專利名稱：一種純電磁磁軸承系統(tǒng)開(kāi)關(guān)功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種開(kāi)關(guān)功率放大器，是一種純電磁磁軸承系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)功率放大器，用于對(duì)純電磁磁軸承線圈的輸出電流進(jìn)行主動(dòng)控制，廣泛應(yīng)用于磁懸浮電動(dòng)機(jī)、磁懸浮飛輪、磁懸浮控制力矩陀螺等系統(tǒng)的磁軸承控制。
背景技術(shù)：
高速磁懸浮電動(dòng)機(jī)由于采用磁懸浮軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械軸承 ，具有轉(zhuǎn)速高、無(wú)摩擦、無(wú)需潤(rùn)滑、能量密度高、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)具有廣闊的應(yīng)用前景。功率放大器作為高速磁懸浮電動(dòng)機(jī)磁軸承控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，其能量消耗最大，減小功率放大器的能量損耗、提高集成度、增加可靠性是功率放大器設(shè)計(jì)的最主要目的之一。為了提高功率放大器的效率，高速磁懸浮電動(dòng)機(jī)磁軸承控制系統(tǒng)普遍采用開(kāi)關(guān)功率放大器。根據(jù)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路的實(shí)現(xiàn)方式不同，磁軸承用開(kāi)關(guān)功率放大器分為模擬器件實(shí)現(xiàn)和數(shù)字實(shí)現(xiàn)兩種?，F(xiàn)有的磁軸承控制系統(tǒng)功率放大器多采用圖I所示的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的兩電平PWM脈寬調(diào)制方法輸出電流紋波很大，在電磁軸承中產(chǎn)生較大的鐵耗和銅耗。由于純電磁磁軸承的電流單向流動(dòng)，全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有一個(gè)半橋是多余的，增加了功率放大器的體積和成本。在中國(guó)專利“ZL200510012131. 2”公開(kāi)的“一種用于永磁偏置電磁軸承的低紋波開(kāi)關(guān)功率放大器”中，采用模擬器件實(shí)現(xiàn)了三電平PWM脈寬調(diào)制的功能，降低了紋波損耗；但是采用模擬器件搭建的功率放大器損耗較大、體積較大，同時(shí)若要改變PWM調(diào)制方式必須進(jìn)行硬件調(diào)整，使用不方便。在中國(guó)專利“200610114390. 0”公開(kāi)的“一種用于磁懸浮飛輪磁軸承系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)功率放大器”中，采用FPGA+DSP為控制器，采用三態(tài)PWM調(diào)制方式，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，電流紋波??；但其需要在下橋兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管源極和參考地之間分別串接無(wú)感功率電阻，通過(guò)FPGA控制在回路續(xù)流時(shí)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采樣，控制方式復(fù)雜，編程實(shí)現(xiàn)困難。上述兩個(gè)專利均采用全橋結(jié)構(gòu)，控制一個(gè)線圈均需要4個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管，要實(shí)現(xiàn)具有10個(gè)線圈的純電磁磁軸承控制，需要40個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管，造成體積和損耗均有所增加。在曾學(xué)明、徐龍祥、劉正壩的文章“電磁軸承三電平PWM功率放大器研究”中提出一種圖2所示的半橋式結(jié)構(gòu)的三電平開(kāi)關(guān)功率放大器，控制一個(gè)線圈只需要兩個(gè)可控功率管和兩個(gè)不可控的二極管，能夠克服兩電平PWM脈寬調(diào)制方法輸出電流紋波很大的缺點(diǎn)，有效降低紋波和開(kāi)關(guān)損耗，但是其只能控制一路線圈，如要控制具有10個(gè)線圈的純電磁磁軸承系統(tǒng)則需要20個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管，體積和損耗均有所增加。在中國(guó)專利“200710120705. 7”公開(kāi)的“一種用于磁軸承系統(tǒng)基于空間矢量的開(kāi)關(guān)功率放大器”中，采用圖3所示的三橋臂結(jié)構(gòu)作為主電路，采用FPGA+DSP作為控制器，利用二維空間矢量調(diào)制方法，大大降低了電流紋波損耗，而且中間橋臂被兩個(gè)磁軸承線圈所公用，減少了功率開(kāi)關(guān)管的數(shù)量，減小了功放電路的體積；利用此結(jié)構(gòu)控制具有10路線圈的純電磁磁軸承系統(tǒng)則需要30個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管，并且該結(jié)構(gòu)的本質(zhì)還是全橋結(jié)構(gòu)，對(duì)電流單向流動(dòng)純電磁軸承而言，功放電路體積和功耗仍較大。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種純電磁磁軸承系統(tǒng)開(kāi)關(guān)功率放大器，采用基于空間矢量的調(diào)制方式，減少了功率開(kāi)關(guān)管的數(shù)量和功放電路的體積，降低了紋波的幅值，降低了磁軸承系統(tǒng)的損耗，同時(shí)具有響應(yīng)速度快，編程靈活的特點(diǎn)；采用高精度的電流互感器作為電流反饋檢測(cè)電路，將控制電和功率電有效結(jié)合，安全性高，檢測(cè)精度高，抗干擾性強(qiáng)、響應(yīng)帶寬高，易于實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案一種純電磁磁軸承系統(tǒng)開(kāi)關(guān)功率放大器，主要包括控制器、隔離驅(qū)動(dòng)電路、四橋臂功率主電路、電流反饋檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)濾波電路，其中控制器通過(guò)其內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換接口對(duì)位移傳感器的位移信號(hào)和按照規(guī)定極性接入的磁軸承三個(gè)線圈的電流反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，利用采集到的位移信號(hào)和磁軸承轉(zhuǎn)子參考位移信號(hào)做差，對(duì)磁軸承位置誤差信號(hào)按照控制算法計(jì)算，生成電流期望信號(hào)值，并將電流期望信號(hào)值與電流反饋信號(hào)值進(jìn)行做差，根據(jù)誤差信號(hào)大小利用空間矢量算法進(jìn)行PWM調(diào)制，輸出四路PWM信號(hào)(PWM1 PWM4)，送至隔離驅(qū)動(dòng)電路；隔離驅(qū)動(dòng)電路輸入與控制器輸出的PWMl PWM4信號(hào)相連，輸出四橋臂功率主電路中可控功率開(kāi)關(guān)管VTl VT4的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S4，直接與四橋臂功率主電路可控功率開(kāi)關(guān)管的柵極相連；四橋臂功率主電路由隔離驅(qū)動(dòng)電路輸出的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S4控制上、下橋臂四個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管VTl VT4的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而在磁軸承三個(gè)線圈中生成與電流控制量成比例的電流輸出；電流反饋檢測(cè)電路輸入直接與四橋臂功率主電路相串聯(lián)，輸出接信號(hào)調(diào)理電路，用于檢測(cè)四橋臂功率主電路的三個(gè)磁軸承線圈電流反饋信號(hào)；調(diào)理電路與信號(hào)濾波電路相接，用于對(duì)三個(gè)電流反饋檢測(cè)電路輸出的電流反饋信號(hào)進(jìn)行電平偏移、放大或者縮小；信號(hào)濾波電路與信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理之后的信號(hào)相連接，用于濾除輸入信號(hào)中的噪聲信號(hào)，輸出的三個(gè)電流反饋信號(hào)接至控制器的AD轉(zhuǎn)換口進(jìn)行采集。所述的控制器由DSP和FPGA組成，其中DSP作為主控制器，主要負(fù)責(zé)完成磁軸承轉(zhuǎn)子位置信號(hào)控制算法和空間矢量算法，F(xiàn)PGA作為DSP外圍的接口芯片，用作輔助控制器，主要用來(lái)接收DSP的命令，產(chǎn)生需要的PWM信號(hào)。所述四橋臂功率主電路采用四個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管和四個(gè)不可控的快恢復(fù)二極管獨(dú)立控制三個(gè)線圈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中VTl與Dl構(gòu)成第一橋臂；D2與VT2構(gòu)成第二橋臂；VT3與D3構(gòu)成第三橋臂；D4與VT4構(gòu)成第四橋臂，磁軸承線圈LI接在第一橋臂與第二橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為A和B，線圈兩端電壓為Uab ;磁軸承線圈L2接在第二橋臂與第三橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為B和C，線圈兩端電壓為Ubc ;磁軸承線圈L3接在第三橋臂與第四橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為C和D，線圈兩端電壓為UCD，即第二橋臂和第三橋臂為兩個(gè)磁軸承線圈的公用橋臂，B和C兩點(diǎn)為兩個(gè)磁軸承線圈公用連接點(diǎn)。[0019]所述的規(guī)定極性是指線圈LI的正極“ + ”與四橋臂功率主電路(3)中的第一橋臂的中點(diǎn)A相連，線圈LI的負(fù)極與四橋臂功率主電路(3)中的第二橋臂的中點(diǎn)B相連；線圈L2的正極與四橋臂功率主電路(3)中的第二橋臂的中點(diǎn)B相連，線圈L2的負(fù)極“ + ”與四橋臂功率主電路(3)中的第三橋臂的中點(diǎn)C相連；線圈L3的正極“ + ”與四橋臂功率主電路(3)中的第三橋臂的中點(diǎn)C相連，線圈L3的負(fù)極與四橋臂功率主電路(3)中的第四橋臂的中點(diǎn)D相連。本實(shí)用新型與現(xiàn)有的模擬器件實(shí)現(xiàn)或數(shù)字實(shí)現(xiàn)的磁軸承用功率放大器相比，優(yōu)點(diǎn)在于( I)通常控制一個(gè)純電磁磁軸承系統(tǒng)需要控制兩個(gè)徑向磁軸承和兩個(gè)軸向磁軸承共10個(gè)線圈(一個(gè)徑向磁軸承X+、y+、X-、y_、另一個(gè)徑向磁軸承X+、y+、x_、y_、一個(gè)軸向 磁軸承z+、另一個(gè)軸向磁軸承z-)，本實(shí)用新型通過(guò)采用空間矢量控制技術(shù)和四橋臂功率主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用四個(gè)可控功率管和四個(gè)不可控的快恢復(fù)二極管獨(dú)立控制三個(gè)獨(dú)立的線圈電流，需要的功率管由20個(gè)(10個(gè)線圈全部采用圖2所示的結(jié)構(gòu))減少為14個(gè)(一個(gè)四橋臂功率主電路分別控制一個(gè)徑向磁軸承x+、y+方向和一個(gè)軸向磁軸承z+方向的三個(gè)線圈，另一個(gè)四橋臂功率主電路分別控制同一個(gè)徑向磁軸承x-、y_方向和另一個(gè)軸向磁軸承Z-方向的三個(gè)線圈，如圖4所示，共需要8個(gè)可控功率管；一個(gè)三橋臂主電路控制另一個(gè)徑向磁軸承的x+、y+方向，另一個(gè)三橋臂主電路控制該徑向磁軸承的x-、y_方向，如圖7所示，共需要6個(gè)可控功率管，共14個(gè)可控功率管)，減少了功率管的數(shù)量和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，減小了功放電路的體積，提高了集成度，降低了紋波的幅值和磁軸承系統(tǒng)的損耗。(2)本實(shí)用新型采用高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP和FPGA的組合進(jìn)行空間矢量調(diào)制，將DSP作為主控制器，充分發(fā)揮其計(jì)算能力強(qiáng)和外圍接口豐富的優(yōu)點(diǎn)，具有快速的系統(tǒng)響應(yīng)，F(xiàn)PGA作為輔助控制器，兼做DSP的外圍擴(kuò)展，充分發(fā)揮其編程靈活的優(yōu)點(diǎn)。

圖I為現(xiàn)有的單線圈全橋功率主電路圖；圖2為現(xiàn)有的單線圈半橋功率王電路圖；圖3為現(xiàn)有的三橋臂全橋功率主電路圖；圖4為本實(shí)用新型的硬件組成框圖；圖5為本實(shí)用新型的空間矢量算法的基本矢量圖；圖6為本實(shí)用新型的空間矢量算法中第3區(qū)間矢量的等效分解圖；圖7為三橋臂半橋功率主電路圖；圖8為本實(shí)用新型的控制器組成及流程圖；圖9為本實(shí)用新型的空間矢量算法流程圖；圖10為本實(shí)用新型的電流反饋檢測(cè)電路；圖11為本實(shí)用新型的信號(hào)調(diào)理電路與信號(hào)濾波電路電路。
具體實(shí)施方式
如圖4所示，本實(shí)用新型主要包含控制器、隔離驅(qū)動(dòng)電路、四橋臂功率主電路、電流反饋檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)濾波電路，其中控制器通過(guò)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換接口對(duì)位移傳感器的位移信號(hào)和按照規(guī)定極性接入的磁軸承三個(gè)線圈的電流反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，利用采集到的位移信號(hào)和磁軸承轉(zhuǎn)子參考位移信號(hào)做差，對(duì)磁軸承位置誤差信號(hào)按照控制算法計(jì)算，生成電流期望信號(hào)值，并將電流期望信號(hào)值與電流反饋信號(hào)值進(jìn)行做差，根據(jù)誤差信號(hào)大小利用空間矢量算法進(jìn)行PWM調(diào)制，輸出四路PWM信號(hào)(PWM1 PWM4)，送至隔離驅(qū)動(dòng)電路；隔離驅(qū)動(dòng)電路的輸入與控制器輸出的PWMl PWM4信號(hào)相連，輸出四橋臂功率主電路中可控功率開(kāi)關(guān)管VTl VT4的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S4，直接與四橋臂功率主電路可控功率開(kāi)關(guān)管的柵極相連；四橋臂功率主電路由隔離驅(qū)動(dòng)電路輸出的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S4控制上、下橋臂四個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管VTl VT4的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而在磁軸承三個(gè)線圈中生成與電流控制量成比例的電流輸出；電流反饋檢測(cè)電路輸入直接與四橋臂功率主電路相串聯(lián)，輸出接信號(hào)調(diào)理電路，用于檢測(cè)四橋臂功率主電路的三個(gè)磁軸承線圈電流反饋信號(hào)；調(diào)理電路與信號(hào)濾波電路相接，用于對(duì)三個(gè)電流反饋檢測(cè)電路輸出的電流反饋信號(hào)進(jìn)行電平偏移、放大或者縮??；信號(hào)濾波電路與信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理之后的信號(hào)相連接，用于濾除輸入信號(hào)中的噪聲信號(hào)，輸出的三個(gè)電流反饋信號(hào)接至控制器的AD轉(zhuǎn)換口進(jìn)行采集?？刂破靼骺刂破鱀SP和輔助控制器FPGA。主控制器DSP利用內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換接口對(duì)位移傳感器的位移信號(hào)和按照規(guī)定極性接入的磁軸承三個(gè)線圈的電流反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，利用采集到的位移信號(hào)和磁軸承轉(zhuǎn)子參考位移信號(hào)做差，對(duì)磁軸承位置誤差信號(hào)按照控制算法計(jì)算，生成電流期望信號(hào)值，并將電流期望信號(hào)值與電流反饋信號(hào)值進(jìn)行做差得到三個(gè)誤差信號(hào)，利用三個(gè)誤差進(jìn)行PID運(yùn)算得到空間矢量期望的電壓調(diào)節(jié)量。DSP根據(jù)得到的空間矢量期望的電壓調(diào)節(jié)量的大小和方向，按照空間矢量算法生成四路比較值送往輔助控制器FPGA，F(xiàn)PGA將四路比較值與三角載波的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，得到四橋臂功率主電路四個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管的PWMl PWM4信號(hào)；經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)電路2生成四橋臂功放主電路3的四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1 S4，由SI S4控制四個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，電流反饋檢測(cè)電路4通過(guò)隔離檢測(cè)四橋臂功率主電路3中磁軸承線圈的電流值，得到線圈的電流反饋信號(hào)。其中VTl與Dl構(gòu)成第一橋臂；VT2與D2構(gòu)成第二橋臂；VT3與D3構(gòu)成第三橋臂；VT4與D4構(gòu)成第四橋臂，磁軸承線圈LI接在第一橋臂與第二橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為A和B，線圈兩端電壓為Uab ;磁軸承線圈L2接在第二橋臂與第三橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為B和C，線圈兩端電壓為Ubc ;磁軸承線圈L3接在第三橋臂與第四橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為C和D，線圈兩端電壓為UCD，即第二橋臂和第三橋臂為兩個(gè)磁軸承線圈的公用橋臂，B和C兩點(diǎn)為兩個(gè)磁軸承線圈公用連接點(diǎn)。磁軸承線圈LI、磁軸承線圈L2和磁軸承線圈L3中分別串連一個(gè)高精度電流傳感器，有效地將控制電和功率電進(jìn)行隔離，檢測(cè)線圈的電流。如圖4所示，三個(gè)線圈必須按照規(guī)定極性接入四橋臂主電路，即線圈LI的正極“ + ”與四橋臂功率主電路(3)中的第一橋臂的中點(diǎn)A相連，線圈LI的負(fù)極與四橋臂功率主電路(3)中的第二橋臂的中點(diǎn)B相連；線圈L2的正極與四橋臂功率主電路(3)中的第二橋臂的中點(diǎn)B相連，線圈L2的負(fù)極“ + ”與四橋臂功率主電路(3)中的第三橋臂的中點(diǎn)C相連；線圈L3的正極“ + ”與四橋臂功率主電路(3)中的第三橋臂的中點(diǎn)C相連，線圈L3的負(fù)極與四橋臂功率主電路(3)中的第四橋臂的中點(diǎn)D相連。如圖8所示，本實(shí)用新型的控制器由主控制器DSP和輔助控制器FPGA組成。DSP作為主控制器，主要負(fù)責(zé)完成磁軸承轉(zhuǎn)子位置信號(hào)控制算法和空間矢量算法；FPGA作為DSP外圍的接口芯片，用作輔助控制器，主要用來(lái)接收DSP的命令，產(chǎn)生需要的PWM信號(hào)；DSP調(diào)用內(nèi)置AD接口進(jìn)行反饋電流采樣和位移采樣，并利用采集到的位移信號(hào)和磁軸承轉(zhuǎn)子參考位移信號(hào)做差，對(duì)磁軸承位置誤差信號(hào)進(jìn)行控制算法后，生成電流期望值，DSP將此電流期望值與之前電流反饋信號(hào)的采樣值進(jìn)行做差后得到三個(gè)誤差值，利用三個(gè)誤差進(jìn)行PID運(yùn)算得到空間矢量期望的電壓調(diào)節(jié)量。DSP根據(jù)得到的空間矢量期望的電壓調(diào)節(jié)量大小和方向，應(yīng)用空間矢量法計(jì)算出四橋主電路四個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管期望的導(dǎo)通時(shí)間，并利用該導(dǎo)通時(shí)間計(jì)算出導(dǎo)通觸發(fā)時(shí)刻和關(guān)斷觸發(fā)時(shí)刻，并將關(guān)斷觸發(fā)時(shí)刻轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的比較值送至FPGA用來(lái)生成PWM信號(hào)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生周期為T的三角載波計(jì)數(shù)，同時(shí)接受DSP送來(lái)的四個(gè)比較值分別與三角載波計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，若送來(lái)的比較值大于生成的三角載計(jì)數(shù)值，則輸出高電平，反之則輸出低電平，由此得到四個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管的PWM信號(hào)PWMl PWM4。如圖5所示，根據(jù)SI、S2、S3和S4的狀態(tài)，四個(gè)橋臂可以組合出十六種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其中包括兩個(gè)零矢量和十四個(gè)非零矢量。由S1、S2、S3和S4組成的十六種開(kāi)關(guān)狀態(tài)(0000)，
(0001)，...，(1111)分別對(duì)應(yīng)著輸出十六個(gè)基本電壓矢量V0，VI，. . .，V15。其中V5和VlO是兩個(gè)零基本電壓矢量，Vl V14分別對(duì)應(yīng)十四個(gè)非零基本電壓矢量，這十六個(gè)基本電壓矢量把空間XYZ分為24個(gè)區(qū)間。十六種基本空間矢量對(duì)應(yīng)三個(gè)磁軸承線圈的十六種導(dǎo)通狀態(tài)。每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的空間電壓矢量由每個(gè)區(qū)間的三個(gè)非零基本電壓矢量合成。本實(shí)用新型采用對(duì)稱的九段式空間矢量脈寬調(diào)制方式，各個(gè)基本矢量在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中被分為九段，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)始和結(jié)束階段，是零矢量VlO作用時(shí)間，而開(kāi)關(guān)周期的中間時(shí)間段是零基本矢量V5作用時(shí)間，零矢量VlO和V5將零矢量的導(dǎo)通時(shí)間平分，另外三個(gè)非零基本電壓矢量要平均分成兩部分對(duì)稱地分布在零基本矢量V5的左右兩側(cè)，這樣整個(gè)周期對(duì)稱分為九段，各個(gè)基本矢量在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的作用順序和時(shí)間是對(duì)稱分布的，所產(chǎn)生的各路脈寬調(diào)制信號(hào)也是對(duì)稱的。％為零矢量作用的時(shí)間A1U2和t3分別為所處區(qū)間三個(gè)非零基本矢量按照導(dǎo)通順序依次的作用時(shí)間。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)始和結(jié)束階段，是零矢量VlO的作用時(shí)間4/4，而開(kāi)關(guān)周期的中間時(shí)間段是零矢量V5作用時(shí)間4/2，另外三個(gè)非零基本電壓矢量要平均分成兩部分對(duì)稱地分布在零矢量V5的左右兩側(cè)，基本電壓矢量的作用順序的選取原則保證每次開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換都只有一位發(fā)生改變，即當(dāng)四個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管從一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)化到另一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，只有一個(gè)橋臂參與換流，這樣不僅可以減少開(kāi)關(guān)次數(shù)，而且可以降低開(kāi)關(guān)損耗。如圖9所示，本實(shí)用新型所采用的空間矢量算法的實(shí)現(xiàn)流程。在磁軸承的工作過(guò)程中，空間矢量算法中每個(gè)區(qū)間里基本電壓矢量的作用順序和功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)信號(hào)成相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以實(shí)際控制當(dāng)中首先要計(jì)算三個(gè)磁軸承線圈的電流誤差信號(hào)；然后根據(jù)三個(gè)電流誤差進(jìn)行PID運(yùn)算得到空間矢量期望的電壓調(diào)節(jié)量，根據(jù)表I判斷電壓矢量位于哪個(gè)區(qū)間；根據(jù)所處區(qū)間查找表2得到三個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間tpt2、t3，然后利用公式計(jì)算h，進(jìn)而根據(jù)表2得到四個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷觸發(fā)時(shí)刻ttaigttrig off 2, ttrig off 3, ttrig off 4 ;將得到的關(guān)斷觸發(fā)時(shí)刻作為比較值送至FPGA，與FPGA的三角載波計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，若送來(lái)的比較值大于生成的三角載計(jì)數(shù)值，則輸出高電平，反之則輸出低電平，由此得到四個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管的PWM信號(hào)PWMl PWM4。表I中的Ux、Uy、Uz分別代表空間矢量中三個(gè)線圈期望的參考電壓調(diào)節(jié)量，表2中的X、Y、Z分別代表空間矢量中三個(gè)線圈期望的參考電壓調(diào)節(jié)量Ux、Uy、Uz, T代表載波周期，U代表供電直流電壓的幅值。[0042]表I區(qū)間電壓作用順序以及區(qū)間判斷條件
權(quán)利要求1.一種純電磁磁軸承系統(tǒng)開(kāi)關(guān)功率放大器，其特征在于包括控制器(I)、隔離驅(qū)動(dòng)電路(2)、四橋臂功率主電路(3)、電流反饋檢測(cè)電路(4)、信號(hào)調(diào)理電路(5)、信號(hào)濾波電路(6)，其中 控制器(I):通過(guò)其內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換接口對(duì)位移傳感器的位移信號(hào)和按照規(guī)定極性接入的磁軸承三個(gè)線圈的電流反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，利用采集到的位移信號(hào)和磁軸承轉(zhuǎn)子參考位移信號(hào)做差，對(duì)磁軸承位置誤差信號(hào)按照控制算法計(jì)算，生成電流期望信號(hào)值，并將電流期望信號(hào)值與電流反饋信號(hào)值進(jìn)行做差，根據(jù)誤差信號(hào)大小利用空間矢量算法進(jìn)行PWM調(diào)制，輸出四路PWM信號(hào)(PWM1 PWM4)，送至隔離驅(qū)動(dòng)電路(2)； 隔離驅(qū)動(dòng)電路(2):輸入與控制器(I)輸出的PWMl PWM4信號(hào)相連，輸出四橋臂功率主電路(3)中可控功率開(kāi)關(guān)管VTl VT4的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S4，直接與四橋臂功率主電路(3)可控功率開(kāi)關(guān)管的柵極相連； 四橋臂功率主電路(3):由隔離驅(qū)動(dòng)電路(2)輸出的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S4控制 上、下橋臂四個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管VTl VT4的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而在磁軸承三個(gè)線圈中生成與電流控制量成比例的電流輸出； 電流反饋檢測(cè)電路(4):輸入直接與四橋臂功率主電路(3)相串聯(lián)，輸出接信號(hào)調(diào)理電路(5)，用于檢測(cè)四橋臂功率主電路(3)的三個(gè)磁軸承線圈電流反饋信號(hào)； 調(diào)理電路(5):與信號(hào)濾波電路(6)相接，用于對(duì)三個(gè)電流反饋檢測(cè)電路(4)輸出的電流反饋信號(hào)進(jìn)行電平偏移、放大或者縮??； 信號(hào)濾波電路(6):與信號(hào)調(diào)理電路(5)調(diào)理之后的信號(hào)相連接，用于濾除輸入信號(hào)中的噪聲信號(hào)，輸出的三個(gè)電流反饋信號(hào)接至控制器(I)的AD轉(zhuǎn)換口進(jìn)行采集。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種純電磁磁軸承系統(tǒng)開(kāi)關(guān)功率放大器，其特征在于所述的控制器(I)由DSP和FPGA組成，其中DSP作為主控制器，主要負(fù)責(zé)完成磁軸承轉(zhuǎn)子位置信號(hào)控制算法和空間矢量算法，F(xiàn)PGA作為DSP外圍的接口芯片，用作輔助控制器，主要用來(lái)接收DSP的命令，產(chǎn)生需要的PWM信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種純電磁磁軸承系統(tǒng)開(kāi)關(guān)功率放大器，其特征在于所述四橋臂功率主電路(3)采用四個(gè)可控功率開(kāi)關(guān)管和四個(gè)不可控的快恢復(fù)二極管獨(dú)立控制三個(gè)線圈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中VTl與Dl構(gòu)成第一橋臂；D2與VT2構(gòu)成第二橋臂；VT3與D3構(gòu)成第三橋臂；D4與VT4構(gòu)成第四橋臂，磁軸承線圈LI接在第一橋臂與第二橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為A和B，線圈兩端電壓為Uab ;磁軸承線圈L2接在第二橋臂與第三橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為B和C，線圈兩端電壓為Ubc ;磁軸承線圈L3接在第三橋臂與第四橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為C和D，線圈兩端電壓為Um，即第二橋臂和第三橋臂為兩個(gè)磁軸承線圈的公用橋臂，B和C兩點(diǎn)為兩個(gè)磁軸承線圈公用連接點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種純電磁磁軸承系統(tǒng)開(kāi)關(guān)功率放大器，其特征在于所述的規(guī)定極性是指線圈LI的正極“ + ”與四橋臂功率主電路(3)中的第一橋臂的中點(diǎn)A相連，線圈LI的負(fù)極與四橋臂功率主電路(3)中的第二橋臂的中點(diǎn)B相連；線圈L2的正極 與四橋臂功率主電路(3)中的第二橋臂的中點(diǎn)B相連，線圈L2的負(fù)極“ + ”與四橋臂功率主電路(3)中的第三橋臂的中點(diǎn)C相連；線圈L3的正極“ + ”與四橋臂功率主電路(3)中的第三橋臂的中點(diǎn)C相連，線圈L3的負(fù)極與四橋臂功率主電路(3)中的第四橋臂的中點(diǎn)D相連。
專利摘要一種純電磁磁軸承系統(tǒng)開(kāi)關(guān)功率放大器，是一種用來(lái)對(duì)純電磁磁軸承線圈中的電流進(jìn)行主動(dòng)控制的裝置，其主要包括控制器、隔離驅(qū)動(dòng)電路、四橋臂功率主電路、電流反饋檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)濾波電路。該數(shù)字開(kāi)關(guān)功率放大器由控制器計(jì)算電流采樣值與電流期望值的誤差之后進(jìn)行基于空間矢量的PWM調(diào)制，再將調(diào)制完成的PWM信號(hào)經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)電路控制四橋臂功率主電路中功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而達(dá)到控制磁軸承線圈電流的目的。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了一種適用于純電磁磁軸承控制系統(tǒng)的數(shù)字開(kāi)關(guān)功率放大器，減少了功率開(kāi)關(guān)管的數(shù)量和輸出紋波電流的幅值，降低了電磁軸承的損耗。
文檔編號(hào)F16C32/04GK202798516SQ20122039781
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者崔臣君, 房建成, 洪勢(shì), 吳蓉, 劉剛, 韓邦成, 鄭世強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京海斯德電機(jī)技術(shù)有限公司