特种电机磁力轴承开关功率放大器的研究

崔 红 高有清

（1、辽宁省交通高等专科学校，辽宁 沈阳110122 2、沈阳光大环保科技股份有限公司，辽宁 沈阳110026）

磁力轴承是一种利用电磁铁产生的电磁力支承悬浮转子的一种支承形式，能够实现轴向控制和定位。磁力轴承的优点是无摩擦损耗、不需要润滑、使用寿命长、控制精度较高等。磁力轴承在高速机床、高速电机、储能飞轮等领域的应用越来越广。磁力轴承主要由控制器、功率放大器、轴承本体、位移传感器等部分组成。

1 磁力轴承系统及开关功率放大器的组成

功率放大器在磁力轴承系统中是执行单元的组成部分，功率放大器为磁力轴承定子线圈提供电流，驱动电磁铁产生电磁力使转子悬浮。磁力轴承系统的精度和动态性能与功率放大器关系较大。磁力轴承功率放大器有线性和开关功率放大器不同类型。线性功率放大器在小功率场合比较适合，其损耗较大，效率较低。而开关功率放大器的损耗比较小，对于功率大于600W的场合应用较多。开关功率放大器有两电平式和三电平式。本文设计了一种三电平PWM 开关功率放大器以减少电流纹波，减小电磁干扰。磁力轴承系统的框图如图1 所示。

图1 磁力轴承系统框图

三电平PWM 开关功率放大器系统主要由电流调节器、脉冲发生器、脉冲移相器、隔离驱动器、电流传感器等环节组成。

电流调节器的作用是使功率放大器的电流信号能及时跟踪控制器发出的控制信号。本研究中的电流调节器采用PID 型调节器。脉冲发生器是开关功率放大器的核心部分，电流调节器的输出信号输入到脉冲发生器中。脉冲移相器的作用是把两路相同脉宽波形中一路信号的相位移动一个角度以移相。开关功率放大器系统中隔离驱动器的作用是把强电和弱电隔离，在主电路和驱动电路之间通过采取隔离的措施，防止主电路的干扰窜到控制电路。本研究中隔离驱动器件采用TLP250。电流传感器的作用是检测电路线圈电流，构成闭环反馈回路，进而提高控制系统的静态和动态性能。

2 磁力轴承开关功率放大器的调制方式

磁力轴承开关功率放大器的电路拓扑结构如图2 所示，该电路由PWM 信号发生电路、隔离驱动电路、电流传感器、主电路等部分组成。

图2 磁力轴承开关功率放大器的电路拓扑结构图

两电平开关功率放大器，两路脉冲同时触发主电路开关管VT1、VT4。由于两路触发脉冲同步，因此VT1、VT4 同步导通或关断。当开关管VT1、VT4 的开关频率增高时，不仅损耗增大，而且还会使电流纹波变大，引起高速电机转子位置波动较大。三电平开关功率放大器和两电平开关功率放大器的主要区别是VT4 比VT1 的触发脉冲有延迟，可以避免VT1 和VT4 同时开通与关断，可以大大减小电流纹波，提高抗干扰能力和响应能力。

3 磁力轴承三电平开关功率放大器的工作状态

本研究中采用的半桥三电平开关功率放大器的主电路拓扑结构如图2 虚线框中所示。图中功率开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IRFP450，R 为磁力轴承线圈的等效电阻，L 为等效电感。三电平开关功率放大器的工作状态分为充电、续流以及放电状态。三电平开关功率放大器的工作状态示意如图3 所示。

图3 三电平开关功率放大器的状态示意图

3.1 充电状态

如图3（a）所示，此时VT1 和VT4 导通，电流增大。该状态下线圈的电流为：

3.2 续流状态

如图3（c）和图3（d）所示，此时VT1 和VT4 只有一个开关管导通，线圈电流通过VT1、R、L 和VD2 或者VD3、R、L 和VT4续流，电流逐渐减小。续流状态会影响电流波形，减小电流纹波。线圈电流为：

3.3 放电状态

如图3（b）所示，此时VT1 和VT4 关断，电流减小。该状态下线圈的电流为：

式中VD为续流二极管导通时的电压降。通过改变不同时间段充放电状态的持续时间，能够实现对线圈平均电流的控制。

三电平开关功率放大器中的状态改变没有两电平开关功率放大器中的状态改变剧烈，电流波动也小，进而加快了磁力轴承的响应速度。

4 开关功率放大器的电流纹波

开关功率放大器的工作状态切换时在负载线圈中将会产生电流纹波，使磁力轴承的转子位置产生波动。图4 为采用两电平开关功率放大器输出电流为0.7A 时的实验波形。图5 为采用三电平开关功率放大器输出电流为0.7A 时的实验波形。

图4 两电平电流纹波实验结果

图5 三电平电流纹波实验结果

从图4 和图5 可知，尽管两电平主电路开关频率大于三电平开关频率，但两电平电流纹波却大于三电平电流纹波。表明两电平开关功放电流纹波和主电路电压有关，三电平开关功放和主电路电压无关。

结束语

对于高速电机磁力轴承系统，研究了开关功率放大器的结构、调制方式以及三电平开关功率放大器的工作状态。对三电平开关功放各工作状态进行了分析，并对开关功率放大器的电流纹波进行了实验研究。实验结果说明两电平电流纹波与主电路电压有关，三电平与主电路电压无关。三电平开关功率放大器的电流纹波比两电平小很多，采用三电平开关功率放大器可以减小电流谐波，提高控制精度。