（电力电子与电力传动专业论文）磁轴承开关型功率放大器的研究.pdf

磁轴承开关型功率放大器的研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f h i g h s p e e dm a g n e t i cb e a r i n g ，t h eh i g h e rr e q u i r e m e n t so fp o w e r a m p l i f i e ra r er a i s e di n c l u d i n gh i g hp e r f o r m a n c ea n dh i g he f f i c i e n c y s w i t c h i n gp o w e r a m p l i f i e ri sp o p u l a r l yu s e d b e c a u s eo fi t sv i r t u e so fl o w p o w e rl o s s e s ，h i g he f f i c i e n c ya n d h i 曲f r e q u e n c yb a n d w i d t h t h es t a n d a r dc u r r e n tc o n t r o l l e db i s t a t ep w m s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e rh a si t si n t r i n s i c d e f i c i e n c i e s ，s u c h a s s i g n i f i c a n t h a r m o n i cd i s t o r t i o na n dr e s t r i c t i o no ft h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hh a v es e r i o u sn e g a t i v ee f f e c t so nt h em a g n e t i cb e a r i n gs y s t e m t o o v e r c o m et h e s e d r a w b a c k s ，t h e a p p l i c a t i o n o fc u r r e n tc o n t r o l l e dt r i s t a t ep w m t e c h n o l o g yt o t h es w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ri s p r o p o s e d ，w h i c hc a np r o v i d eb e r e r d y n a m i cr e s p o n s ec o m b i n e dw i t hl o w e rh a r m o n i cd i s t o r t i o n t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e g e n e r a ld e s i g n r u l e so fs w i t c h i n g p o w e ra m p l i f i e r a n d a n a l y s e s d i f f e r e n tc o n t r o l s t r a t e g i e s s i m u l a t i o nc o m p a r i s o n sv e r i f yt h es u p e r i o rp e r f o r m a n c eo f t h et r i s t a t ep w m t e c h n o l o g y e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec u r r e n t - c o n t r o l l e dt r i s t a t ep w m s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e rb a s e do ns a m p l e h o l ds t r a t e g yh a sh i g hf r e q u e n c yb a n d w i d t h a n df a s td y n a m i cr e s p o n s ei naw i d el o a dr a n g e ，w h i c hc a r lw e l lm e e tt h ed e m a n d so f h i g h s p e e dm a g n e t i cb e a r i n g k e y w o r d s ：s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r ,m a g n e t i cb e a r i n g ，s a m p l e h o l d ， c u r r e n t c o n t r o l l e dt r i s t a t ep w m i i 南京航空航天大学硕士学位论文 i i 磁悬浮轴承 i i 1 磁悬浮轴承概述 第一章绪论 磁悬浮轴承( 以下简称磁轴承，m a g n e t i cb e a r i n g ) 是利用磁力作用将转子悬浮 于空间，使转子和定子之间没有机械接触的一种高性能轴承。它是集机械学、力学、 控制工程、电磁学和计算机科学于一体的最具代表性的机电一体化产品。与传统的滚 珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，具有许多突出的优越性。由于磁轴承不存在机 械接触，转子可以达到很高的运转速度，且具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命 长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空和超净等特殊应用场合。 目前国际上已经将其成功地应用于机床主轴、离心压缩机、分子涡流泵、汽轮发电机 等设备上。 按照悬浮磁场性质不同，可以将磁轴承分为以下三类： ( 1 ) 主动磁轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ，简称a m b ) ：由受控的电磁力实 现转子悬浮，具有阻尼和刚度可调、承载力大等优点。 ( 2 ) 被动磁轴承( 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 ) ：由不可控的永磁力 或超导磁力实现转子部分的自由悬浮，具有结构简单、成本低、功耗小等优点，但它 的承载力小，刚度不可调，在转子运转到临界转速时，必须通过外加的阻尼机构来抑 制共振。 ( 3 ) 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 ) ：由电磁铁和永磁体 产生的磁力共同作用，实现转子的稳定悬浮。 以上三种磁轴承中，目前应用最广的是主动磁轴承。混合磁轴承由于用永久磁铁 产生的磁场作为磁轴承的静态偏置磁场，这不仅可以显著降低功率放大器的功耗，而 且可以减少电磁铁的安匝数，缩小磁轴承的体积，提高磁轴承的功率密度，因而成为 近年来磁悬浮领域内研究的一个热点。 1 1 2 磁悬浮轴承系统的组成和工作原理 磁轴承通常利用定子上的电磁铁与转子上铁磁材料之间的吸力实现支撑。它本身 是不稳定的，必须在控制系统的作用下才能正常工作。磁轴承加上其控制系统，就构 成了一个完整的磁轴承系统。一套完整的磁轴承系统通常由磁轴承本体、位移传感器、 控制器、功率放大器等几部分组成。其中功率放大器和电磁铁通常被统称为系统的执 磁轴承开关型功率放大器的研究 行机构。除此之外，磁轴承系统还必须配备机械轴承作为辅助支撑。 图1 - 1 磁轴承系统工作原理框图 电 磁 铁 感器 图卜l 所示为磁轴承系统工作原理框图。位移传感器检测出转子偏离参考点的位 移，作为控制器的微处理器将检测到的位移转换成控制信号，然后功率放大器将这一 控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而使转子维持其悬浮 位置不变”“。 为实现刚体转子的稳定悬浮，需要两个径向磁轴承( 各构成x 、y 两个方向) 和 一个轴向磁轴承( z 方向) 对它的五个自由度进行控制，如图卜2 所示。 径向磁轴承轴向磁轴承电机径向磁轴承 图i 一2 五自由度全悬浮电机系统 1 2 磁轴承功率放大器概述 功率放大器( 简称功放) 是磁轴承系统的一个重要部件，它根据控制器的输出在 磁轴承定子线圈中产生成比例的电流信号。以产生所需要的电磁力，从而使转子运动 到控制器所设定的位置。功率放大器是控制器控制命令的执行者，它的性能对整个系 统有着重要影响。首先，功率放大器作为磁轴承的部分，其传递函数对系统的状态 方程有影响“5 ”1 ；其次，功率放大器作为系统控制命令的执行环节，能量消耗最大， 如何降低功放的能耗，提高能量转换效率是功放设计的主要目的之一；第三，磁轴承 2 南京航空航天大学硕士学位论文 本身所具有的特殊性使得磁轴承功放的设计不同于一般的功放，这增加了功放设计的 难度和多样性“9 。2 “。在磁轴承的发展过程中，伴随着电子器件的发展和现代电子技术 的成熟，出现了多种形式的功率放大器，具体介绍如下： 1 2 1 线性功率放大器 线性功率放大器( 简称线性功放) 由于结构简单、实现容易、调试方便，因而在 早期小功率等级的磁轴承系统中得到广泛应用。图卜3 所示为最简单的线性功放原理 图。其工作原理如下：给定的指令电流与反馈电流比较后的误差信号，通过控制器的 作用，得到晶体管的控制信号，调节晶体管集电极与发射极之间的电压降，从而控制 磁轴承线圈上的电压，最终实现电流控制的目的。 图卜3 线性功放原理图 线性功放具有电流纹波小、噪声低等优点；但其功率损耗大，效率低，限制了其 在大功率场合的应用。线性功放的功率为直流母线电压与线圈中电流的乘积，可表示 为p = u d j = i ( u ，+ u ，) ，其损耗取决于流过晶体管的电流及其集电极与发射极之间 所承受的电压。磁轴承的动态调节能力取决于除了稳态时线圈上的电压外功放所能提 供的额外电压，这个额外电压在数值上等于稳态时降落在晶体管集电极和发射极之间 的电压。因此轴承的动态调节能力直接与功放的热损耗有关。从效率的角度考虑，直 流母线电压越低，效率越高。但过低的电压会限制控制力的变化率，导致系统的机械 性能变差。对于一般的线性功放，其效率通常在5 3 0 之间“”3 ，这使得线性功放 在运行时产生大量的热损耗，所以在线性功放中对散热器必须进行精心设计。 1 2 2 开关型功率放大器 出于经济和技术上的原因，必须尽可能将损耗限制在最低水平a 当功率大约在 6 0 0 w 以上的应用中几乎都采用开关型功率放大器( 简称开关功放) ，因为与线性功放 3 磁轴承开关型功率放大器的研究 相比，开关功放的损耗要低得多“。开关功放的效率通常可达到6 0 9 0 ，经过精 心设计的开关功放，其效率可高达9 0 以上。 图1 - 4 基本的开关功放结构框图 开关功放能工作在高电压、大电流的场合。与线性功放相比，最大的不同在于线 性功放的输出电压是连续的，而开关功放的输出则被限制在两个或多个固定的电压， 以实现器件的最小损耗。图卜4 所示为一种基本的开关功放结构框图。其工作原理如 下：根据反馈电流与给定指令电流比较后的误差信号，在某种p w m 控制策略的作用下， 得到一定占空比的脉冲，控制功率开关，使得正负输入电压交替地以某个频率加到线 圈上，以此改变线圈中的电流。 在开关功放中，功率器件工作在开关状态。当器件导通时，功率管工作在饱和区， 其两端电压为功率器件的饱和压降 当器件关断时，功率管工作在截止区，其两端承 受直流母线电压。线圈两端电压在若干电压等级之间切换，不可避免的造成线圈中电 流脉动，其幅值与直流母线电压、开关频率和线圈电感有关。 对于不同要求的开关功放，可采用不同的主电路拓扑和控制策略，本文将在后续 章节中详细介绍。 1 2 3 混合型功率放大器 作为功率放大器负载的磁轴承线圈具有较大的等效电感和较小的等效电阻，因而 在功率放大器的设计上造成一定的矛盾。在稳态时，电阻特性起决定作用，因而从减 小内部损耗的角度考虑，应尽可能的降低直流母线电压，使其略高于稳态时的负载压 降；在瞬态过程中，电感性起主导作用，因此为了得到线圈电流快速响应特性，要求 母线电压较高。为了解决两者之间的矛盾，国际上提出了混合型功率放大器。 图卜5 所示为一种混合型功率放大器的电路结构框图。稳态时。混合型功率放大 器工作在线性方式下，由电压等级较低的仉通过c ，墨，d 向线圈提供稳态运行时 所需的电流。在这种工作状态下，电流纹波小，且由于母线电压低，所以功率损耗也 较小：在动态时，混合型功率放大器作普通开关功放运行，通过触发s 。，马的开通 4 t 壬 南京航空航天大学硕士学位论文 和关断，使较高电压等级的+ ，一加到负载线圈上，产生足够的电流变化率。 图l 一5 混合型功率放大器的电路结构框图 混合型功率放大器具有线性功放电流纹波小和开关功放动态特性好、效率高等优 点，但由于其功率和控制电路设计复杂，限制了其在磁轴承领域中的应用。4 。 1 2 4g 类功率放大器 磁轴承转子在稳定悬浮时，控制电流的变化很小，由于线圈是一个电阻很小的大 电感，电源电压很低时就能满足磁轴承对电流动态响应的要求；而在外界的干扰下， 磁轴承需要较高的电源电压来满足动态变化的要求，s c a r a b e l i 对t o h r us a m p e i 提 出的采用高低两种电源供电的g 类音响功放进行了改进，引入到磁轴承的应用中。 图卜6g 类功放原理图 g 类功放工作原理如图卜6 所示。在图中，输入信号较小时，电磁铁线圈受功率 管t 2 控制，功放电源电压较低，功放损耗小；当输入信号大于某个设定值时，t 2 关 闭，电磁铁线圈受r l 控制，功放电源电压较高，此时系统动态特性好，但功耗大。g 类功放的效率取决于高低压电源的电压值和单位时间里接入高压和低压的比例。g 类 功放电路复杂，在高低压切换时会出现干扰，其效率与开关功放相比也相差很多“。 e 磁轴承开关型功率放大器的研究 1 3 论文工作与内容安排 开关功放控制简单、效率高，是磁轴承理想的功率放大器形式。但传统的开关功 放存在电流纹波大、动态特性受限等缺点，因而设计高性能、高效率，能实现低电流 纹波和良好的动态特性相结合的开关功放便成为本课题的研究重点。本文讨论了开关 功放的设计原则，分析了不同的控制策略，并进行了仿真和实验研究。各章内容安排 如下： 本章简要介绍了磁轴承系统的组成、工作原理、特点及工业应用，重点介绍了几 种常见的磁轴承功率放大器的类型，最后指明了本文的研究工作和内容安排。 第二章讨论了磁轴承开关功放的负载特性、主要参数的设计方法以及这些参数与 磁轴承系统的关系，并由此总结出开关功放设计中所遵循的一般原则。 第三章详细介绍了磁轴承开关功放中的电流两态调制技术和电流三态调制技术， 并进行了分析比较，指出采用电流三态调制技术能提高开关功放的性能。 第四章介绍了基于采样一保持策略电流三态调制开关功放的组成结构和电路实 现，对若干主要环节进行了详细说明。 第五章以基于采样一保持策略的开关功放为例，对分别采用电流两态调制技术和 电流三态调制技术的功放进行了仿真比较，仿真结果证明了电流三态调制技术的优越 性：此外对完成的样机进行了实验，给出了实验波形和结果。 第六章总结了论文所作工作及意义，提出了需要进一步完善和研究的几个问题。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章磁轴承开关功放的基础 功率放大器是磁轴承电控系统的一个重要组成部分，它的作用是将控制器输出的 电压信号转变为驱动电磁铁的控制电流，用来产生需要的电磁力。功率放大器和电磁 铁一起构成磁轴承系统的执行机构，其性能对系统的控制效果有显著影响。磁轴承本 身具有的特殊性使功放的设计增加了很大的难度，因此在设计中应从磁轴承系统的要 求出发，对功放进行深入的研究。 本章首先分析开关功放负载的特性；然后对与开关功放相关的因素进行了研究： 在此基础上得出了磁轴承开关功放设计中的一般原则和注意事项。 2 1 开关功放负载的特性“的 开关功放的负载是磁轴承线圈，具有电感和电阻双重作用，可等效为一个电感上 、 ， ， 与一个电阻r ，的串联，并且电阻值较小，通常只有几个欧姆，电感值较大，通常有 几个毫亨到几十毫亨。了解负载特性对于开关功放的设计，特别是开关频率的确定有 重要作用，因此需要对磁轴承线圈的电感值进行计算。 径向磁轴承和轴向磁轴承在结构上有很大的差异，但电感量的计算公式相同，在 此以径向磁轴承为例，计算其电感量。 图2 - 1 径向磁轴承 径向磁轴承如图2 - 1 所示，由于定子和转子之间的气隙j 远远小于磁极尺寸，可 以认为定予和转子组成平行磁极，磁路是封闭的，转子和定子都采用硅钢片，可以忽 略分散磁通。则线圈自感可以按下式计算为 ：竺。( 2 一1 ) r 。 假设图2 1 中，气隙磁场是均匀的，忽略磁路铁损，则总磁阻为 7 磁轴承开关型功率放大器的研究 驴( 去 + 雨2 d ， z ， 式中f 为各段导磁体的长度；肛为各段导磁体的磁导率：a j 为各段导磁体的截面积； 彳为空气隙的截面积。由于硅钢片的磁导率比空气磁导率大得多，因此式( 2 - 2 ) 可 以近似为 驴为， s ， 代入式( 2 1 ) 得 工：n 2 p o a 。( 2 4 ) 由上式可见，线圈电感随气隙j 的变化而变化。当转子偏离平衡位置占时，电感值 将变化，由于磁轴承在正常工作时，巧一般都很小，且有 丝：一竺，( 2 5 ) 所以电感变化量三相对于三也是微小量，因此在设计功放时，可以认为线圈电感是 一个常值。 电感三是转子位置工的函数。在中心点( 即x = 0 ) 附近，可以近似认为三是恒定 值。转子在磁场中运动时，会产生正比于d x d t 的电压，即反电动势。但考虑到机械 惯性远大于电磁惯性，所以设计电流环时可不考虑反电动势的影响。此时，总电压u 与电流f 关系为 一 j+、 。7 7 7 = r i + l d i d t 。 4 ( 2 - 6 ) 采用电感表实际测量的电感值与计算结果会存在一定的差异，造成这种差异的原 因一方面是由于较大漏磁的存在，另一方面是由于在计算过程中忽略了定子和转子的 磁阻。 2 2 磁轴承的结构乜“ 作用在转子上的麦克斯韦电磁力是一种吸引力，其作用效果是将转子拉向磁铁 侧。但为了控制转子的位置，仅有一个方向的吸力是不够的，必须同时具有向反方向 的推力存在。鉴于这个原因，通常采用在一个轴线上放置两个相对的磁铁以使一个自 由度能得到完整的控制。这就是磁轴承中一种最常用的差动式结构分布，其工作方式 可以用图2 2 来解释。 8 南京航空航天大学硕士学位论文 一一、 ，、 一、 ，| 、 ，| | 、：、| ? j 、 、足、r - 、，j ? 图2 - 2 差动工作方式示意图 当转子处于平衡位置时，两边线圈由偏置电流厶产生电磁力，此即为磁轴承 的静态工作点。假设当转子受到扰动力厂，的作用向y 方向移动时，根据扰动位移量 的大小，通过控制作用，使上侧控制电流增加f ，下侧电流反向增加i ，且。i ，。 则上侧电磁力变为r + f ，下侧电磁力变为瓦一c ，轴受到2 r , 的合力作用，其方向 与扰动位移方向相反，从而使轴回到平衡位置，这就是差动工作方式的含义。除了差 动式结构的磁轴承，还有一种分布式结构的磁轴承。与差动工作方式不同，其作用力 由在空间均匀分布的若干磁极分别产生的作用力合成得到。 图2 - 3 磁场叠加式磁轴承图2 - 4 电流叠加式磁轴承 根据线圈绕制的不同，可将差动结构的磁轴承分为磁场叠加式( 如图2 3 所示) 和电流叠加式( 如图2 4 所示) 两大类，相应的功率放大器的设计也有所不同。 2 2 1 磁场叠加式磁轴承 所谓磁场叠加式就是将线圈分为偏磁线圈与控制线圈，其中分别通过偏磁电流，。 和控制电流i ，。气隙中的磁场是由，。和i ，分别产生的磁场叠加后所得的合成磁场。，。 可由恒流源提供，产生偏置磁感应强度b 。f ，由加在线圈两端的控制电压“，提供 9 l k 磁轴承开关型功率放大器的研究 产生控制磁感应强度b ，。控制电压“，则由控制器根据扰动力与扰动位移量的大小和 方向而产生。 由于磁轴承的静态工作点可由一个独立于控制系统的外部恒流源提供，因而具有 如卜- 特点： ( 1 ) 磁轴承由于共用一个外部恒流源，因此静态工作点一致性较好，也便于统 一调整。 ， ( 2 ) 控制系统不需要提供偏磁电流l ，因此其设计变得简单；便于调整控制参 数；同时流过功率管的电流减小，可大大减轻功率管的发热，也可采用成本更低的功 率管。 ( 3 ) 将上下控制线圈采用反串方式连接，可使上下控制线圈共用一个功率放大 器，以减少驱动元器件的数量。 ( 4 ) 由于控制电流f 是双向变化的，因此功率放大器需要具有提供双向电流驱 动的能力。 永磁偏置混合磁轴承也是一种磁场叠加式磁轴承，它用永久磁体产生的磁场取代 上述的由偏置线圈产生的偏置磁场，因而这种磁轴承在同等功率等级下体积更小。 2 2 2 电流叠加式磁轴承 所谓电流叠加式是指偏磁电流厶与控制电流f ，共用一个线圈，气隙中的磁场是由 厶与f ，叠加后的电流产生。这样做的控制效果与磁场叠加式是一样的。但由于线圈绕 制的不同，相应地功率放大器的设计也有所不同。由于s o f ，功率放大器只需要提 供单向电流驱动的能力；由于相对的两个线圈中的电流不同，因而每个线圈都必须由 独立的功放进行驱动，与磁场叠加式磁轴承系统相比，功放数量增加一倍。 2 3 磁轴承系统的控制策略乜1 磁轴承系统的控制策略按被控物理量的不同，可分为磁链控制型、电压控制型和 电流控制型。开关功放的设计与系统选用的控制策略紧密相关。因此从研究功率放大 器的角度出发，有必要对磁轴承系统的控制策略进行研究。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 3 1 磁链控制型磁轴承 电磁力和气隙中的磁感应强度满足 f ：堕，( 2 7 ) o 由于电磁力与磁感应强度直接相关，如果能直接控制气隙中的磁链，便能直接控制磁 轴承中的电磁力，使得磁轴承达到最佳的控制效果。图2 - 6 所示为链控型磁轴承的原 理框图。 图2 - 5 链控型磁轴承的原理框图 链控型磁轴承的工作原理如下：位置传感器检测到转子的位置信号，反馈回位置 控制器。位置控制器根据输入的位置信号，计算出控制磁密b ，。与偏置磁密鼠进行 叠加，分别作为电磁铁l 和2 的磁密给定。两个磁链控制器被用来将所需的磁链转换 成所需的电压信号，最后通过两个放大器向线圈提供所需的电压。为了实现磁链闭环 控制，必须要能准确获得气隙磁密，通常可以在气隙中嵌入霍尔元件来测量。但由于 磁链检测实现困难，所以这种方法在实际应用中很少采用。 2 3 2 电压控制型磁轴承 图2 - 6 压控型磁轴承的原理框图 磁轴承开关型功率放大器的研究 为了避免使用磁链观测器，可以应用电磁感应原理，对磁轴承中的电磁力进行间 接控制。图2 - 6 所示为电压控制型磁轴承的基本框图。在电压控制型磁轴承中，控制 器对检测到的位置信号进行处理，输出电压控制信号u ，此信号与偏置电压u 。叠加 后作为电压给定信号，分别送给两个磁轴承线圈。为了使得两个线圈中的电流之和为 2 ，。，需要对偏置电压加以控制，所以在电路中设置了电流环。 2 3 3 电流控制型磁轴承 图2 7 流控型磁轴承的原理框图 与电压控制型磁轴承类似，可以根据电流与电磁力之间的关系，通过控制线圈中 的电流来控制电磁力的大小。这种形式的磁轴承称为电流控制型磁轴承，如图2 - 7 所示。控制器根据位置信号计算出控制电流，与偏置电流。叠加后，分别作为磁 轴承线圈1 、2 的电流给定。 2 3 4 三种控制方式的比较 磁链控制型磁轴承中需要用到磁链观测器作为检测元件，而在电压控制型磁轴承 和电流控制型磁轴承中都使用电流传感器作为检测元件，因而后两者所组成的系统实 现更简单，也更经济。由于电压控制型和电流控制型的磁轴承都应用到电压与磁链密 度或电流与磁链密度之间的关系，因而这两种方法都属于电磁力间接控制方法。 对于两种电磁力间接控制方式的磁轴承，当系统采用相同的控制环节时，电流控 制型磁轴承要比电压控制型磁轴承系统的特征方程阶数要低一阶，因而分析过程相对 简化，实现也更容易。采用电流控制策略的系统对不同负载的适应性强，具有一定的 互换性；并且系统的自稳定作用较强，对干扰信号的抑制能力提高：控制参数可调稳 定范围更大“。因此在实际的磁轴承系统中广泛采用电流控制策略。 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 磁轴承控制系统按被控的物理量不同，可以分为以上三种类型。采用不同控制策 略的系统，所采用的功率放大器也有所不同。根据功放输入一输出之间的关系，功放 大体可分为两大类：电压一电压型和电压一电流型。前者以电磁铁的激磁电压为受控对 象，输入、输出都是电压信号，一般应用于电压控制型磁轴承中；后者以电磁铁的励 磁电流为控制对象，输入是电压，但输出是电流。当磁轴承系统中采用电压一电流型 功放时，功放的输出电流理论上只随控制电压的变化而变化，而与负载无关。因此在 磁轴承系统中普遍采用电压一电流型功率放大器，这也是本文所要讨论的重点。 2 4 功率器件与换能电路口6 1 由于开关功放主要应用在大功率场合，除考虑效率因素外，选择高性能功率器件 是保证功放性能的重要环节。功率器件的特性主要有安全特性，开关特性以及驱动特 性等。当负载功率和频响等指标已知时，即可确定功率器件的主要参数，除此之外还 要考虑器件的经济性、驱动电路的简单性以及安装、散热等因素。 随着电子器件的发展和现代功率电子技术的成熟，新型功率半导体器件越来越 多。如g t r 、g t o 、m o s f e t 、i g b t 、m c t 等功率器件具有技术新、性能好、模块化、功 能全、安全可靠、驱动和使用方便等特点，并且随着这些器件的普及使用和大批量生 产，价格也越来越低，规格越来越多，这些都为设计性能优良的磁轴承功率放大器创 造了条件。 选择好功率器件后，还应选择合适的功率转换电路拓扑，以满足开关功放不同的 设计要求。开关功放中常见的换能电路形式主要有单臂式、半桥式和全桥式。这几种 结构各有特点，可根据使用场合选择不同的电路拓扑。 2 4 1 单臂式 图2 - 8 单臂式主电路拓扑 如图2 8 所示为单臂式主电路拓扑。该结构主要由一个可控开关器件圮和一个 快恢复二极管阳组成。当盯导通时，线圈两端电压等于直流母线电压u 。，线圈电 流f 快速增加；当玎1 关断时，线圈通过v d 续流，线圈两端电压为零，电流缓慢下降。 1 3 磁轴承开关型功率放大器的研究 对于该结构，能通过电流控制器控制电流快速上升，但电流i 的下降特性较差，其原 因是线圈两端只会出现单极性的电压，而不会出现反向电压。功放回路通过线圈自身 的消耗来放电，故放电速度慢，不利于功率放大器通带的提高，且工作时只能流过单 极性的电流。 单臂式按法节省元器件数量较多，电路结构简单：各自由度驱动电路的电源可共 地，故只需一个公共驱动电源，可减少相应元器件的数量。当载荷小，对系统要求不 高时，可以考虑。 2 4 2 半桥式 图2 9 所示为半桥式主电路拓扑。线圈负载接于a 、b 两点之间。当 1 、v t 2 以 p w g 方式工作时，则a 、b 两点之间获得单相p w d 电压波。a 、b 间的电压峰值等于2 ， 开关器件踞1 1 、玎2 的峰值电压为玑，峰值电流等于负载电流峰值。对于该结构， 线圈两端能够出现正负相间的电压，能够通过电流控制器控制电流i 的快速上升和下 降，获得良好的动态响应性能，并能实现电流双向流动。但采用这种电路，线圈两端 的电压只有直流母线电压的1 2 ，电压利用率低；并且会出现直流分压电容不均压问 题，给控制带来不利。此外这种电路的输出只有两种状态，不能采用本文第三章所介 绍的电流三态调制技术来进一步提高功放性能。 图2 - 9 半桥式主电路拓扑图2 1 0 改进型半桥主电路拓扑 在半桥电路拓扑的基础上又演化出一种改进的半桥电路，如图2 一l o 所示。该结 构中，当玎l 和v t 2 导通时，线圈两端电压等于，线圈电流i 快速增加；当旧l 和 v t 2 关断时，线圈两端电压等于一，线圈电流i 快速下降；当玎l 导通、v t 2 关断 或当玎1 关断、v t 2 导通时，线圈两端电压为零，线圈电流i 几乎保持不变。这种电 路拓扑具有良好的动态响应性能，直流母线电压利用率高，并且能采用电流三态调制 技术；但这种电路不能实现电流双向流动。因此在只需要单极性电流驱动能力的主动 型电磁轴承中得到广泛应用。 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 2 4 3 全桥式 图2 一l l 全桥主电路拓扑 采用图2 一l l 所示单相全桥主电路拓扑能弥补改进型半桥电路不能实现电流双向 流动的不足。全桥主电路可以看成由两个改进型半桥电路组合而成。开关管 阿1 f t 4 分成两组，其中阿1 和v t 4 为一组，f t 2 和v t 3 为另一组，当两组开关管 轮流导通时a 、b 两点间获得单相交流方波电压；当两组开关分别以p w m 方式工作 时，则获得单相交流p w m 电压波。电路输出的峰值电压为直流母线电压，开关器 件胛1 1 f t 4 的峰值电压为己，峰值电流等于负载电流峰值。全桥电路具有改进型半 桥电路的所有优点，是一种通用的磁轴承开关功放主电路拓扑。 2 5 功放的效率 一套机电装置的效率通常是采用负载中消耗的功率和电源提供的总功的比值来 评价的。对于磁轴承系统，电磁铁作为功放的负载，其功率消耗是线圈的等效电阻引 起的，即所谓的铜耗，而线圈的电感并不消耗有用功，也没有多少能量转换为机械能， 在磁轴承线圈中，由于视在功率w 对磁轴承的性能有重要影响，因此要求功放能输 出足够大的视在功率凹。在磁轴承领域通常采用如下公式来评价功放的效率 r ，d r = = 业， ( 2 - 8 ) u i 。 r f 式中刁为功放效率；u 为功放输出电压；，。为磁轴承线圈中的电流；只为功放损耗。 2 6 功放输出的电流纹波 评价功放的另一个重要指标是功放输出的电流纹波。电流纹波的影响主要存在于 以下三个方面：电流纹波会产生相应的电磁力振荡，继而引起轴承转子的机械振荡， 磁轴承开关型功率放大器的研究 特别是在开关频率较低的情况下，影响尤其严重：电流纹波会在磁轴承系统中引起 额外的铁耗和铜耗，造成转子和定子发热：较大的电流振荡会造成磁轴承系统中微 小控制电流的非线性控制区域。 图2 4 所示电流控制型差动式磁轴承中，上下气隙中的磁感应强度分别为 ，= 暑吣让竿 褂一搿 。 当上下两个电磁线圈中叠加一个幅值为u ( = 4 u 正a ) ，频率为开关管工作频率正 的电流纹波a i 时，则电磁铁1 、2 中电流为 1 1 2 1 。+ t + i ( 2 - h ) 【= i o i ，+ f 此时作用在转子上的电磁力为 肚学 等半一唔( 8 0 半| 。 4 l 慨一x ) 2+ x ) 2j 上式线性化后得 舻：业掣脯+ 坐鱼f o ( 2 - 1 3 ) 6 ：6 ： 图2 一1 2 电流纹波对机械振荡的影响 电流纹波对位置的影响可以用图2 1 2 来表示。根据文献 2 ，可得到转子的机械 振动与电流纹波世以及机械振动与功率器件开关频率、电源电压之间关系 1 6 一一一州 南京航空航天大学硕士学位论文 脯执)=,juon2砸a102amd2 f u + 型等 型 ：丝型：些盟 2 删占：厂n 2 + 岂q 型：笪匿兰j2 识 电流纹波还会引起线圈中额外的铜耗和铁耗。如果功放的输出电流存在纹波，将 导致定子线圈中额外的铜耗气和转子铁心损耗，包括铁心的磁滞损耗只和涡流损耗 。电流纹波引起的铜耗匕可表示为 p c u = r 等= 只旦3 2 f 2 l 2 = 若以。( 2 - 1 5 ) 当定子铁心中的磁感应强度发生变化时，会产生涡流。如果铁心中的磁通是按正弦规 律变化且分布均匀，则硅刚片中的涡流损耗可近似表达为， 1 1 j 2 石1 丌2 p 2 f 2 。m 2 ，、( 2 - 1 6 ) 其中p 为材料的电阻率，e 为硅钢片的厚度，为反复磁化的频率，吃为磁链变化 的幅值，为铁心的体积。利用上述公式可以估计出电流纹波所引起的涡流损耗“1 e = 毒舞啪_ ，- m 由此可见，当功放开关频率固定时，涡流损耗和纹波频率无关，只与功放电源电压有 关。和涡流损耗相比，由纹波产生的磁滞损耗要小得多，可以忽略不计。 2 7 开关功放的截止频率乜r 2 4 3 图2 1 3 功率放大器内部结构 7 磁轴承开关型功率放大器的研究 功率放大器可以视为一个一阶惯性环节，其传递函数为了笔i 。功率放大器实现 的方式通常可以由图2 - 1 3 表示，图中k ，为电流反馈系数，k a 为综合考虑了放大、电 压转换等因素后的系数，而且对于开关功放，k 。与功放电源电压u d 成正比。厶为转 子位于平衡位置时的电磁线圈等效电感。在转子小位移情况下，近似有七。= | j 。l o ， k 。= k a k ，l o 两式成立。 、“7 ：7 对于磁轴承功率放大器而言，其截止频率k 。是反映其性能的重要参数之一。由 文献 2 3 分析可以知道，增加k 。能提高系统的多种性能( 如稳定裕度、频变刚度等) ， 并可以降低对控制器的设计要求。提高功放响应速度，也就成了功放设计的主要任务 之一。由于k 。u j ，上o * a n 2 或，可以得到七。* u 。2 ，可见提高功趣响应速度 -矿? 1 r j q i + 。j 一一： 的最有效手段是减少电磁铁线圈匝数，其次是提高功放电源电压。 开关功放工作频率的确定也非常重要。开关频率取得越高则功放的上限截止频率 越高，功放的动态特性越好：然而，开关频率越高则功率器件的开关损耗越大，功放 的效率就越低。一般应根据功放动态指标的要求选择开关频率，通常取开关频率大于 或等于功放上限截止频率的1 0 倍，即：五1 0 兀。t 袋曩”“l 2 7 誓 l 一；f y # j “! “百e - 私。r 7 考虑磁轴承的应用情况，开关功放的工作频率一般在5 l o o k h z 的范围之内取 值，而现代功率器件的开关频率一般远远大于这个范围，通常都能满足要求。 2 8 功放的电流响应速度和电磁铁的控制力响应速度乜。“3 开关功放实际上是一个跟踪控制电路，其目标是使输出的实际电流能尽量无失真 地跟踪输入控制信号。不失真电流的波形是一个与控制信号形状相同，叠加了一个高 频三角波的波形。一般而言，控制信号期望的电流最大变化率小于功率放大器能够响 应的最大电流变化率时，才能近似认为控制电流不失真地跟踪了控制信号。也就是说 对于一个期望的正弦电流控制信号i ，= i , s i n c o t ，当 d i r i ud一，(2-18) 1 8 南京航空航天大学硕士学位论文 才能认为功率放大器能够不失真地跟踪相应的电流。把i r c a 称为控制电流的幅度频率 积，其最大值是一个反应功率放大器速度响应的重要指标。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，功率放大器产生的电流波形相对于控制信号 就会有相位滞后，如图2 1 4 所示，这种滞后会影响系统闭环稳定性。 图2 - 1 4 功放的滞后波形 电流响应速度取决于功放电源电压和电磁铁的电感，可以通过提高电源电压 或减小线圈电感三的方法来提高电流响应速度。在磁轴承的设计时，应考虑采用尽量 小的电感；而当电磁铁设计好之后，提高电流响应速度只能通过提高功放电源电压u 。 来窑现。 ，0 。1 | ，： 1 ，_ j 1 ，0 1 i 多，7 。、 ，j 来实现。 。1 ， 。- 。i “ ! 糟77 一、 ，7 评价磁轴承的一个重要指标就是磁轴承中控制力的响应速度，它反映系统对轴承 承载力的调节能力。式( 2 一i 0 ) 为作用在转子上的电磁力，在民= 0 ，= o 处，对 该式t a y l o r 展开，有 f = k c i ，一力x + 七1 i ：+ k 2 x 2 + 也i ，x + d 佛，x 2 ，f ，x ) ， ( 2 1 9 ) 其中丸：a o 丁a n z l o ，k ：a o 丁a n 2 i ；。当远小于0 警誊：籍，忽略。工的 二次项及高阶小量，有 f = 缸f ，一k d x ， ( 2 - 2 0 ) 式中k 。为力一电流系数，反映控制系统的控制能力；k 。为力一位移系数，反映电磁 铁的负刚度。i ，是位移x 的函数，标记这个函数为k 。，则有 f = g 。k 。一k d h ， ( 2 2 1 ) k 。直接反映系统的控制刚度。 9 磁轴承开关型功率放大器的研究 当转子偏离平衡位置的位移为z 时，只有控制系统产生的恢复力大于电磁铁负刚 度产生的偏离力，即 七。k 。工k a x ， ( 2 2 2 ) 转子才能稳定。当转子振动为x = x 。s i n o p t 时，系统期望的控制电流为i r = k c x ，s i n c o t ， 对照式( 2 1 8 ) ，只有满足 k 。0 9 半，( 2 - 2 3 ) 功率放大器才能不失真地给出相应的控制电流，进而产生相应的电磁力。从上式可以 看出在功放响应速度一定的情况下，转子刚度和转速是一对矛盾，解决这个矛盾的方 法就是提高功率放大器的电流响应速度。根据式( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ，只有彩半 k c l 满足时，系统才能稳定。 在转子位置不变的时候，研究改变控制电流时电磁力的响应速度可以研究系统在 力响应速度方面的控制性能。在转子位置不变时电磁力的响应速度 割。，= 篆o i 生d t 鲥。誓= 丝警丝l 。 c z 屯t ， 西j ，：一， ， 三 霹 从上式可以看出，在电磁铁的结构设计已经确定的前提下，即磁极面积一、线圈匝数 n 、气隙民确定时，电磁力的响应速度取决于，l ，j 。，其中u 。l 就是功率放 大器的电流响应速度，也就是说电磁力的响应速度取决于电磁铁偏置电流和功率放大 器的电流响应速度。将：耸罢! 代入上式，则电磁力的响应速度也可以写做 2 口“ 矧：了2 u , f l o 。 ( 2 _ 2 5 ) 8 r 。一。 6 i ? 。j 由此可知，在功率放大器电流响应速度足够时，提高功放的有助于提高电磁力的 响应速度。 功率放大器的电流响应速度和电磁力的响应速度是制约磁悬浮轴承系统性能提 高的重要因素。其中电流响应速度取决于功放电源电压和电磁铁的电感，力响应速度 取决于功放的电源电压、偏置电流以及定子和转子之间的间隙。因此，提高电流响应 速度和提高控制力响应速度的简便有效的方法就是提高功放电源电压。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 9 干扰问题n 鲫 使用开关功放的目的是为了解决效率问题，实现大功率和小型化。而开关功放是 一个很大的噪声源，主要是指电磁干扰( 包括辐射噪声和传导噪声) ，它来自功率级 的开关噪声和整流器开关噪声。噪声的危害主要分为两方面：一是干扰功放自身的正 常工作，二是影响其他电路和设备的正常工作。在电磁轴承系统中，开关功放的工作 频率一般在几十千赫兹范围内，其辐射噪声主要由开关脉冲的高次谐波引起，辐射能 量相对较小。因此，传导噪声是主要干扰形式，特别是对与功放同电源或具有信号联 系的电路影响更大。 噪声控制的基本方式有滤波、隔离、屏蔽密封和引线技术等。在开关功放中，常 采用滤波和隔离的手段来消除主要的噪声能量。除此之外，其结构和工艺上的设计也 能起到降噪的作用。 考虑应用和经济的因素，在现有电磁轴承开关功放设计中主要采用以下方法进行 噪声控制： ( 1 ) 在功率电源进入端加滤波器。通过滤波网络可有效滤除来自功率开关级和 整流电路产生的干扰，减小对电网的污染。 ( 2 ) 在控制电路和功率电路之间加光电隔离电路。光电隔离既能有效地防止前 后级电路信号之间的相互干扰，实现较长距离传输和电平转换，同时还使供电电路隔 离，对保障电路安全非常必要。 ( 3 ) 电路和工艺的合理设计。合理的设计一方面是指提高电路的抗干扰性，另 一方面是指减少电路本身对外的干扰。已有一些成熟的方法或规则可以利用，如电路 输入输出阻抗的匹配、采用特殊电路结构或器件、对器件和连线的分布与排列变化等。 2 1 0 磁轴承开关功放设计的一般原则 从控制的角度来看，电流控制的磁悬浮轴承是由位置环和电流环组成的双闭环控 制系统，位置环为外环，而电流环为内环。功率放大器完成电流环的功能，它接受来 自位置控制器的指令电流，并使得流过电磁铁的电流跟随指令电流而变化。因而，功 率放大器可以看成一个电流跟踪系统。磁悬浮轴承性能的好坏与功率放大器密切相 关。功率放大器不仅应当具有良好的稳态特性，而且应当具有良好的动态响应能力和 足够的带宽。 功率放大器是磁轴承系统中耗散能量最大的环节，为了降低功耗，要求磁轴承功 放具有很高的效率；由于电流纹波会造成系统额外的铁耗和铜耗以及轴承转子的机械 振动，因此要求功放输出的电流的电流纹波要小；由于开关功放的截止频率对磁轴承 系统的稳定裕度和频变刚度有影响，因此要求开关功放具有较高的截止频率：由于开 2 1 磁轴承开关型功率放大器的研究 关功放的电流响应速度和电磁铁的电磁力响应速度影响到磁轴承系统的闭环稳定性， 因此要求功放输出电流响应速度快，即功放电源电压要高；在五自由度磁轴承系统中， 需要五个功放去驱动五套线圈，如果一个功放出现故障会导致整个系统不能正常工 作，因此要求开关功放的可靠性要高。 设计高可靠性的开关功放可以采用以下措施：” 选择合适的元器件，特别是功率器件，精心设计功率电路及布线： 在器件的使用上考虑较大的余量； 设计完善的故障诊断及保护电路； 电路冗余设计，允许一路和多路功放失效时系统仍能正常工作。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章开关功放的控制策略 脉宽调制技术( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称p w m ) 是利用半导体开关器件的 通断，把直流电压变