一种用于电磁轴承的三态功率放大器的设计

尹强，庞浩，任晓丹，陈天锦，常志国，罗治军（许继电源有限公司，河南许昌461000）



一种用于电磁轴承的三态功率放大器的设计

尹强，庞浩，任晓丹，陈天锦，常志国，罗治军
（许继电源有限公司，河南许昌461000）

摘要：针对三态调制技术输出电流纹波小、电磁噪声小、线圈损耗小、控制响应速度快的优点，提出了比较-PWM控制调制技术。该方法为上管驱动采用PWM占空比可调的控制，下管驱动采用比较输出的控制，可以实现三态工作方式。试验结果表明，采用比较-PWM控制调制技术，能够实现三态工作方式，减小输出电流纹波，同时具有较好的动态特性、跟随特性和稳态特性，对电磁轴承用三态功率放大器的设计制作有一定的指导意义。

关键词：电力电子；三态；比较-PWM；功率放大器；电磁轴承

传统的机械式推力轴承具有摩擦、磨损及由此产生的温升等缺陷，影响旋转机械的速度和精度。而磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中，然后将转子以旋转电机驱动，使其绕特定轴线旋转，转子与定子之间无接触、无摩擦、是使用寿命长、不用润滑、高精度的一种新型、高性能轴承［1-2］。

功率放大器是磁悬浮轴承控制系统中非常重要的一部分，它提供线圈足够的电流来产生需要的电磁力，其性能不仅决定磁悬浮轴承能否实现稳定悬浮，也影响系统的承载能力和动态性能。电磁轴承系统在早期多采用线性功率放大器，由于线性功放的效率较低、体积相对较大、功率适应范围小等不足，现在电磁轴承系统中几乎都采用效率高、动态特性好的开关功率放大器［1］。

较早的磁悬浮轴承开关功放大都采用两态调制技术，存在电流纹波大、动态特性受限等缺点，而三态调制技术能有效地降低电流纹波，减小电磁噪声，同时减小了线圈的铜损耗，此外还有利于提高开关功放的电流响应速度和控制力响应速度，进而提高系统的整体性能。因此三态功率放大器是近来研究较多的一种控制方式［1-9］。

功率放大器的两个主要指标，一个是电流跟踪动态特性，另一个是输出电流纹波大小。本文针对三态控制调制技术的优势，提出了比较-PWM控制调制技术，其上管驱动采用PWM占空比可调的控制，下管驱动采用比较输出的控制，设计了一种用于电磁轴承的三态功率放大器，实现了三态工作方式，控制由模拟电路组成，结构简单，能够实现线圈的低纹波电流输出，同时具有较好的动态特性。

1　三态功率放大器的设计

所设计及研究的三态功率放大器的主回路如图1所示。Q1和Q2为功率MOSFET管，D1和D2为功率快恢复二极管，电解电容E1和无感电容C1为支撑母线电压和吸收功率管尖峰的作用，Rm为电磁轴承线圈的电阻，Lm为电磁轴承线圈的电感，电流互感器串联在回路中用于采样电感电流。

图1　三态功率放大器主回路Fig.1 Main circuit of tri-state power amplifier

1.1三态功率放大器的工作原理［1，3，7］

基于三态控制的功率放大器有3种工作状态：充电状态、续流状态和放电状态。1）充电状态的原理图如图2所示。功率开关管Q1和Q2同时开通，功率快恢复二极管D1和D2同时关断，线圈电流增大，忽略功率管的导通压降，线圈两端电压为电源电压。其回路为Q1，电流互感器，Rm，Lm和Q2的充电状态。2）续流状态的原理图如图3所示。功率开关管Q1开通，Q2关断，功率快恢复二极管D2开通，D1关断，线圈电流沿同方向续流。其回路为D2，电流互感器，Rm，Lm和Q2的续流状态。3）放电状态的原理图如图4所示。功率开关管Q1和Q2同时关断，功率快恢复二极管D1和D2同时开通，线圈电流减小，忽略二极管的导通压降，电源电压反向加载于线圈两端。其回路为D2，电流互感器，Rm，Lm和D1的放电状态。通过3种工作状态之间的切换，使得线圈中的电流跟踪给定电流的变化，实现功率放大的目的。

图2　充电状态Fig.2 Charging status

图3　续流状态Fig.3 The continued flow state

图4　放电状态Fig.4 Discharging status

1.2三态功率放大器的电路实现

控制调节电路、脉冲调制电路和隔离驱动电路组成了三态功率放大的控制调制方法，其中，比较-PWM控制调节电路包括信号调理电路、PI调节电路、比较电路和PWM调节器，控制框图如图5所示。

图5　控制框图Fig.5 The control block diagram

比较控制调节的电路图如图6所示。电流给定信号经滤波调理后得到IGB信号，电阻R41、电阻R42、电阻R43和运放实现给定信号1/100的抬升，然后经滤波电路和运放通过电阻R48接到比较器的同相输入端，电流反馈信号经信号调理电路得到IFB信号，再经电阻R49接到比较器的反相输入端，比较后的高低电平为脉冲电压驱动方波信号G2。

图6　比较控制电路Fig.6 The comparison control circuit

PWM控制调节的电路图如图7所示。电流反馈信号经信号调理电路得到IFA信号，电流给定经滤波调理后得到IGA信号，两者经高噪声抑制比、高精度运放及PI调节器得到误差信号EO1。PWM调节器将误差信号与内部的载波进行比较得到占空比可调的脉冲电压驱动方波信号G1。

图7　PWM控制电路Fig.7 The PWM control circuit

脉冲电压驱动方波信号G1和G2，经脉冲调制电路和隔离驱动电路得到DRV1_G，DRV1_E和DRV2_G，DRV2_E，分别来直接驱动半桥主回路中功率管Q1和Q2的开通与关断，从而达到控制电磁轴承线圈电流的目的。

2　实验

设计制造了一套为10自由度磁悬浮轴承提供驱动的三态功率放大器。该系统共需10个功率放大器向10个自由度的电磁线圈供电。其每个功率放大器的技术指标为：直流母线电压300 V，最大输出电流30 A，线圈电感10 mH，线圈电阻小于1 Ω。其中电流即可为正弦峰值电流30 A，频率为0.1 Hz～1 kHz，也可为直流30 A。

测试仪器：数字示波器为MS03014，示波器探头P6139A，高压差分探头P5205，可编程大功率交直流电源MX30-3PI-400-LF-SNK，函数信号发生器AFG3022B。

按照输入电压与输出电流的变比为3 A/V，电流传感器LAH-50NP的转换比为2 000∶1。CH1为电流给定通道，CH2为电流反馈通道，CH3为驱动DRV1_G，CH4为驱动DRV2_G。图8为给定端加入直流偏置5 V，交流分量幅值为2.7 V、频率0.1 Hz的正弦波，可知功率放大器的输出电流23 A；图9为给定端加入直流偏置5 V，交流分量幅值2.7 V、频率100 Hz的正弦波，可知功率放大器的输出电流23 A；图10、图11为给定端加入直流偏置5 V，交流分量幅值0.5 V、频率分别为0.1 Hz，1 000 Hz的正弦波，可知功率放大器的输出电流为16.5 A；图12为功率放大器的驱动波形。

图8　5 V+0.1 Hz/2.7 V的给定与反馈波形Fig.8 The given and feedback waveforms at 5 V+0.1 Hz/2.7 V

图9　5 V+100 Hz/2.7 V的给定与反馈波形Fig.9 The given and feedback waveforms at 5 V+100 Hz/2.7 V

图10　5 V+0.1 Hz/0.5 V的给定与反馈波形Fig.10 The given and feedback waveforms at 5 V+0.1 Hz/0.5 V

图11　5 V+1 kHz/0.5 V的给定与反馈波形Fig.11 The given and feedback waveforms at 5 V+1 kHz/0.5 V

图12　驱动波形Fig.12 The waveforms of driving signal

从图8和图9可以看出，输出电流纹波小、电流信号失真较小，输出电流能快速跟踪输入信号的变化，有较好的跟踪特性和稳态特性。从图10和图11可以看出，从低频到高频波形比较稳定，而且纹波很小，反应了动态特性和稳态特性好并且具有很高的带宽。从图12可以看出，磁功率放大器能够实现三态工作方式。

3　结论

本文设计了一款用于电磁轴承的三态功率放大器，详细地分析了其工作原理，并进行了关键性电路的原理图设计。试验结果表明，采用提出的比较-PWM控制调制技术，上管驱动采用PWM占空比可调的控制，下管驱动采用比较输出的控制，能够实现三态工作方式，减小输出电流纹波，同时具有较好的动态特性、跟随特性和稳态特性，对电磁轴承用三态功率放大器的设计制作有一定的指导意义。

参考文献

［1］王军，徐龙祥.磁悬浮轴承开关功率放大器系统建模及控制研究［J］.中国机械工程，2010，21（4）：477-481.

［2］李冰，邓智泉，严仰光.磁轴承三态开关功率放大器的电流模式控制［J］.电力电子技术，2003，37（4）：52-55.

［3］臧晓敏，王晓琳，仇志坚，等.磁轴承开关功放中电流三态调制技术的研究［J］.中国电机工程学报，2004，24（9）：167-172.

［4］翟小飞，刘德志，欧阳斌，等.对称PWM减小H半桥型开关功放电流纹波的新方法［J］.电力自动化设备，2011，31 （2）：58-61.

［5］徐春广，武涵，吕冬名，等.磁轴承三态脉宽调制开关功放设计研究［J］.微计算机信息，2009，25（6）：258-259.

［6］周丹，祝长生.一种电磁轴承用三电平PWM开关功率放大器的失效机制［J］.中国电机工程学报，2010，30（36）：103-110.

［7］张丹红，董瑞，刘开培，等.一种应用于主动磁轴承控制的三态功放设计［J］.电力电子技术，2006，40（3）：112-114.

［8］董建磊，王军闯.磁悬浮推力轴承三电平PWM开关功率放大器设计［J］.电工电气，2009（2）：12-14.

［9］周丹，祝长生.主动电磁轴承电流型开关功率放大器的调制技术［J］.机械工程学报，2010，46（20）：1-8.

修改稿日期：2015-09-11

Design of the Tri-state Power Amplifier for Electromagnetic Bearings

YIN Qiang，PANG Hao，REN Xiaodan，CHEN Tianjin，CHANG Zhiguo，LUO Zhijun
（XJ Power C0.，Ltd.，XJ Group Corporation，Xuchang 461000，Henan，China）

Abstract:For the advantages of the tri-state modulation technique，small output current ripple，low electromagnetic interference，less coil losses，and rapid control response speed，proposed the control modulation technique of comparison-PWM（pulse width modulation）. The upper power transistor was controlled by the adjustable PWM duty cycle and the lower one was controlled by the output of the comparison. The tri-state could be achieved with this mode. The test results show that the comparison-PWM control modulation technology can achieve the tri-state work，reduce the output current ripple，and have good dynamic characteristics，following features and steady state performance. The conclusions have some guiding significance to the design of the tri-state power amplifier for electromagnetic bearings.

Key words:power electronics；tri-state；comparison-PWM；power amplifier；electromagnetic bearings

收稿日期：2015-04-23

作者简介：尹强（1984-），男，硕士研究生，工程师，Email：yin-1-qiang@163.com

中图分类号：TM46

文献标识码：A