较了几种不同的 s v p w m 控制算法；用m a t l a b 对它们进行了建模和仿真验证；最后对硬件部分 的几个主要电路进行了介绍。 第四章首先介绍了四桥臂结构的功率变换器常用的几种控制方法，然后提 出了一种更为简单且高效的控制方法，总结出三种有代表性的实现方式，并对 这三种控制方式进行了仿真和分析。分析比较后发现，这三种方法均能很方便 地达到s v p w m 的控制性能，且控制算法大为简化。最后介绍了功放的硬件构 成和部分辅助电路。 第五章介绍了两种新型开关功率放大器的控制软件流程，对各种控制算法 进行了较为详细的说明，并给出了它们的实验结果和实验分析。 第六章总结论文所作的工作，提出了需要进一步解决的问题及后续的工作 设想。 9 南京航空航天人学硕士学位论文 第二章磁轴承功率放大器概述 伴随着电力电子器件的发展，功率放大器主要经历了以下三个阶段：第一 个阶段是采用电子管的放大器：第二个阶段是采用晶体管的放大器；第三个阶 段是晶体管开关( 数字) 放大器。目前，功率放大器无论是在日常生活中，还 是在工业中，甚至在国防工业中都有着非常广泛的应用。 2 1 功放的分类及各自的特点 功率放大器有不同的分类标准和方法，按照所用的功率器件的不同，功放 有晶体管功放、电子管功放和集成块( i c ) 功放之分。若按照输出级功率器件 的工作状态来分类，功放可分为甲类( a 类) 、乙类( b 类) 、甲乙类( a b 类) 功放、丙类( c 类) 和丁类( d 类) 功放。，其中前丽三类是线性功放，功率 管的工作点在线性放大区，丁类是开关型功放，功率器件有两个工作状态：饱 和导通与完全截止。 甲类功放的输出级存在很大的静态电流，在信号的整个周期，功放输出级 的任何功率器件上都始终有电流通过，而不会出现截止( 即停止输出) 。甲类放 大器的效率很低，理论上最高为5 0 ，因此甲类功放在工作时会产生高热，对 散热器和功率管的要求苛刻，比较笨重且成本较高，难以普及，突出的优点是 失真小。 甲类功放低效率的原因是输出级始终存在一个较大的静态电流，如果将静 态电流减小到零，效率就会有很大的提高，这就是乙类功放的原理。理论上乙 类功放的效率可以达到7 8 5 。乙类功放如果采用单端放大结构，会出现信号 的一个半周没有输出的严重问题，这是因为半导体器件只能单向导电，对于没 有静态电流的单只放大管来说，必然会无法反映某个半周电流信号的变化，出 现波形的严重失真，因此人们用推挽输出的电路结构，分别用两组输出器件轮 流放大信号的正负半周，从而在负载上合成一个完楚的波形。乙类功放较甲类 功放虽然效率提高了，但是却带来了交越失真和开关失真。 甲乙( a b ) 类功放，顾名思义就是介于甲类和乙类功放之间的一种功放， 新型磁轴承开关功率放大器的研究 它的输出级施加了一定的静态电流，交越失真和开关失真明显的削弱，因为静 态电流没有甲类功放那么大，效率也有较大的提高，成为应用最为广泛的线性 功放类型。甲乙( a b ) 类功放的效率更高些，这是把晶体管当成理想的，不计 损耗时的情况，实际上，a b 类的最好效率也只有7 0 ”“”。 为了提高甲乙类功放的效率，人们对其进行了改进，使它工作在多组电源 上，在低电平信号工作时，用低电压电源供电，这样在晶体管上的电压降就会 减小，从而减少损耗，提高效率，当输出电压上升至接近低压电源的电压时， 电路就会切换到高电压电源，使功放能够正常工作。 上面这种工作状态常又被称为g 类，它比a b 类更复杂些，但是效率更高， 失真特性只是在电源切换点稍微变大些。高性能g 类功放采用的电源电压可以跟 踪给定信号的变化，使晶体管上的电压降尽可能的低并保持恒定。像这样增加 效率的新设计，放大器的功率管始终工作在线性放大区域，在没有输入信号时， 静态电流的损耗是不可避免的，这就是制约线性功放效率不能提高的关键因素。 为了克服线性功放的缺点，提高输出功率和效率，人们研制了开关型功率 放大器，使输出级晶体管像开关那样工作，则在所有的工作电平上，功放的效 率理论上将提高到1 0 0 ，解决了效率和功率之间的矛盾。开关功放的关键在于 如何设计电路结构，使两个固定的状态( 开通和关断) 所产生的脉冲能够代表 不断变化的连续模拟信号，有几种控制电路提供了这种可能性，其中最流行的 是脉冲宽度调制和脉冲密度调制。脉宽调制是d 类功放的最基本的工作方式，其 基本思想就是产生一系列的脉冲，每个脉冲的宽度( 或持续时间) 正比于每一 瞬时的模拟信号电压值。实现方法是载波交截法，即用给定的模拟信号与高频 的三角波信号进行交截，当模拟信号值比三角波大时，开关管动作输出高电平， 反之就输出低电平。 这种方法的缺点就是会产生失真，因为在每次进行比较后，模拟信号还是 在不断变化的，这时候功放不能响应给定信号的变化，必然会使输出信号失真。 在简单的p w m 系统中失真主要取决于给定信号的频率和电压，当给定信号变化 越快( 频率越高或幅值越大) ，则失真就会越大，减小失真的办法就是减小载波 的周期以提高开关频率( 相当于对给定信号更快的采样) ，但是这样并不能彻底 消除失真。 开关功放虽然出现的时间不算太长，但是却得到了迅速的发展。国外已经 采用p w m 脉宽调制技术制造出了集成的开关功率器件，如美国德州仪器公司 1 2 南京航空航无大学硕士学位论文 和a p e x 公司就相继推出了p w m 型音频功放用的集成电路器件，效率高达 9 7 o “。在效率提高的同时，开关功放的输出性能也在不断改善，如文献 1 1 中的开关功放具有数字修正功能，其总谐波失真可达00 0 6 ，性能超过部分商 品化的a b 类功放。文献 3 0 采用多个开关功率模块并联以后，最大功率可达 2 8 0 k w ，开关频率1 5 0 k h z ，效率为9 3 。现在新型的开关功率放大器正在尝试 用d s p 芯片开发d p p c ( 数字脉冲功率转换器) ，其载波频率可变，且频率相当 高可达m h z 级，对功率管的高频开关性能提出了更为严格的要求。 2 2 磁轴承开关功率放大器的性能参数 磁轴承功率放大器的作用是将控制器产生的弱电控制信号按照一定的比例 转化成具有驱动能力的电流或电压，用来驱动执行元件( 定子绕组) 以获得所 需的电磁力。为了满足磁轴承的性能要求，功放必须能将控制信号准确的转化 成输出电流或者电压，并且要求功率放大器能够在不失真或低失真的情况下， 输出足够大的功率。这是对磁轴承开关功放最基本要求，具体的性能参数指标 主要有以下几个。 2 2 1 功放的电流响应速度 磁轴承的两个重要参数是最大电磁力和力的回转率，开关功放的设计首先 要满足这两方面的要求，以便使磁轴承的性能完全发挥出来。最大电磁力对应 着磁轴承的最大输入电流，即功放的最大输出电流，而电磁力的回转率与功放 的电流响应速度相对应。功放的最大输出电流一般通过选取适当的功率器件就 能保证。 当控制信号期望的电流变化率大于功率放大器的最大响应速度时，功率放 大器的输出电流波形相对于控制信号就会产生相位滞后，当滞后严重时甚至会 影n 向到系统的闭环稳定性o 。在线性功放中为了得到所需的电流响应速度，通 常要增加电源电压，但是这样却带来了一个严重的问题，那就是线性功放本来 就不高的效率会变得更小。如果采用开关功率放大器就不会出现这样问题，所 以可以用提高直流母线电压的方法来提高电流的响应速度，但是功率管在不停 地开关过程中会使得输出电流的纹波显著的增加。 可见，磁轴承开关功放的直流母线电压u d c 并不能随意选取。首先，赢流 新型磁轴承开关功率放大器的研究 母线电压要满足电路正常工作时的要求u d c 2 v o 。+ 球l ，其次还要满足负载电流 调整时的需要u d c 2 v o 。+ i r l 也别出( v o 。为功率管的导通压降，盹为负载阻抗， 为负载等效电感) 。 假设质量为m 的刚性转子由可控的电磁力以来支撑，扰动完全由转子质量 分布不平衡引起，那么转子的运动方程可以写成 j2 一 m 生= 只一m e 2 p 删( 2 - 1 ) m 线性电磁力& = k z z + k i f r ，所以控制电流i 。为： f r = ( 坍盟每一k ：z + m e 2 e j 国) 厍f ( 2 2 ) d t 。 ， 将f z 0 一“带入方程( 2 - 2 ) 可以得到 i r = ( m zo 甜2 e j 由一k z z o e j 国+ 搠ec 0 2 e ，) 五f = ，f p ，曲 ( 2 3 ) i c = ( 聊z o 2 一k ：z o + m e c 0 2 ) k ，式中g ，恐和墨分别表示偏心距，负位移刚 度系数和电流刚度系数。 方程( 2 3 ) 表明控制电流不仅由最大允许振动幅度z o ( 控制精度) 决定， 还要受到转子的转速影响。当转速增加以后，控制电流i 。也要迅速的增加以 满足高速时的动态性能要求。 直流母线电压最终可以根据控制精度、控制电流和磁轴承定子绕组的参数 来选择“3 。 22 2 开关功放的效率 功放的效率通常可以用输出功率与输入功率的比值来表示。开关功率放大 器的功率损耗同其控制策略一样都受到功率转换电路及功率器件的影响。功率 放大器的功率损耗包含开关管的导通损耗、续流二极管的导通损耗、开关管的 开关损耗及电解电容和杂散电阻上的功率损耗等。在电解电容上的功率损耗与 其等效串联电阻和电流的交流分量有关，但是这部分损耗一般比较小，与功率 管上的损耗相比在计算中通常可以忽略不计。开关功放的效率可以表示为： 智：孕p i n f - p s ( 2 - 4 ) 只。 式中p o 。，和p s 分别表示开关功放的输出功率，输入功率和损耗功率0 1 。 2 2 3 功放的输出电流纹波 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 开关功率放大器的一个不足之处就是输出电流通常会含有较大的纹波，过 大的电流纹波会给磁轴承带来一些不利的影响。电流纹波不但会使磁轴承产生 噪声，定子的铜损和铁损增加，使得磁轴承温度升高，而且还会影响到磁轴承 的性能；由于电磁力是电流的函数，所以电流纹波的增加会给电磁力带来较大 的波动，磁轴承的机械振动就会加剧，特别是在开关频率较低的情况下机械振 动更为明显“7 l 。 2 2 4 功放的失真度 磁轴承功率放大器的失真主要有谐波失真和相位失真等。谐波失真又可称 为总谐波失真( n d ) ，对于电压一电流型开关功放而言，t h d 可定义为：除基 波电流以外所有谐波电流的有效值与基波电流有效值的比值，即 t 黔巫互 i s l 医k vn = 2 ( 2 5 ) 显然，功放输出电流的纹波越大，谐波失真就越大。相位失真是指信号由放大 器输入端到输出端所产生的相位差，主要表现在输出电流的相位滞后于给定信 号，当相位差过大时就会影响到系统的闭环稳定性。 2 2 5 功放的开关频率 开关功放的开关频率对其性能是非常重要的，开关频率取的越高则功放的 上限截止频率就越高，功放的动态性能就越好；然而，开关频率越高功率器件 的开关损耗就越大，同时对控制器的要求就越高，一般来说，开关频率不能小 于功放的上限截止频率的1 0 倍，即疋1 q 疋1 。由于磁轴承转子以6 万转分的最 高转速旋转时，控制电流的基波频率的频率为l k i z 。本文中功放的开关频率设 定为4 0 k h z ，完全可以满足使用要求。 2 3 磁轴承功率放大器的功率转换电路 由于线性功放使用的相对较少，本文只对开关功放的功率转换电路作归纳 和说明。由于磁轴承本身具有特殊性和多样性，对功放的要求也各不相同，开 关功放的功率转换电路就出现了各种各样的形式，比较常见的主要有以下几种 结构。”“4 ，见图2 1 。 新型磁轴承开关功率放大器的研究 _ _ r i 。h 。_ j 一、 一：l djs k i r ； 土；1 唑i j c 乏 li 。， i，； l _ j 。? f s k l l- _ _ ( a )( b ) 图21 磁轴承开关功放的主电路结构 a 结构开关管s k 导通时，加在电磁铁的线圈上的电压为直流母线电压，线圈 中的电流快速上升。开关管关闭时，线圈中的电流经二极管d 续流，施加于线圈 上的电压为0 ，电流以缓慢的速度下降。这种电路拓扑的功放，电流只能单向流 动且不能很好的跟踪急剧减小的电流信号，动态性能不能令人满意，但是它结 构简单只需一个开关管和快速二极管。 b 结构中开关管s k 导通时输出电压u d c ，线圈中的电流迅速增加；s k 关断时 二极管d 导通一u d c 力l ：l 在线圈两端，电流急剧减小。动态性能比a 结构要好，也只 需一个开关管和快速二极管，但却要两个独立的直流电源供电。 c 结构功放工作过程与b 结构相同丽不需要两路直流电压供电，所需的器件 也一样，但是磁轴承的线圈必须双股并绕。 d 结构中s k i 导通时输出电压u d c 2 ，s l a 导通时输出电压一u d c 2 ，电流可以双 向流动，动态性能不错，需要两个开关管和分压电容，并且要采取特殊措施来 保证两分压电容的中点电压不发生漂移。 e 结构只能输出单向电流，s s k 2 都导通时输出电压u d c ，都关断时输出电 压u d c ，只有一个管子导通时输出电压为0 。动态性能好，需要两个开关管和快 速二极管。 f 结构可以输出双向电流，s k i ，s “导通时输出电压u d c ，sk 2 is k 3 导通时输 出电压一u d c ，只有一个开关管导通时，输出电压为0 。可以获得良好的动态响应 性能，但是需要4 个开关管，成本也最高。 这几种结构分别有自己的优点和缺点，实际的设计中可根据磁轴承的特点、 性能要求和成本选用。 2 4 功放的控制方法 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 开关功放通常都是采用脉冲调制的手段来进行控制的，功放的开关管工作 时，不断的导通、关断必然使得输出电流存在着大量的谐波，这也是开关功放 的一个不足之处。为了减小电流的纹波可以提高开关频率，但这会使开关损耗 升高，效率降低，所以只能选择一折衷的开关频率。除了提高开关频率，选用 合适的控制方法也可以减小电流的纹波。 目前，磁轴承开关功放所用的控制方式主要有脉宽调制、电流滞环控制、 采样一保持控制及最小脉宽调制”，其中采样一保持控制和最小脉宽调制可看 作是从电流滞环控制和脉宽调制发展而来的。 2 4 1 脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 如图2 2 将给定电流与输出电流的反馈作差，经电流控制器处理后当作基准 波( 调制波) 与一定频率和幅值三角波( 载波) 交截来产生p w m 开关信号，在 线圈两端施加一系列的脉冲电压，使线圈中的电流跟踪给定信号不断地变化。 这种方法的开关频率是恒定的，始终等于载波的频率；控制器的增益受载波斜 率的限制不能取的太大，否则就会在一个载波周期内出现多个交点从而使开关 管多次动作，这就使功放的动态性能和通频带宽受到影响。 图2 2 脉宽调制原理框图 2 4 2 电流滞环控制( c u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r 0 1 ) 电流滞环控制规定了一个滞环宽度i ，输出电流只能以给定电流信号为中 心在此范围内波动。当输出电流到这一环宽的上限时，开关管动作，给线圈施 加负母线电压u d c ，电流迅速减小；当输出电流达到下限时，加在线圈两端的 电压为母线电压u d c ，电流快速增加，输出电流始终在这样的误差带内变化，图 2 3 是其原理框图。这种方法的开关频率是变化的，由滞环宽度、直流母线电压 和负载共同决定给控制。为得到较小的电流纹波，通常开关频率会比较高，开 关损耗较大。另外，当给信号快速变化或直流母线的电压较高时，会产生过窄 的脉冲开关信号，造成功率管失效。 1 7 新型磁轴承开关功率放大器的研究 图2 3 电流滞环控制原理框图 2 4 t 3 采样一保持控制( s a m p l e h o l d ) 采样一保持控制可以看作是采样保持策略矛1 b a n g - b a n g 控制的结合，在比较 器和驱动电路之间串联一个由时$ 0 f 】c l o c k 驱动的d 触发器作为采样一保持器( 图 2 4 ) ，以限制开关频率。在c l o c k 信号的上升沿对比较器的输出状态进行采样并 保持一个时钟周期，由比较器的输出来决定这一周期的输出电压为u d c 还是 一u d c 。这种方法中允许开关管连续一个或几个周期都是开通或关闭的，因此有 利于提高电流的响应速度，其最大电流增益只与线圈电感和直流母线电压有关， 频带宽。但是，开关管只在时钟的上升沿动作，驱动脉冲的宽度不能任意调节， 控制精度不高。 图2 4 采样一保持控制原理框图 2 4 4 最小脉宽控制( m i n i m u mp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 最小脉宽控制是为了克服电流滞环控制中的窄脉冲缺陷而提出的，其原理 和滞环控制基本相同，只是在脉冲成型器中增加了脉冲宽度选择的环节，将宽 度小于给定值t 的窄脉冲去掉而大于这一宽度的脉冲才能输出，原理图见图2 5 。 出于要对脉冲宽度进行判断，必然使驱动脉冲延迟了时间t 才输出，不可避免的 存在输出电流滞后，同时还具有开关频率不固定的缺点。 1 8 图2 5 最小脉宽控制原理框图 以上的几种控制方法都是两电平( 或两态) 的，即输出电压只有u d c 乖j u d c 南京航空航天大学硕士学位论文 两种，线圈中的电流相应地只有快速增加和减小两种状态，电流纹波比较大并 且随直流母线电压的增加而变大，这不利于动态性能的提高。 自z h a n g j i n g 提出三电平磁轴承开关功放的概念并研制成功同步三电平 p w m 功放以来“”“1 ，出现了多种三电平( 三态) 功效，像三态采样一保持开关 功放“，三电乎p w m 功放等。“。所谓的三态( 三电平) 开关功放，就是在原 来两态的基础上再增加一种零电压的输出状态，线圈内的电流除能量吸收和能 量回馈状态外又增加一种自然续流的状态。三态功放的电流纹波大大减小，且 不受直流母线电压的影响；在较低的开关频率下就可使电流纹波很小，降低了 开关损耗，提高功放的效率；可以通过提高直流母线的电压来提高系统的动态 性能。 2 5 本文所研究的新型开关功放 上面所介绍的都是传统磁轴承开关功放，一直以来都是单独设计的，较高 的成本成为制约磁轴承推广应用的一个重要因素，因此如何降低系统的复杂程 度和成本就显得很迫切。本文中所研究的两种新型开关功放分别采用三桥臂和 四桥臂拓扑作为功率转换电路，可同时驱动磁轴承两个和三个自由度的绕组， 这样不但可以减小功放部分的体积和复杂程度，而且只需改变控制程序就可以 当成普通的三相逆变器来使用，功放的通用性大大提高，可以降低成本。因此 无论从实用性还是从经济成本来看，对这两种新型磁轴承开关功放的研究都具 有非常大的价值。 本章小结 本章首先介绍功率放大器的种类和各自的特点，着重介绍磁轴承对开关功 放的要求和磁轴承开关功放的性能指标等。对目前磁轴承开关功率放大器的功 率转换电路的拓扑和控制方法作了详细的总结和分析，并在此基础上提出了后 面两章将要研究的内容。 】9 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章三桥臂开关功放的仿真及研制 目前磁轴承开关功放的功率转换电路多采用半桥、改进半桥或全桥结构”， 每个功放只能驱动一个绕组或者一个自由度的绕组，一套五自由度的磁轴承系 统则至少需要5 个这样的开关功放，使得功放部分的体积很庞大，复杂程度和 成本都较高。如果能用一种通用而且集成度高的开关功放来代替目前的功放， 使磁轴承系统中功放环节的体积减小，复杂度降低，必然会对磁轴承的实用化 起到很大的推进作用，这就是本章和第四章所做工作的主要目的。本章研究的 功放采用三桥臂结构作为功率转换电路，可以同时驱动磁轴承两个自由度的绕 组，这种功放只要改变控制程序就可以当成一台普通的三相逆变器来使用，具 有较大的通用性。 3 1 三桥臂开关功放的特点 本章的功放功率主电路采用三个半桥组成的三桥臂基本电压源拓扑，这种 三桥臂功率变换器可以产生三路输出，有三种连接方式：连接、y 形无中线 连接和y 形有中线连接。本章只对前两种连接方式进行讨论，对y 形有中线连 接方式的分析将在第四章展开。 连接中，如图3 1 ( a ) ，由基尔霍夫电压定律，三相负载的电压u 。，u b ， u 。满足：u 。+ u 。+ u 。= o ，而对于y