（电工理论与新技术专业论文）磁悬浮轴承开关功率放大器的研究.pdf

文摘 a b s t r a c t i nc o m p a r i s o nw i t ht h ec o n v e n t i o n a lr o l l i n ge l e m e n to rj o u r n a lb e a r i n g s ，m a g n e t i c b e a r i n g s ，w h i c hu s em a g n e t i cf o r c et os u p p o r tf r e e l yar o t o r ，a x eb e i n gw i d e l yu s e di n r o t a t i n gm a c h i n e r y t h em a g n e t i cb e a r i n gh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sn ow e a r , n o n e e do fl u b r i c a t i o n ，l o n gl i f ea n dh i 【g l lr o t a t i o ns p e e d m a g n e t i cb e a r i n gi sat y p i c a l m e c h a t r o n i c a l ( m e c h a n i c a l e l e c t r i c a li n t e g r a t i o n ) s y s t e m ，w h i c hi n c l u d e s e l e c t r o n i c s y s t e m ( s e n s o r s ，c o n t r o l l e ra n dp o w e ra m p l i f i e r ) a n dm e c h a n i c a ls y s t e m i nt h e e l e c t r o n i cs y s t e m ，ap o w e ra m p l i f i e rw h i c hp r o v i d e sm a g n e t i cc o i lw i t h e x c i t i n g c u r r e n tt op r o d u c ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei so n eo ft h em a i nc o m p o n e n t s g e n e r a l c o m m e r c i a l i z a t i o no fp o w e ra m p l i f i e r sc a nn o tm e e tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，b u t s h o u l db ed e s i g n e d p o w e ra m p l i f i e r sa r ed i v i d e di n t ol i n e a r a m p l i f i e ra n ds w i t c h i n ga m p l i f i e r s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ri sp o p u l a r l yu s e db e c a u s eo fi t sv i r t u e so fl o wp o w e rl o s s e s ， h i g he f f i c i e n c ya n dh i g hf r e q u e n c yb a n d w i d t h b yc o m p a r i n gw i t hv a r i o u sm o d u l a t e t e c h n i q u e s u s e di nt h es w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r sa t p r e s e n t ，s u m m e du p t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h es a m p l e h o l dc u r r e n t ，h y s t e r e s i sc o n t r o l ，p w m a n dm i n i m u mp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e st h eg e n e r a ld e s i g n r u l e so f s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r 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 s i n t r i n s i cd e f i c i e n c i e s ，s u c ha ss i g n i f i c a n th 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 cc 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 g s y s t e m t oo v e r c o m et h e s ed r a w b a c k s ，t h ea p p l i c a t i o no fc u r r e n tc o n t r o l l e dt r i - s t a t e p w m t e c h n o l o g yt ot h es w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ri sp r o p o s e d ，w h i c hc a np r o v i d e b e t t e rd 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 s p a p e r i n t r o d u c e st h ec 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 ya n dt h ef o r m u l ao ft h e c u r r e n tr i p p l e t h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w e dt h a tt h et r i - s t a t ep w m t e c h n o l o g yc a n i i i 文摘 r e d u c e e f f e c t i v e l yt h ec u r r e n tr i p p l e ，i m p r o v e t h ec u r r e n tr e s p o n s es p e e do ft h e s w i t c h i n ga m p l i f i e ra n dt h e ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fo v e r a l lm a g n e t i cb e a r i n g s y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h es u p e r i o r i t yo 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 y a f t e ri n t r o d u c i n gt h ec o m p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef p g aw h i c h p r o d u c e sp w mp u l s e ，an e wt r i s t a t e p w mp o w e ra m p l i f i e rb a s e do nf p g ai s d e s i g n e d a n dt h ew a y w h i c hs e l e c tt ot h em a i nc o m p o n e n t so ft h ei s o l a t i o nc i r c u i t ， d r i v i n gc i r c u i t ，t h ec u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t a n dt h eh a l f - b r i d g ec i r c u i ti np o w e r a m p l i f i e ri sg i v e n s o m ec h a r a c t e r i s t i c sa r es i m u l a t e da n dt e s t e d ，w h i c hi n c l u d et h e s t a t i ci n p u t o u t p u t ，c u r r e n tr i p p l e ，d y n a m i cs t e p r e s p o n s e ，f r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h e p o w e ra m p l i f i e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i 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 e p w ms w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e rb a s e do nf p g ah a sg o o ds t a t i ca n dd y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hw e l lm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fm a g n e t i cb e a r i n g s t h et r i s t a t ep w ms w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e rb a s e do nf p g ah a ss i m p l e s t r u c t u r e ，h i g he f f i c i e n c y , h i g hf r e q u e n c yb a n d w i d t ha n df a s td y n a m i cr e s p o n s ei na w i d el o a dr a n g e ，w h i c hc a ng e tag o o dc o n t r o le f f e c ti na p p l i c a t i o n i v k e yw o r d s ：m a g n e t i cb e a r i n g ；p w m ；s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r ；t r i s t a t e ；f p g a 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王_ 丕 日 期：型堕至生旦旦 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 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和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：垃聊躲坞 期：2 0 0 碑垒目铂 山东大学硕士学位论文 1 1 磁悬浮轴承概述 第一章绪论帚一早甭化 磁悬浮轴承是利用磁力将转子无接触地悬浮起来的一种新型轴承，它集机械 学、转子动力学、控制理论、电磁学、电子学和计算机科学等技术于一体，是典 型的机电一体化系统。与传统轴承相比，它有多方面的优点n 1 ：无机械摩擦、无接 触磨损、无需润滑、定位精度高、适应的转速范围广、对环境无污染等，因而受 到了工程界的广泛重视，是目前机械、电气控制等领域的前沿课题之一。 1 1 1 磁悬浮轴承的工作原理 若要求转子能稳定悬浮在规定的位置上，就需要对它的五个自由度( 四个径 向与一个轴向运动，绕转轴的转动除外，该运动由电机或其它动力系统驱动) 的 运动进行有效控制，通常称为五自由度磁悬浮轴承一转子系统( 如图1 - 1 ) 。这就 要求有两个径向轴承( 各构成x ，y 两个方向) 和一个推力轴承( z 方向) ，由此构 成一个完整的磁悬浮轴承系统。一个完整的磁悬浮轴承系统由轴承本体、位移传 感器、控制器和功率放大器等四部分组成。 俦 图卜1 五自由度磁悬浮轴承一转子系统 当磁悬浮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 山东大学硕十学位论文 化，并将位置信号转化成电压的形式传送给控制器，控制器通过特定的运算后把 控制信号送到功率放大器，功放再将这个电压形式的控制信号转换成控制电流， 以产生适当的磁力将转子重新拉回到参考位置，从而维持转子的悬浮。 一、位移传感器 检测元件是磁悬浮轴承系统不可缺少的一个重要组成部分，位移传感器用来 检测转子的偏移情况。由于传感器作为转子位移信号的反馈通道元件，其性能将 影响磁悬浮轴承系统的性能，所以系统对传感器有如下要求舱1 ：( 1 ) 非接触式； ( 2 ) 能抑制噪声、磁场干扰，信噪比高；( 3 ) 线性范围大，灵敏度高；( 4 ) 稳 定性好，温漂、时漂小。 二、控制器 控制器是整个磁悬浮轴承系统的核心，控制器的作用是对传感器检测的位置 偏差信号进行适当的运算，使得转子有高精度的定位，而且在外力的干扰作用下， 能通过迅速而适当的调节电流变化使转子回到基准位置。 三、功率放大器 功率放大器( 以下简称功放) 的作用是向电磁铁提供产生电磁力所需要的电 流。根据功率管的工作状态可分为线性功放和开关功放。线性功放效率低，发热 严重，常用于小功率场合。开关功放由于其效率高、动态性能好而得到了广泛的 应用。在磁悬浮轴承中，当功率大于6 0 0 w 时普遍采用的是开关功放。 1 1 2 磁悬浮轴承的发展现状 早在一百多年前，英国学者e a r ns h o w 就给出稳定悬浮的条件，然而由于当时 受到电子元器件与控制理论发展的限制，进展很小。真正的研究是从上世纪五、 六十年代才开始。早期的研究侧重于无源磁悬浮，美国的德雷伯实验室在5 0 年代 末开始这项研究，至六十年代逐步将研究成果运用到空间制导和导航方面的惯性 轮上。随着晶体管及大规模集成电路技术的飞速发展，带有反馈控制的有源磁悬 浮轴承越来越显示出其优势。1 9 6 9 年法国军方实验室( l r b a ) 开始这方面的研究， 三年后将这一技术用于卫星导航的动量飞轮支承中。随后世界各国也纷纷投入研 究，近三十年来，在空间技术、仪器仪表、物理学研究、振动控制、加工机械、 透平机械及特殊要求的领域磁悬浮轴承都得到了广泛的应用。 2 山东大学硕士学位论文 空间技术方面，1 9 8 3 年1 1 月搭载于美国航天飞机的欧洲空间实验舱内安装了 采用磁悬浮轴承的真空泵；之后，1 9 8 6 年2 月发射的法国地球观测卫星s p o t 安装了 卫星姿态控制磁悬浮飞轮。1 9 9 4 年1 1 月美国普惠公司在计划研究的x t c 6 5 发动机的 核心机中使用了磁悬浮轴承，其验证机已通过了l o o d 、时的试验。现在正在太空运 行的业余无线电通信卫星a m s a t o s c a r 4 0 也采用了磁悬浮轴承飞轮。 在机械加工方面，随着机床向自动化、超高速、超精密方向发展，机床用磁 悬浮轴承系统得到了迅速发展。1 9 8 6 年，s 2 m 公司研制出第一台a m b 高速磨削设备， 采用了转速6 0 ，0 0 0 r m i n 、功率1 5 k w 的a m b 电主轴。1 9 9 0 年日本研制的磁轴承超高 速( 1 8 0 ，0 0 0 r m i n ) 内圆磨电主轴，加工精度超过滚珠轴承支撑内圆磨电主轴的加 工精度，并具备在线监测能力，如监测研磨力、砂轮磨损等。 国外许多公司，如哈伯曼和s 2 m 公司，已有了商品化、系列化的磁悬浮轴承产 品。目前国外对磁悬浮轴承的研究主要集中在各种现代控制理论的应用、新结构 磁悬浮轴承、磁悬浮轴承建模及改善性能等方面。 我国从上世纪七十年代末开始对磁悬浮轴承进行研究，目前尚处于实验室及 工业试验运行阶段。主要研究内容有电磁铁的优化设计、模拟p i d 控制器、数字控 制器、功率放大器、系统稳定性、系统仿真、刚性转子耦合动力学等。其中，清 华大学口棚、西安交通大学呻叫6 1 ，国防科技大学、哈尔滨工业大学圩3 、上海大学n 8 。2 5 1 、 南京航空航天大学啪删、浙江大学啪。4 1 1 等大都已完成了基础性研究，取得了一定的 研究成果。山东大学磁悬浮轴承工程技术研究中心是山东省级磁悬浮轴承研究单 位。本中心人员先后承担了国家8 6 3 计划，国家自然科学基金，国家“十一五 重 大项目子课题，山东省科技攻关计划，济南市科技发展计划等磁悬浮轴承理论及 应用课题1 0 多项。 1 2 磁悬浮轴承功率放大器 功率放大器是磁悬浮轴承电控系统的重要组成部分，它的功能是将控制信号 经过放大或转换成具有足够能量的信号，以驱动负载电磁铁执行器。所以， 功率放大器性能优劣对控制系统的技术性能有着重要的影响，特别是功放级的电 压、电流对控制精度和转速( 特别当高转速时) 具有决定性的影响“2 。4 3 3 。这一点作 者的导师刘淑琴教授在博士论文中作过详细分析，并给出按照控制精度和转速选 3 山东大学硕士学位论文 取功放电压、电流的公式，作者磁悬浮轴承功放的设计就是在此理论指导下进行 的。 功放在磁悬浮轴承系统中的重要性主要体现在以下三个方面：首先，功放作 为磁悬浮轴承系统的一部分，其传递函数对系统的状态方程结构和阶数有影响。 第二，功放作为系统控制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最主要目的之一。第三，磁悬浮轴承自身所具有的特 殊性使功放设计不同于一般的功放，这使功放设计增加了难度和多样性。 1 2 1 磁悬浮轴承功率放大器的研究进展 到目前为止，磁悬浮轴承功率放大器经历了三代。第一代，从2 0 世纪6 0 年代 末至t j 8 0 年代末，磁悬浮轴承功率放大器主要是利用线性功率放大器，其优点是电 路相对简单，易于实现，缺点是动态特性差，效率低，多用于小功率、精度控制 的场合。随着磁悬浮轴承技术的发展，开关型功放得以在磁悬浮轴承领域尝试。 1 9 8 6 年，法国s 2 m 公司就生产出功率为4 m w ，转子重为8 t ，最高转速为3 0 0 0 r p m 的涡 轮发电机，并投入使用。1 9 9 0 年在日本东京的第二届国际磁悬浮轴承会议上，首 先由美国弗吉尼亚大学的f j k e i t h 等人和加拿大n o v a 公司的t b a r d a s 等人提出 了开关型功放在磁悬浮轴承功放中的应用h “副。开关功放的使用，大大提高了电流 和力的响应速度，提高了功放电源的效率，其缺点是干扰大，控制精度也相对较 差，这就是第二代磁悬浮轴承功率放大器，从2 0 世纪8 0 年代末开始应用研究，到 9 0 年代末逐渐成熟。第二代磁悬浮轴承功率放大器都是由分立元器件组成，研制 周期长，安装调试烦琐，体积较大，阻碍磁悬浮轴承向小型化方面发展，从而形成 了第三代磁悬浮轴承功率放大器一集成开关功放，其特点是体积小，可靠性高， 使用方便，为磁悬浮轴承电控系统向小型化方面发展奠定了基础。 1 2 2 磁悬浮轴承开关功放的主要形式 目前磁悬浮轴承开关功放主要有以下四种形式：脉宽调制( p w m ) 型、采样保 持( s a m p l e h o l d ) 型、滞环( h y s t e r e s i s ) 型、最小脉宽( m i n i m u mp u l s ew i d t h ) 型。清华大学杨作兴老师、赵雷老师、赵鸿宾老师对m p w 型开关功放进行过研究h 引： 北京工业大学黄晓蔚老师、唐钟麟老师对s a m p l e h o l d 型开关功放做过探讨h 7 1 。目 4 山东大学硕士学位论文 前p 1 】l m 型开关功放在磁悬浮轴承开关功率放大器中应用的比较多。2 0 0 2 年南京航空 航天大学的曾学明老师、徐龙祥老师、刘正埙老师在磁悬浮轴承中采用了三电平 开关功放h 町；在第八届国际磁悬浮轴承会议上韩国汉城大学的j u n g - s i ky i m ， j a n g h w a nk i m ，s e u n g k is u l 和美国维吉尼亚大学的h y e o n g j o o na h n 联合设计 了一种利用空间矢量法的新颖高效开关功放h 9 l ，它们都属于p 1 v m 功放，创新点主要 在于控制算法上。 1 3 本文所做的工作 山东大学磁悬浮轴承工程技术研究中心是山东省级磁悬浮轴承研究单位。本 中心人员承担国家多项课题的同时还研究成功了“单自由度磁悬浮小球教学装置 和“电磁永磁混合型旋转单自由度磁悬浮小球 教学实验装置等。作者自入学以 来，在导师的悉心指导下积极参与高速磁悬浮轴承系统实验装置研制工作，具体 工作如下： ( 1 ) 电磁永磁混合型单自由度磁悬浮小球装置的研制以及系统数学模型的建立。 该磁悬浮小球装置的突出的特点是：装置通电工作时，小球无需人力去放置，能 从吸附在顶端的初始位置自动调节到平衡悬浮位置。 ( 2 ) 分析了功放控制策略中新型的电流三电平调制技术，通过仿真与传统的电流 两电平调制技术进行了比较。设计了一种适于f p g a 的三电平p w m 开关功放，并进行 了仿真和实际电路的测试。 ( 3 ) 研究了软开关技术在磁悬浮轴承功率放大器中应用，并做了一定的理论分析。 大量的实验和长时间的运行表明，经过精心设计的适于f p g a 的三电平p w m 开关 功放具有效率高、电流纹波小，动态响应快，频带宽等优点。达到了很好的性能 指标，满足了磁悬浮轴承的需要，为磁悬浮轴承的实际应用奠定了基础。 5 山东大学硕士学位论文 第二章磁悬浮轴承功率放大器 功率放大器作为磁悬浮轴承系统的执行部件，是控制系统的重要组成部分， 它接受来自控制器的电压指令，并使得流过电磁铁的电流跟随控制指令而变化。磁 悬浮轴承性能的好坏与功率放大器是息息相关的，功率放大器不仅应有好的稳态 性能，而且应有良好的动态性能，有足够的带宽。 2 1 磁悬浮轴承功率放大器的分类 根据输入与输出的关系，磁悬浮轴承功率放大器可分为两种：一种是比较通 用的功率放大器，可以称之为“电压一电压 型，即输入为电压信号，输出亦为电 压信号；另一种是“电压一电流 型功率放大器，即输入是电压信号，输出是电流 信号，输出电流由输入电压控制而几乎与负载无关，类似于电流源嘟1 。实际的“电 压一电流 型功率放大器在实现时，就是由电压控电流源电路与功率管有机结合而 成的，因此也可以称其为电流源型功率放大器，采用不同类型功率放大器的磁悬 浮轴承系统在理论模型、控制策略以及应用场合各有特点。 从模型上来讲，采用“电压一电压型功率放大器，模型必须考虑电磁铁电感 的影响。而电磁铁的电感除了与电磁铁本身的结构和材料有关以外，还与转子的 状态( 位置) 有关，因而模型会比较复杂。而采用“电压一电流 型功率放大器，相 应的模型会比较简单一些，因为在线性范围以内，电磁电感带来的影响几乎不用 考虑，“电压一电流型功率放大器是通过内部电子线路的反馈将这种影响降到最 小。 根据功率管的工作状态，磁悬浮轴承功放又可分为线性功放和开关功放n 5 。 线性功率放大器的工作点在线性放大区，按信号导通角的大小，可以分为甲 类( a 类) 、乙类( b 类) 、甲乙类( a b 类) 功放、丙类( c 类) 陆2 j 。 甲类功放导通角为3 6 0 ，偏置点位于线性放大区的中部，在信号的整个周期， 功放的输出级始终存在很大的静态电流，所以其效率很低，通常只有3 0 - - 4 0 ， 但突出的优点是失真小。 乙类功放导通角为1 8 0 ，偏置点位于线性放大区的底部。由于导通角仅有1 8 0 ， 7 山东大学硕士学位论文 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波形失真问题，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整的波形。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。 如果给乙类功放加少许偏置，使其工作点上移，则构成甲乙类功放。它能明 显减小交越失真和开关失真，因为静态电流没有甲类功放那么大，效率也有较大 的提高，一般为6 0 一7 0 ，成为应用最为广泛的线性功放类型睛2 。5 3 1 。 丙类功放导通角小于1 8 0 ，通常与高q 值的调谐回路配合以放大射频信号。它 的效率比较高，但是使用频率范围有限制。 由以上几类功放的特性可知，影响功放的效率主要因素是无信号时的直流损 耗，线性功放晶体管一直都处于放大状态，因此，它们的直流损耗大，效率低。 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 提高至u 1 0 0 ，解决了效率和功率之间的矛盾。 由于开关功放的效率高，因此开关功率放大器的体积仅为相同功率线性放大 器的3 0 左右，同时重量也大为减少。开关功放的并联也较为简单，因此可以用多 个模块并联达到较大的功率。对于追求大功率的场合，开关功放无疑是最佳选择。 2 2 开关功放的基本控制策略 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，磁悬浮轴承开关功放所用的控制方式主要有脉宽调制( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 、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 ) 、采样保持控制 ( s a m p l e h o l dc o n t r 0 1 ) 及最小脉宽调制h 引( m i n i m u mp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ， 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。 8 山东大学硕士学位论文 2 2 1 采样保持控制 采样保持控制可以看作是采样保持策略和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钟c l o c k 驱动的d 触发器作为采样保持器( 图2 - 1 ) ， 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+ 虬还是一玑。 图2 - 1 采样保持控制原理图 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断的，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。由于最小脉冲宽度为采样时钟的周期，因此克服了窄脉冲造成功率管失效问 题，提高了系统的可靠性。 但是，开关管只在时钟的上升沿动作，不能在任意时间开关；驱动脉冲的宽 度不能连续变化，只能是最小脉宽的整倍数；可能将一很窄的脉冲扩展到最小宽 度脉冲，也可能将接近最小宽度的脉冲漏掉，这此使得该功放的电流信号失真相 当严重。( 北京工业大学机械工程与应用电于技术学院的黄晓蔚老师和唐钟麟老师 对此种功放有过较深入的研究) 2 2 2 电流滞环控制 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 母线电压一，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 9 山东大学硕士学位论文 母线电压+ ，电流快速增加，输出电流始终在这样的误差带内变化，图2 2 是其 原理图。 u d- t k l 图2 - 2 电流滞环控制原理图 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。 这种功放的优点是结构简单、对小信号灵敏，缺点是开关频率与负载电感有 关。由于开关处的电流信号通常有大量的高频、大幅度衰减振荡，导致大量的窄 脉冲存在于功率管的驱动脉冲中，这些窄脉冲一方面使输出的电流信号失真，另 一方面极易造成功率管失效，极大地降低了磁悬浮轴承系统的可靠性。 2 2 3 脉宽调制 脉宽调制是丁( 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。 如图2 - 3 ，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。 1 0 山东大学硕士学位论文 图2 _ 3 脉宽调制原理图 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。另外这种方法调整范 围小，开关管不能整周期开通和关断，跟踪大幅度高频信号的能力不强。 2 2 4 最小脉宽控制 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 4 。 i 一 一黏d 图2 - 4 最小脉宽控制原理图 m p w 功放优点是效率高，功放电流失真小，可靠性高。其缺点是m p w 功放电路 比其余三种功放电路复杂的多，特别是脉冲成型电路。而且由于要对脉冲宽度进 山东大学硕士学位论文 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。另外它的效率相对于线性功放高，并不比其余 三种功放效率高。 2 3 磁悬浮轴承功率放大器的设计 在磁悬浮轴承系统中，功放的特殊性主要表现为其负载主要为感性负载。因 此，一般商品化的功放产品不能满足使用要求，而应专门设计。采用线性功放还 是采用开关功放要视具体应用和要求而定，一般小功率、高精度控制采用线性功 放较好；大功率场合一般采用开关功放。开关功放最大的优点是效率高，缺点是 干扰大、精度相对较差。一般情况下，当功放的耗散功率大于6 0 0 瓦时，功放的效 率、散热及空间尺寸限制等都不容忽视，以采用开关功放为好。 设计磁悬浮轴承功放时，般需要考虑以下几个因素。 2 3 1 功放的效率 线性功放和开关功放的功耗都包括管耗( 只) 和铜耗( p c ) 两部分。线性功 放的耗散功率( 只) 是由供电电压和磁悬浮轴承电流决定的。即： 一只+ 一k 屹ml b ( k + k ) ( 2 1 ) 而开关功放的耗散功率与占空比有关。即嘲1 = + = y 0 。( 1 6 ) + p r 廿6 + 耐1 i 。+ ) + f ，) 】 + 蠢r 6 + 俾+ 兄) ( 1 6 ) ( 2 2 ) 其中：6 为占空比，t 为开关周期，为导通上升时间，t ，为截止下降时间，k 为晶体管反向漏电流，为晶体管饱和压降，r 为负载电阻，r d 续流二极管导通电 阻，其余同上。 在一个开关周期内，电源在开关接通时向电感提供能量，开关断开时电感通 过续流回路释放能量。 对于磁悬浮轴承功放，作为负载的电磁铁是一个大的电感，其功率消耗是线 山东大学硕士学位论文 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。随着磁悬 浮轴承技术指标的提高和研究的深入，电磁铁的设计趋于低电感和低电阻化。当 电磁铁的参数确定后，铜耗即确定，减小管耗就成为提高功放效率的主要途径。因 此，开关功放被采用。 功放的效率可以表示为： 刀；j l ( 2 3 ) 。 + 只 一般线性功放的效率在5 一5 0 之间；而开关功放的效率可达6 0 - - 9 0 ，经过 精心设计的开关功放其效率可高于9 0 副。 2 3 2 功放的开关频率 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，功放的效率就愈低，同时对控制器的要求就越高。因此开关频率应取 在一个适当的范围，以解决两者的矛盾。一般来说，开关功放的开关频率应大于或 等于功放的上限截止频率的1 0 倍嘞1 ，即： 1 0 l ( 2 4 ) 考虑磁悬浮轴承的应用情况，开关频率一般在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。因此，一般都能满足控制要求。 当磁悬浮轴承转子以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 h z ，本文中功放的开关频率设定为5 5 k h z ，完全可以满足使用要求。 2 3 3 功放的电流响应速度 磁悬浮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，以便使磁悬浮轴承的性能完全发挥出来。最大电磁力 对应着磁悬浮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 1 3 山东大学硕士学位论文 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响 到系统的闭环稳定性哺7 1 。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，磁悬浮轴承开关功放的直流母线电压玑并不能随意选取。首先，直流 磁悬浮轴承功放的负载是感性负载，其动态特性和输入信号的幅值有关，用电流 响应速度来评价功放的特性，在电磁铁线圈两端的电压等于功放电源电压时，线 圈中的电流变化最快侧。 坐。丝二生垒 ( 2 5 ) 出l 由式( 2 - 5 ) 可以看出，由于线圈内阻很小，i o 足项对电流变化影响很小，可 以通过提高电源电压玑和减小线圈电感l 的方法来提高电流响应速度。在设计磁悬 浮轴承电磁铁时就应该考虑采用尽量小的电感，当设计好电磁铁后，提高电流响 应速度只能通过提高功放电源电压玑来实现。 2 3 4 功放的控制力晌应速度 评价磁悬浮轴承的一个重要指标就是磁悬浮轴承中控制力的响应速度，电磁 铁对转子的吸力f 发生变化是由于线圈中电流i 发生变化。通常，磁悬浮轴承中一 个电磁铁对转子的吸力为： f ；f l o a n 2 一 2 ( 2 6 ) 4 d 。 定义力对时间的偏导一a f 为控制力的响应速度，可以得到最大控制力响应速度 为： 一o f ；望一d ；o 一, 4 n ；2 o u d - l o r l ：七幽生当坠 ( 2 7 ) a ta l d t2 6 zl6 2 1 4 山东大学硕士学位论文 式中七。丝矣! 为一常数，由式( 2 7 ) 可见，提高控制力的最大响应速度可 2 l 以通过提高静态电流，0 、减小间隙6 和提高来实现。当电磁铁的各项参数设计 好后，只有通过提高电源电压来实现提高控制力的最大响应速度。 综上所述，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。 2 3 5 功放的输出电流纹波 目前，开关功放已在大多数磁悬浮轴承系统中得到了应用。但其一个不足之 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悬浮轴承带来一 些不利的影响，主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 由于电磁力是电流的函数，所以电流纹波会给电磁力带来较大的波动， 引起转子系统的机械振荡，特别是在开关频率较低的情况下机械振荡更为明显呻3 ； ( 2 ) 电流纹波会在磁悬浮轴承系统中引起额外的铁耗和铜耗，造成轴承发热， 温度升高： ( 3 ) 较大的电流振荡会使得磁悬浮轴承系统中微小控制电流的非线性控制区 增大，影响控制效果。 虽然开关功放的电流纹波比线性功放的要大，但采用适当的脉宽调制技术可 以大大减小电流纹波。 2 3 6 电磁铁线圈电感的计算 磁悬浮轴承功放的负载是一个具有小电阻、大电感的感性负载，其响应电流 相对电压有一定的滞后，从而影响了系统的控制性能，因此，需要对电感值进行 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l 的计算公式是相 同的，在这里只计算径向磁轴承的电感量。 1 5 山东大学硕士学位论文 z 图2 5 径向磁轴承不慈图 径向磁轴承如图2 - 5 所示，由于定子和转子之间的气隙占相对于磁极尺寸为 微小量，可以认为定子和转子组成平行磁极，磁路是封闭的，转子和定子都是采 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： 三。笙( 2 8 ) 如 式中n _ 线圈匝数；毛一总磁阻 图2 - 5 中，气隙厚度6 较小，可以认为气隙磁场是均匀的，忽略磁路铁损， 则总磁阻为： 疋一c 者+ 嚣 浯9 ， 式中t 一各段导磁体的长度；以一各段导磁体的磁导率；4 一各段导磁体的 截面积；a 一单个空气隙的截面积。 由于硅钢片的磁导率比空气磁导率大很多，因此式( 2 9 ) 可以近似为： 见一嚣 ( 2 _ 1 0 ) j 1 0 4 将式( 2 - 1 0 ) 代入式( 2 8 ) 得： 三。堕丝( 2 一1 1 ) 2 6 由上式可见，线圈电感随气隙6 变化而变化。当转子偏离平衡位置6 时，电 感值将变化址，由于磁悬浮轴承在正常工作时，6 一般都很小。由于 1 6 山东大学硕士学位论文 一a l ：一笪 ( 2 1 2 ) 一= 一一 一_ j l 6 所以电感变化量缸相对于也是微小量，因此在设计功放时我们首先认为线 圈电感是一个常值。在五自由度磁悬浮轴承系统中，有两个径向磁轴承和一个轴 向磁轴承，现在取一个径向磁轴承的一个电磁铁线圈来分析，当a = 1 9 0 m m 2 ，6 = 0 2 m m 时，计算得线圈的电感为5 5 m h 。采用电感表实测电感值为5 m h ，测量结果和计算结 果有较大差异，造成这种差异的原因一方面是有较大漏磁存在，另一方面是计算 过程中忽略了定子和转子的磁阻。测量得到的线圈电阻为1 欧姆。 2 4 小结 本章首先介绍了功率放大器的分类和各自的特点，对目前磁悬浮轴承开关功 率放大器的控制方法作了总结和分析，着重介绍了磁悬浮轴承对开关功放的要求 和磁悬浮轴承开关功放的性能指标等。 磁悬浮轴承系统耗散的能量大部分都是在功放环节，因此，为了降低功耗， 要求磁悬浮轴承功放具有很高效率；由于电流纹波会造成转子和定子线圈额外的 发热以及导致机械振动，因此要求功放输出的电流具有小的纹波；由于磁悬浮轴 承的控制力响应速度影响到磁悬浮轴承系统的性能，因此要求功放输出电流响应 速度要快，即功放电源电压要高；在五自由度磁悬浮轴承中，通常需要1 0 个功放 去驱动1 0 组线圈，如果一个功放出现故降就会导致系统不能工作，因此磁悬浮轴 承对功放的可靠性要求很高，要满足设计高可靠性的功放还要采用以下措施咖1 。 正确选择元器件，特别是功率器件，精心设计功率电路并精心布板； 在器件的使用上留出较大的余量； 故障诊断及保护，发现故障及时处理，避免更大的损失； 电路冗余设计，允许一路或多路功放失效而系统还能正常工作。 其中第四种方法主要是在对可靠性要求极高的特殊行业中采用。 1 7 山东大学硕士学位论文 第三章三电平开关功放电流调制技术 常用的开关功放有两电平m 1 和三电平唧一2 刊两种。两电平开关功放的电流纹波 大小与直流母线电压有关，如果为了改善系统的动态特性而增加直流母线电压， 就会同时增大电磁线圈电流的纹波。三电平模式是近几年新兴的控制方式，它是 在两电平的基础上又增加了一种续流模式，和两电平功放相比，电流的纹波大大 降低，而且还不受直流母线电压的影响，因此更适合于大功率的磁悬浮轴承。 3 1 三电平p r i m 开关功放的工作原理 图3 - 1 三电