（电机与电器专业论文）电磁轴承功率放大器的设计和研究.pdf

浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nc o m p a r i s o nw i 也t 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 r j o u r n a lb e a r i n g s a c t i v e m a g n e t i cb e a r i n g s ( a m b ) ，w h i c hu s ec o n t r o l l a b l ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c et os u p p o r t f r e e l yar o t o r ，a r eb e i n gw i d e l yu s e di nr o t a t i n gm a c h i n e r y i nt h ea m bs y s t e m ，a p 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 c c o i l w i t l l e x c i t i n g c u r r e n tt o p r o d u c e e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，i so n e o ft h em a i nc o m p o n e n t s t h ep a p e rf i r s t l yc l a s s i f i e sp o w e ra m p l i f i e r s ，a n dt h e ns t u d i e st h e o p e r a t i n g p r i n c i p l e s a n dc h a r a c t e r i s t i c so fl i n e a r p o w e ra m p l i f i e r s a n d s w i t c h i n gp o w e r a m p l i f i e r s ，b yc o m p a r i n gw i t ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv 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 e s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r s a t p r e s e n t ，t w o - l e v e l p w m m o d u l a t es w i t c h i n gp o w e ra m p ! i f i e rw h i c hi n t e g r a t e si n n e rc u r r e n t - l o o pi sd e s i g n e d a n dd e b u g g e d c h a r a c t e r i s t i c so fp w m p o w e ra m p l i f i e ra r ea l s oa n a l y z e d ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e yf u n d a m e n t a l l ym e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so f a na m b b a s e do nt m s 3 2 0 f 2 4 0w h i c hh a v ef a s t o p e r a t i n gc a p a b i l i t y a n dt h ee v e n t m a n a g e rw i t hf l e x i b l ec o n t r o lc a p a c i t y ，h a r d w a r ed e s i g np r o j e c to f t h r e e - l e v e lp w m m o d u l a t 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 da n d p a r t i a l l yv e r i f i e de x p e r i m e n t a l l y o nb a s i so fv a r i o u sr e a l i z a b l e t e c h n o l o g i e s o fh i 曲p o w e r a m p l i f i e r ，t h e i r f e a s i b i l i t yu s e di n t h ea m b s y s t e mi sa n a l y z e da n dd e s i g n i n gg u i d a n c ei sg i v e n i m p r o v e dp r o j e c t s o ft w o l e v e lp w mm o d u l a t e s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ra n d t h r e e - l e v e ls w i t c h i n gp o w e r a m p l i f i e r a r ea l s og i v e n k e y w o r d s ：a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ，p o w e ra m p l i f i e r ，p w m ，t h r e e - l e v e l ，d s p 浙江人! 半硕十学位论文 第一章绪论 1 1 磁轴承简介 1 1 1 磁轴承及其特点 第一章绪论 磁轴承( 又称磁悬浮轴承m a g n e t i cb e a r i n g s ，简称m b ) 是利用磁场力将转子悬浮于空 i 自j 。使转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高性能的轴承。由于转子和定子之间 没有机械接触，因此磁轴承具有传统轴承无法比拟的优越性能，具体表现在以下三个方面： ( 1 ) 没有机械摩擦和磨损，降低了工作能耗和噪声，延长了轴承的寿命； ( 2 ) 动力损失小，便于应用在高速运转场合，其转速只受转轴材料强度的限制： ( 3 ) 不需要润滑和密封系统，消除了污染，减轻了设备的重量，提高了机组的效率，适 用于真空超净，腐蚀性介质等多种极端工作环境。 ( 4 ) 磁轴承不仅可以支承转予起到稳定转予的作用，而且还可以作为激振器使用。激 振器对转子施加激振，利用激振信号和响应信号可以识别一些尚属未知的转子特性。 1 1 2 磁轴承的分类 磁轴承的种类很多，按照磁力的提供方式，磁轴承可分为两大类： ( 1 ) 有源磁轴承，也称为主动磁轴承( 简称a m b ) ，磁场是可控的，通过检测被悬浮转 子的位置，由控制系统进行主动控制实现转子悬浮： ( 2 ) 无源磁轴承，也称为被动磁轴承( 简称p m b ) ，用永磁体或超导体之间产生的稳定 的悬浮力来实现对转予部分自由度的支承。 实际中，可以将有源磁轴承和无源磁轴承组合应用，称为混合磁轴承( 简称h m b ) 。 混合磁轴承的机械结构中包含了电磁铁和永磁体或超导体。 根据磁力的两种类型( 磁阻力和洛仑兹力) ，磁轴承可分为两种，分别称为电磁轴承和 电动轴承，前者应用较为普遍。 本文主要研究主动电磁轴承。主动电磁轴承是通过闭环反馈控制直流电磁铁来获得稳 定悬浮的。与被动电磁轴承相比，主动电磁轴承结构复杂，但承载力、刚度、稳定范围都 大大提高，鼠抗干扰能力强。为了简单起见，本文中的主动电磁轴承都称为电磁轴承。 1 2 主动磁悬浮技术及其发展 早在一百多年前，英国学者e a r n s h a w 就证明了单靠永磁体本身是不可能使一个铁磁体 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 在空间六个自由度上都保持自由稳定的悬浮状态。1 9 3 9 年，b r a u n b e k 对此作了进一步的物 理分析发现：唯有抗磁性材料才能依靠选择恰当的永久磁铁结构与相应的磁场分布而实现 稳定悬浮。但迄今为止，由于抗磁材料所产生的磁力实在太小，没有工程应用价值。 1 9 3 7 年，k e m p e r 申请了一项有关主动磁悬浮支承的专利，但是它在工业上的广泛应 用却是最近二十年的事情，并逐渐形成了磁悬浮列车和磁悬浮轴承两个主要的研究方向。 在磁悬浮轴承方面，大约从1 9 7 0 年起，主动磁悬浮技术就用在卫星姿态控制的动量 飞轮上，并随着功率电子和数字信号处理器件的出现以及控割理论和转子动力学的发展得 到了长足的发展【”。现在国际上已经成立了多家专门从事磁轴承产品研究开发的公司。1 9 7 6 年法国s e p 公司与瑞典s k f 轴承公司联合投资成立了s 2 m 公司，对超高速精密加工机床 用的磁轴承主轴进行了系统的研究和开发。该公司于1 9 7 7 年开发了世界上第一台高速机 床用的磁悬浮主轴。多年来，该公司已经开发了多个磁轴承产品，广泛应用于机械加工电 主轴、真空泵、高速机械和发电站等【3 “。瑞士m e c o st r a x l e r a g 生产的磁轴承主要应用 于透平鼓风机、气体膨胀压缩机以及纺织锭子等p “。1 9 9 2 年成立的r e v o l v em a g n e t i c b e a r i n g si n c 是一家专门从事磁轴承产品开发的公司，其产品主要应用于密封马达、磨头、 高速铣削、压缩机、分子泵等【s 2 1 。可见，磁轴承除了广泛应用在机床领域外，也成功地应 用在离心压缩机、分子涡流泵、汽轮发动机等大型设备上。 在磁悬浮方面，从6 0 年代起。日本和德国等就对不同方案的磁悬浮列车进行了研究。 德国对主动磁悬浮技术的研究主要集中在电磁型( 简称e m s ) 磁悬浮列车上，1 9 7 7 年德国航 空公司研制成功的k o m e t 磁浮列车是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。日本主要集中于 电动型f 简称e d s ) 磁悬浮列车的研究与开发上，1 9 7 2 年研制的m l l 0 0 是世界上第一台e d s 型磁浮列车郾1 。 国内在主动磁悬浮技术方面的研究起步较晚，8 0 年代末期才正式启动磁浮列车的研究 项目，由国防科技大学和西南交通大学等有关单位承担。与此同时，国内也有不少大专院 校和单位在做主动磁悬浮轴承技术方面的应用研究：清华大学与无锡机床厂内圆磨床研究 所对内圆磨床的主动磁轴承高频电主轴进行了研究，并正在开展1 0 m w 高温气冷堆用氦气 透平电磁轴承的研究工作，计划在2 0 0 5 年将采用氦气直接循环的透平发电装置的电磁轴 承投入运行；西安交通大学、哈尔滨工业大学进行了机床主轴的磁轴承的研究，西安交 通大学轴承研究所于1 9 9 0 年在国内首次实现了4 自由度电磁轴承的稳定悬浮，最高转速 为3 0 0 0 r r a i n l 2 ，3 ，4 1 。1 9 9 4 年，西安交通大学为开封空分机厂研制了1 套5 自由度的电磁轴承， 转速高达3 5 0 0 0 f f m i n 。西安理工大学研究了磁悬浮高频电主轴，其转予质量为o 8 5 k g ，最 高转速为8 0 0 0 0 r p m ，径向轴承刚度为1 0 n a n f 2 0 1 。南京航空航天大学目前主要在主动磁轴 承、永磁偏置轴承和无轴承电机等方面展开研究，他们主要研究了数字控制系统，开关功 率放大器，控制算法等1 1 2 , 1 3 , 2 1 , 2 2 , 2 引。南京航空航天大学于1 9 9 2 年开始对航空发动机用电磁 轴承系统进行跟踪研究，研究工作获得了江苏省和航空科学基金的资助，目前，己建成3 个电磁轴承试验台，转速达到6 0 0 0 0 r m i n 。浙江大学对磁悬浮阻尼器、磁悬浮钢板进行了 浙江火学硕士学位论文 第一章绪论 研究【2 5 】；国防科技大学研究了磁悬浮列车、磁悬挂天平以及磁悬浮飞轮；北京航空航天大 学对控制力矩陀螺展开了研究怛”。上海大学轴承研究室和苏州西达低温设备厂合作研制成 功的1 5 0 m 3 透平制氧膨胀样机转速达到9 8 0 0 0 r m i n 。沈阳发动机设计研究所和上海大学合 作研制成功了转速为2 0 0 0 0 r m i n 的航空发动机原理试验样机，转子质量为5 3 k g f 5 ”。 由上可见，电磁轴承系统中的控制器、功率放大器以及新型结构的磁轴承是目前国内 外电磁轴承研究的重点内容。 1 3 功率放大器的发展现状 在电磁轴承系统中，功率放大器( 简称功放) 的作用是把控制器输出的控制信号转换为 电磁铁所需要的大电流，从而为电磁轴承悬浮转子提供功率。传统的功放多采用线性功放， 即采用甲乙类或者乙类互补对称放大电路。此时开关器件工作在线性放大区。线性功放具 有设计简单、波形失真度小等优点，目前主要应用他于小型功率源。但线性功放的效率很 低，理想的互补对称电路在理论上能达到7 8 5 ，实际的效率在4 0 一5 0 之间，甚至更 低。 出于线性功放的效率较低，人们开始研制脉宽调制式( p w m ) 功率放大器，以解决效率 和功率之削的矛盾。国外采用p w m 技术制造出了集成电路元件，如美国德州仪器和a p e x 公司相继推出了p w m 型音频功放餍集成电路元件。a p e x 公司的s a 6 0 p ，效率可达9 7 ，输出电流达1 0 a 。b a n g b a n g 控制、采样保持控制和滞后控制等多种控制方法也相继 用于电磁轴承系统的开关功放的设计和实现上【8 h ”1 。目前，基于三电平电路的新型开关功 率放大器，由于其电流纹波小，成为开关功率放大器的研究重点。山东大学的自咸林等人 采用三电平调制技术，利用二重化和相移s p w m 技术制作了l k w 的开关功率放大器【】4 ，l ”。 南京航空航天大学的臧晓敏等人制作了基于采样保持的控制策略的三电平开关功率放大 器 3 8 i 。 目前，开关功放正在向大功率化发展，英国l d s ( l i n gd y n a m i cs y s t e ml t d ) 公司的 s p a k 开关功放采用多个开关功放模块并联，最大功率可达2 8 0 k w ，开关频率1 5 0 k h z ，效 率达到9 3 ，但其模块之间存在均流问剐翊。新型的开关功放正在尝试采用d s p 芯片开 发d p p c t 5 1 ( 数字脉冲功率转换器) ，主要难点是载频可变，频率高达m h z ，因此对功率管 的高频丌关参数要求相当严格。 1 4 电磁轴承系统简介 1 - 4 1 电磁轴承系统的组成 转子在空间的运动包括平动和转动，共有6 个自由度g ，y ，z ，0 ，臼，目0 。一般情 浙 上人学硕十学位论文 第一章绪论 况下，由于转子的旋转运动是由电机或其它动力系统驱动的，即轴向( z 向) 的自由度被限制， 所以转子上只有5 个自由度 ，y ，z ，口，o y ) 。为了使转予稳定的工作，就必须对这5 个 自由度进行控制。这就要求有两个径向轴承( 各构成x ，y 两个方向) 和一个轴向轴承( z 方向) ， 由此构成一个完整的电磁轴承系统，如图1 1 所示。 图1 i 磁轴承一转子系统示意图 在解耦的情况下，各个方向上的控制回路无根本差别。因此在分析研究电磁轴承系统 时选取其中一个自由度为研究对象，即单自由度电磁轴承控制系统，其工作原理如图1 2 所示。一个典型的主动磁轴承系统是由电磁轴承本体、位移传感器、控制器和功率放大器 组成的。位移传感器检测被悬浮转予的位置状态，并将位置信息反馈给控制器，控制器根 据不同的控制规律产生相应的控制信号，然后通过功率放大器将控制信号转换为控制电压 或控制电流，作用于电磁轴承线圈产生悬浮转子所需的电磁力，使转子达到稳定的悬浮。 图1 2 单自由度磁悬浮系统 ( i ) 轴承电磁铁 径向轴承和轴向轴承在电磁铁的结构上有明显不同，但都是由转子和定子两部分组成 的。径向轴承的作用主要是支承转子的重景，轴向轴承的作用主要是限制转子在轴向的位 移。径向轴承电磁铁的结构如图1 3 ( a ) 所示，它的定子可采用圆形槽、梯形槽等结构，转 子一般为固定在转轴上的圆柱体。径向轴承的定子和转予的电磁铁一般都用导磁性能优良 的硅钢片叠成，这样可以减少涡流。轴向轴承如图1 3 所示，转子一般采用圆盘状结构， 故称为推力盘。轴向轴承的推力盘及定子一般采用电工纯铁制作。轴承电磁铁的材料除了 要具有良好的磁性能外，还应满足一定的机械性能，这两者往往相互矛盾，需要加以权锈。 4 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 径向轴承 ( b ) 轴向轴承 图l - 3 电磁亳由承的基本结构 第一章绪论 ( 2 ) 位移传感器 电磁轴承性能的一个重要方面取决于所采用的位移传感器的性能。测量转子的位置必 须使用非接触式的位移传感器。转子在任一时刻的位置信号由传感器测量，必要时还需对 测量到的信号进行相应的前置信号处理。一般情况下对传感器的基本要求主要有以下几个 方面：线性范围大，灵敏度高，分辨率大，频率范围( 即灵敏度不受频率的影响，灵敏度 下降3 d b 时的频率通常被称为截止频率) 大。其它的要求包括：抗干扰性能好，信噪比高， 稳定性好，温漂小等。 常用的位移传感器类型有电感式、涡流式、电容式、磁位移和光位移等。实际中大多 选择电涡流式位移传感器作为转子位移的检测元件。 ( 3 ) 控制器 控制器是电磁轴承系统的核心，控制器设计的首要任务是保证转子能够稳定的悬浮在 轴承的中心位置，其次还要满足系统对刚度、阻尼、转子定位和不平衡响应等性能的要求。 由于电磁轴承系统本身是不稳定的，所以必须通过反馈控制才能实现转子稳定悬浮这一目 的。控制器就是利用对传感器检测到的位置信号进行适当的运算，迅速而恰当地输出控制 信号给功率放大器，从而使转子重新回到中心位置。 控制器的发展经历了模拟控制器与数字控制器两个阶段。早期的磁轴承控制器采用模 拟控制器，即采用以运算放大器为核心的模拟电路来实现，其特点是线路结构简单、易于 实现、响应速度快( 频带宽) ，但是参数调整困难，不能根据控制算法灵活地改变硬件电路。 因此模拟控制器只能实现 e 较简单的控常l 算法，如p i d 控制算法，而且控制参数的变化较 困难。 随着微电子技术的发展，出现了以微处理器为核心的数字控制器。数字控制器在选择 算法上比较灵活，无需改变硬件电路，只要通过软件即可实现各种算法，从而达到最佳控 制效果。目前除了可以采用p i d 和p d 控制外，还可采用基于现代控制理论的模糊控制、 自适应控制、滑模控制、h 。控制和卢参数控制等控制算法。数字控制器的处理器可以采用 数字信号处理器( d s p ) 、单片机、多处理器等，通常使用d s p 能够很好地满足电磁轴承的 快速控制要求。根据电磁轴承对运算的需要和成本要求的不同，可以选择不同的d s p 芯片。 i i i 江人学硕士学位论文第一章绪论 对于运算精度要求很高的地方可以采用浮点运算芯片，如t m s 3 2 0 c 4 0 ，而在一般的工业应 用中可采用低成本、集成了多个外部设备的定点运算芯片，如t m s 3 2 0 f 2 4 0 。 ( 4 ) 功率放大器 功率放大器是电磁轴承系统中另一关键部分。除轴承磁铁外，电磁轴承系统的主要损 耗由功率放大器产生，而且电磁轴承要求工作频率从零到数千赫兹，所以功率放大器的设 计也是系统设计中最具挑战性的部分。在电磁轴承系统中，功率放大器( 简称功放) 的作用 是把控制器输出的控制信号转换为电磁铁所需要的电流，从而为电磁轴承悬浮转子提供功 率。功率放大器根据所采用的器件和原理的不同可分为线性( 模拟) 功率放大器和开关功 率放大器。线性功率放大器的管耗很大，效率较低，并且给系统的数热带来较大压力；开 关功率放大器的管耗非常小，大大提高了效率，但器件的开关作用会对系统产生电磁干扰。 所以一般在系统功率较大时( 一般为0 6 k w 以上) 时，多采用开关功率放大器；而中小功率 ( 0 6 k w 咀下) 且要求灵敏性比较高、结构简单的场合则多采用线性功率放大器。 1 4 2 单自由度电磁轴承系统的差动工作方式 为了有效地利用电磁铁以及增大系统的线性工作范围，一般情况下电磁轴承系统在某 一自由度上采用差动工作方式t ”】。差动工作方式可以简单地用图1 4 来解释。它由两个对 称放胃的对称结构的电磁铁组成。当转子处于平衡位置时。两边线圈由于偏磁电流而产生 电磁力凡，这就是电磁轴承的静态工作点。假设当转子由于扰动力五向x 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i 。，下侧控制电流减小站，其 中l o 二，i 。则上侧电磁力变为，o + r ，下侧电磁力变为r 一只，转子受到2 疋的合力作用， 其方向与扰动位移方向相反，从而使转子回到平循位景。这就是差动工作方式的基本原理。 而+ f 。 幽1 4 差动上作方式示意圈图1 5 磁场迭加型电磁铁结构图 根据电磁铁线圈绕制方式的不同，电磁铁可分为两大类：磁场迭加型电磁铁和电流迭 加型电磁铁。 a 、磁场迭加型电磁铁 磁场迭加型( 又称双线圈型) 电磁铁就是将某一自由度两侧的电磁线圈分为偏磁电流线 圈与控制电流线圈，其中通过的电流分别为偏磁电流而与控制电流t ，则相应气隙中的磁 6 五 工 ，f 一， 浙；【人学硕 ：。节位论文第一章绪论 场是出偏磁电流如与控制电流f 。两部分电流产生的磁场迭加而成的合成磁场，如图1 5 所 示。偏磁电流o 可由恒流源提供，产生磁感应强度玩；控制电流由加在线圈两端的控制 电压“提供，产生磁感应强度眈。控制电压嘶则是系统根据扰动力与扰动位移量x 的大小 和方向由控制器产生的。若设计偏磁电流线圈匝数l 与控制电流线圈匝数n 2 相等，即 n 1 = n 2 = n ，按图1 5 中所示的绕制方式，当存在扰动力时，由麦克斯韦电磁力公式，可以 得到电磁力f 的表达式为： 肚去( m p 一去( 灿= 华1 辫一豁l ， 出于电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，与控蒂系统 的输出控制电流无关，因而磁场迭加型电磁铁具有如下特点：( 1 ) 需要增加恒流源，电磁 轴承系统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o ，因此控制系统的设计变得简单，便于调整控制参数，同 时通过功率管的电流小，大大减轻了功率管的发热，可采用成本较低的功率管；( 3 ) 将上下 控制线圈采用反串方式联接，可使上下控制线圈共用一个功率放大器，减小驱动元器件的 数量。 b 、电流迭加型电磁铁 电流迭加型( y - 称单线圈型) 电磁铁是指偏磁电流o 与控制电流站共用一个线圈，线圈 中的电流为偏磁电流o 与控制电流站之和，如图1 6 所示，气隙中的磁场是由通过线圈的 总电流来决定的。由于磁场迭加型电磁铁和电流迭加型电磁铁都可以在电磁铁中产生同样 大小的磁场强度或磁浮力，所以两者的最终效果是相同的，因此电磁力f 表达式也是一样 的。电流迭加型电磁铁的特点如下：( 1 ) 系统结构简单，无须增加恒流源；( 2 ) 由于偏磁电流 如与控制电流f f 共用一个电磁线圈，为了实现某一个自由度上的两个电磁线圈的相反控制 量，需要两路独立的功放，从而需要额外增加驱动元器件数量。 图1 6 电流迭加型电碰铁结构图 电磁铁线圈是具有小电阻、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，因此需要对其电感值进行计算。 浙江人学硕十学位论文 第一章绪论 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是相同的。线 圈电感的可以按下式计算： k 等 ( 1 z ) 当气隙厚度占较小时，可以认为气隙磁场是均匀的，忽略磁路铁损，则总磁阻r 。为： 如= ( 去 + 鬲2 f i c 1 式中为各段磁导体的长度：h 为各段磁导体的磁导率；4 为各段磁导体的截面积；a 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( 1 3 ) 可以近似为： 如2 若 ( 1 4 ) 将式( 1 4 ) 代入式( 1 2 ) 得： k 等 ( 1 5 ) 出式( 1 5 ) 可见，线圈电感随气隙万变化而变化，当转子偏离平衡位置j 时，电感值将 变化上。由于电磁轴承在正常工作时，占一般都很小，所以电感变化量三相对于l 也 是微小量，因此在设计功放时认为线圈电感是一个常值。 1 5 本文所做的工作和内容安排 1 5 1 本文所做的工作 本文的目的是对电磁轴承功率放大器的相关工作进行研究，主要集中在下面几个方 面：分析了线性功率放大器和开关功率放大器的一些特性；研究和设计了桥式结构的功率 m o s f e t 驱动电路；完成了两电平p w m 调制开关功率放大器硬件电路的设计和调试：完 成了三电平p w m 调制开关功率放大器的硬件电路的设计和调试。 1 5 2 论文内容安排 本文主要研究了电磁轴承的功率放大器，共分为六章。第一章简要介绍了磁轴承的发 展与应用、特点以及电磁轴承系统的组成。第二章主要介绍线性功率放大器的分类、基本 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 特点、电路结构以及如何选择功率器件、电源电压等。第三章主要介绍开关功率放大器的 基本分类和基本参数、主电路开关管的选用以及电磁轴承对开关功放的基本要求。第四章 主要介绍了两电平p w m 调制开关功放的特点、主电路结构，并给出了性能测试的实验结 果。第五章主要介绍了三电平开关功放的特点、主电路以及基于d s p 的实现方法。第六章 总结了全文并对文中存在的问题进行了分析。 浙江大学硕士学位论文 第二章线性功率放大器 第二章线性功率放大器 电磁轴承系统本身是一个不稳定的系统，而系统的稳定与否取决于对电磁力的控制。 电磁轴承作用在转子上的电磁力是电磁铁线圈中电流的函数，因此可以把对系统稳定性的 控制转化为对线圈电流的控制。由于所需要的控制电流较大，不可能直接由控制器直接输 出必须使用功率放大器对控制器的信号进行放大，所以功率放大器是系统中不可缺少的 部分。电磁轴承系统中所用的功率放大器的特殊性主要表现为其负载为感性负载。因此， 。般商品化的功放产品不能满足电磁轴承系统的使用要求，电磁轴承的功率放大器应专门 设计。 2 1 功率放大器的分类 日时，功率放大器根据选择的受控变量可分为电压控制型和电流控制型，根据功率器 件导通角及工作方式的不同，可分为a 、b 、c 、d 四类，前三类可统称为线性功率放大器， d 类功率放大器又称为开关功率放大器。 功率放大器按照器件工作方式的不同一般可分为线性功率放大器和开关功率放大器 两类。 线性功率放大器按功率器件导通角的大小，可以分为a 、b 、c 三类。 a 类放大器导通焦为3 6 0 。，偏重点位于截止区和饱和区之阃。它的失真度小，可是 效率通常只有3 0 4 0 ，因此a 类功放只用于功率很小的收音机、助听器中。 b 类放大器导通角为1 8 0 。，偏置点位于截止点上。由于其导通角仅有1 8 0 。，单独使 用时失真很大，所以通常用它组成推挽放大器来使用。b 类放大器最大的优点是无信号时 理论上没有偏置电流，因而没有直流损耗，效率超过5 0 。如果给b 类放大器加少许偏置， 使其工作点上移，则构成a b 类放大器，它的效率为6 0 7 0 ，失真度较小。 c 类放大器导通角小于1 8 0 。，偏置点位于截止点以下。当信号输入超过偏置点部分 时，功率管才导通，效率通常更高，但由于失真过大，多用于高频功放作倍频用。 出a 、b 、c 类放大器的特性可知，影响放大器的效率主要因素是无信号时的真流损 耗，由于线性放大器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。工 作于开关状态的d 类放大器即开关功率放大器，它的工作状态处于开关方式，因此，具有 效率高的特点，典型值为8 5 9 5 。 无论采用线性功放还是开关功放，在具体实现时其受控变量的选择有两种方案：一是 以电磁铁的激磁电压作为控制变量，称为电压控制型功放，即输入为电压信号，输出亦为 电压信号：另一种是以电磁铁的激磁电流作为控制变量，称为电流控制型功放，即输入是 电压信号，输出是电流信号。 浙江大学硕士学位论文 第二章线性功率放大器 2 2 电压型线性功率放大器 通过控制旌加在电磁铁线圈两端的电压来实现电磁力可控的方法被称为电压控制，图 2 ，2 ( a ) 是最简单的电压型线性功率放大器( l p a ) 。设l p a 的比例系数为五，则通过电磁铁线 圈上的电流f c 满足下列方程式： 等+ r = = d , u ， ( 2 1 ) 所以可得： w ，= 揣= 器 z ， 上式中的乃是电磁铁线圈的时间常数，一般较大。此时电磁铁就好像一个低通滤波器， 在频率增大时f 即输入信号的变化率增大时) ，相移也随之增加，因而频晌的带宽受到很大 的限制。这就是这个电路实用性差的主要原因。解决上述问题的方法就是减小或消除 的影响，增加系统的带宽。减小最简单的方法就是在图2 2 ( a ) 的电路中加入电阻r ，如 图2 2 ( b ) 所示，这样做会增加电阻r 上的损耗，而对消除死的影响也不明显，所以应用的 不多。目前较常用的是如图2 。2 ( c ) 所示的具有电流反馈的功率放大器电路。这时通过电磁 铁线圈的电流f c 为： i ( s ) ：t 0 + s t o ) a - g ( s ) ( 2 3 ) ( 1 + s v o ) 0 + s r o ”) 式中：七2 志，巧2 百等矗”。南三为磁铁线圈的平衡电感咀日转子 处于平衡位置时的电感值) ，r 为磁铁线圈的直流电阻。 由式( 2 3 ) 可知，电流反馈的作用是相当于引入了一个超前环节( d 环节) ，增大了系统 响应的频带，的影响相对减小，但这时电路的增益也下降了七倍。频带增大得越宽，增 益下降的也越多，所以这种电路对消除孔的影响也是有限的。要彻底消除孔的影响就应 采用电流型线性功放。 徊) 图2 1 电压型线性功率放大器的常用电路形式 浙江人学硕十学何论文第二章线性功率放火器 采用电压型功率放大器的另一个不足之处就是功放最大输出电压对输出功率的影响 很大。根据电磁铁线圈上的电压与电流的关系，可知对放大器的输出电压的要求为： 屹狐挪w 等+ 一警 ( 2 4 ) 式中：三是电磁铁线圈的瞬时电感，i 。是最大瞬态电流。 通常对矿矗的要求达上百伏，这时功放电路激励级的电压输出要求也会相应提高，功 耗也就相应增大。如果达不到式( 2 4 ) 的要求，功放就不能正常工作。要解决功耗问题就需 要采用丌芙功率放大器。 2 3 电流型线性功率放大器 电流型功率放大器相当于一个压控电流源，其特性是输出阻抗趋于无穷大。这时放大 器的输出电流只随控制电压变化，而与负载无关。电磁轴承转子系统多采用电流型功率放 大器，采用电流控制策略可以有效地解决由t o 引起的电磁力滞屠效应的问题。 2 3 1 电流源电路与电流堑线性功率放大器 图2 2 ( a ) 为最简单的电流型线性功放电路，控制电压坎经同相放大器放大后直接带动 负载r ，此时有： 讼鼍 ( 2 5 ) 所以负载电流i 只取决于控制电压的大小而与负载r l 无关。但这种电路由于受到矾的限 制，输出电流一般很小，而负载只能采用浮地连接方式，因而这种电路在实际中很少采用。 r l r 图2 2 电流串联负反馈电流源电路 图2 2 ( b ) 是由2 2 ( a ) 电路演化出来的实用功放电路，在运放输出端加了功率管q ，用于 放大运放的输出电流，表示电磁铁。运算放大器输出的电压加在功率管基极作为控制电 压，虽然这时放大器的输入输出特性仍然不变，即满足式( 2 5 ) ，但由于在功率管q 的集电 极上施加了正向偏置电压，因而拓展了负载的取值范围。 图2 3 ( a ) 为标准的电流并联反馈恒流源电路，负载浮地连接，在理想状态下，其转移 特性为； 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章线性功率放大器 q = 百- - l g t ( + 割 b s ， 当r ，r 2 ，r l 月2 时， f l 一意 ( 2 - 7 ) 由于反相运算放大器的作用，i l 和蜥反相，且负载必须浮地，同样，这种直接由控制 电压“f 驱动的电流i c 只可能是小电流。图2 3 ( b ) 是图2 3 ( a ) 演化而来的实用功放电路，即在 运放的输出端力n 2 v t 功率管q 。该放大器的输入输出特性不变，仍满足式( 2 5 ) 。功率管q 对运放输出电流起放大作用且拓展了负载三的取值范围，r 2 为反馈电阻( 电流取样) 。就线 性功放而言。电磁轴承系统基本上采用图2 3 c o ) 所示的电流型线性功放。 图2 3 电流并联负反馈电流源电路 图2 4 ( a ) 是同时引x t i 反馈和负反馈的电流源电路，其基本原理是以r 1 作为取样电 阻。通过r 。上的电压来监视输出电流，它的转移特性为： 小 吐隶南一去卜 b s ， 其中r 2 i2 - r 2 2 ；r 2 3 = r 2 。 当条件 垦二生：上 r l ( 如+ 玛) 岛+ b 成立时， i l = - - 戌u , _ _ l 这个电路的特点是：输入电压与输出电流倒相；负载可以接地，也可以浮地。问样， 这种直接由控制电压u ，驱动的电流i l 只可能是小电流，这个电路也不能直接用来作功率放 大。图2 4 ( b ) ，2 ，4 ( c ) 都是由图2 4 ( a ) 演化而来的实用功放电路，也是在运放的输出端加了 功率管q ，前者采用负载接地方式，后者采用负载浮地方式，蚝接在功率管集电极上。现 眦 融 b h q i 。 r 艮，一 塑鲨叁! ! 堡堂壁堡苎 篁三童垡堡塾整整叁墨 以图2 4 说明其工作原理：负载电阻也接地，电流采样电阻r l 的两端分别接入反馈电阻 r 2 3 、r 2 2 并分别反馈到放大器的正相和反相端。当不接入r 2 3 时，r 1 和r l ( 负载的电阻) 共同构成采样电阻，此时流过负载也的电流i l = i l ( 流过r 1 的电流) ，因而电流将与负载r 有关。当引入胄2 3 电流反馈之后，可以证明：当满足 且：月 r 2 名r 。十e 2 9 ) 时，i l 和负载电阻r ，无关。 r 也 u 鼢l 。 l “l 、l 一、4 - r r lo r 1 i l 2 r l 图2 4 同时引入了正反馈和负反馈的电流源电路 使用图2 4 ( b ) 电路时应注意： ( 1 ) 由于对运放引入了正反馈和负反馈，整个电路的响应速度会比较快，但稳定性差。 这对电磁轴承的稳定性是不利的。 ( 2 ) 式( 2 9 ) 中阻值必须严格相等，否则i l 和负载电阻吼有关，电路就会出现较大的误 差。 2 3 2 电流型线性功率放大器的频率特性 图25 是图2 3 ( b ) 所示电路的传递函数框图，设运放i c 的增益a o ( s ) = a 以l + t o s ) ，功率 管q 的电压电流转移特性增益为a f f s ) = 爿1 “1 + t l s ) ，r 2 表示电流取样增益。整个功率放大 电路的传递函数可写为： 1 4 浙江人学硕十学位论文 第二章线性功率放人器 h u ( 加一赫蠢 ( 2 1 0 ) 图2 5 电流型功率放大器传递函数框图 为了方便分析，取r y = r l = 1 0 k f f 2 ，r 2 = i ( v a ) ，则传递函数可写成： g ( s ) = 一t 揣= 一j i j i _ j l j ( z ，) 这是一个二阶电路，交界频率峨2 j _ 毒争，阻尼比f = 三1 、t , 。+ # ) j 象象。由式( 2 1 1 ) 可 以看出，电流型功率放大器的动态特性主要取决于乃，t 1 ，a o ，a t 。因此，要设计出频 响较高的电流型功放，需选用4 0 较大，较小的高速运放以及，l 较小的高频功率管。 实际功率放大系统中往往会出现这样的问题，当阻尼比知5 时，系统处于欠阻尼，这 时幅频曲线会在交界频率。附近出现一个峰，这使得整个功放系统的相对稳定性变差。在 实际的电路调试中，常常是在运放i c 的负输出端与输出端之间接一个p f 级的小电容c 或 阻容网络，就可以较好地解决这个问题。加小电容实际上是增大了，降低了运放i c 的 频响，使系统的c 增大。这样做是以牺牲系统的频响为代价来提高了功率放大电路自身的 稳定性。 2 3 3 电流型线性功率放大器的输出功率与效率 以图2 3 ( b ) 所示电路为例，分析一下电磁轴承系统电流型线性功率放大器的输出功率 与效率。 假设功率管q 流过的电流l = 函+ u ，功放电源电压为，则此时功放系统总的功耗 为： p = ( i o + f 。) ，屹 ( 2 1 2 ) p 主要由功率放大器输出功率和功率管管耗功率组成，下面通过讨论功率管的管耗来 说明功率放大系统的输出功率和效率。设功率管管耗功率为p r u ，则： 浙江人学硕士学位论文 第二章线性功率放大器 =(厶+洲一三一掣一(厶十)粤一(厶+)恐)(213ata t ) 。- 其中r 2 为取样电阻，一般阻值较小，所耗功率也较小，故上式又可写成： 吣也。瓮m 争( 2 1 4 ) 由上式( 2 1 4 ) 可以看出，管耗功率p r u 与l o ，南，d i j d t ，l 和碰肋有关是一个 由电磁轴承系统参数及状态决定的值。 当电磁轴承系统作高速运转时，三掣和( 厶+ 之) 譬都比较大，由式( 2 1 4 ) 可知， 此时管耗p r m 较小，系统的输出功率p o 相对较大，功率放大器效率獭高。 当电磁轴承系统处于静态悬浮时，屯、上掣和( 厶+ ) 譬都比较小，此时管耗 功率p r x t z l o ，输出功率p o 硼，效率最低轳o 。从能量转换的角度来看，静止悬浮的电磁 轴承系统的磁场相对稳定，几乎没有电能通过磁场向机械能转化，因而可以认为此时的电 磁轴承系统的输出功率几乎为零。偏流仅仅维持了轴承磁场的稳定，其能量几乎全部耗在 功率管上( 取样电阻及线圈内阻一般都很小，所以功率损耗也相对较小) 。 如果采用线性功率放大器，实际的电磁轴承系统在静态悬浮时，消耗在功率管上的功 牢可能会很大。例如当取i o = 2 a ，p z = 3 0 v 时每一路功率放大器的p r m = 6 0 w 。五自由度 的电磁悬浮轴承系统共需1 0 路参数大致相同的放大器，这就意味着当系统处于静态悬浮 时，整个电磁轴承系统的总管耗高达6 0 0 w 。这么大的管耗功率将产生大量的热量，给整 个系统带来许多问题。 由式( 2 1 2 ) 可以看出，减小p t m 最有效的办法是减小而和值，然而减小i o 和会 影响电磁轴承系统的机械性能。因此选取合适的l o 和p k 在电流型线性功率放大器设计中 显得尤为重要。 2 3 4 电流型线性功率放大器电压p 么的选取 从效率的角度来看，取较低的电源电压- 么对系统是有利的。但是，过低的矿矗会严重 地影响电磁轴承系统的机械性能。在功率放大器中，有限的电源电压会导致d f d t ( f o r c e s l e wr a t e ) 受到限制。下面通过分析电磁悬浮系统对d f d t 的要求来说明p 么取值的下限。 将转子简单地视为质量为m 的刚体，被控制力f c 悬浮，由于轴承几何结构的限制， 转子位移不能大于轴承的间隙凰，否则将会发生碰撞。如果有个阶跃力f s 加到了转子 上，则其运动方程为： m i = 尼一乓( 2 1 5 ) 6 浙江大学硕士学位论文 第二章线性功率放大器 初始条件为x ( o ) = x 0 童( o ) = o 。 假设控制器作出最佳的反应，即在阶跃力r 施加的同时，电磁辅承系统就以最快速度 提供给转子一个与r 方向相反的控制力f c 。当间隙较小时，控制力f c 可以线性表示为： 而= k x ( 厶+ t ) + 0 - x 所以： 鲁= 也鲁+ k 面d x ( 2 1 6 ) v d c 图2 6 电流型线性功放偷喇 图2 3 ( b ) 电路的主要部分可以用图2 6 来表示，p 幺代表功放电源电压，l 代表电磁铁 的等效电感，r 2 为取样电阻，q 表示功率管，其内阻r 变化范围从0 5 q 到o 。从图可以 得到： 三等地埘警啪倡= 所以： 乩毪啪等啪r ( 2 1 7 ) 为了分析方便，忽略轴承电磁铁等效电感的变化，即认为d l i d t = o ，则可得： 吆三生生毪i 二丝+ ( 毛+ i c ) r ： ( 2 1 8 ) 联立式( 2 1 6 ) ( 21 8 ) 可得： ( 鲁m a 删x ) 去啪川马 ( 2 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 粗略地说明了电源电压对控制力的变化率d f c d t 的制约。在实际应用中，由于k x d x d t 难以估算，忽略其影响。 以t 讨论了在阶跃力的作用下，电磁轴承系统正常工作时对功率放大器电源电压 浙江人学硕十学位论文 第二章线性功率放大器 的要求，这可以作为设计时最基本的依据之一。推导过程中的一系列简单化处理( 认为 8 l d t = o ，忽略k x t x d t 等) 会降低这一估算方法的准确度。估算下限较好的方法是建立 起电磁轴承系统完善的机电动力学方程，通过数值计算来仿真对系统性能的影响，以 此作为设计的依据。 2 3 5 电流型线性功率放大器的振荡问题 当以大电感作为电流型线性功率放大器的负载时，放大器本身就容易出现自激振荡。 功率放大器本身的振荡可能导致整个电磁轴承系统的振荡，大大降低系统的控制精度，甚 争使系统难以正常工作。 电流型线性功率放大器产生振荡的原因比较复杂，主要有以下三点：1 、当电流型线 性功放的输入信号幅值和频率在一个相当大的范围内变动时，具有较大等效电感的电磁铁 阻抗将会大幅度地改变，功