尹強，龐浩，任曉丹，陳天錦，常志國，羅治軍（許繼電源有限公司，河南許昌461000）

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一種用于電磁軸承的三態(tài)功率放大器的設計

尹強，龐浩，任曉丹，陳天錦，常志國，羅治軍
（許繼電源有限公司，河南許昌461000）

摘要：針對三態(tài)調制技術輸出電流紋波小、電磁噪聲小、線圈損耗小、控制響應速度快的優(yōu)點，提出了比較-PWM控制調制技術。該方法為上管驅動采用PWM占空比可調的控制，下管驅動采用比較輸出的控制，可以實現三態(tài)工作方式。試驗結果表明，采用比較-PWM控制調制技術，能夠實現三態(tài)工作方式，減小輸出電流紋波，同時具有較好的動態(tài)特性、跟隨特性和穩(wěn)態(tài)特性，對電磁軸承用三態(tài)功率放大器的設計制作有一定的指導意義。

關鍵詞：電力電子；三態(tài)；比較-PWM；功率放大器；電磁軸承

傳統(tǒng)的機械式推力軸承具有摩擦、磨損及由此產生的溫升等缺陷，影響旋轉機械的速度和精度。而磁懸浮軸承是利用磁力作用將轉子懸浮于空中，然后將轉子以旋轉電機驅動，使其繞特定軸線旋轉，轉子與定子之間無接觸、無摩擦、是使用壽命長、不用潤滑、高精度的一種新型、高性能軸承［1-2］。

功率放大器是磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中非常重要的一部分，它提供線圈足夠的電流來產生需要的電磁力，其性能不僅決定磁懸浮軸承能否實現穩(wěn)定懸浮，也影響系統(tǒng)的承載能力和動態(tài)性能。電磁軸承系統(tǒng)在早期多采用線性功率放大器，由于線性功放的效率較低、體積相對較大、功率適應范圍小等不足，現在電磁軸承系統(tǒng)中幾乎都采用效率高、動態(tài)特性好的開關功率放大器［1］。

較早的磁懸浮軸承開關功放大都采用兩態(tài)調制技術，存在電流紋波大、動態(tài)特性受限等缺點，而三態(tài)調制技術能有效地降低電流紋波，減小電磁噪聲，同時減小了線圈的銅損耗，此外還有利于提高開關功放的電流響應速度和控制力響應速度，進而提高系統(tǒng)的整體性能。因此三態(tài)功率放大器是近來研究較多的一種控制方式［1-9］。

功率放大器的兩個主要指標，一個是電流跟蹤動態(tài)特性，另一個是輸出電流紋波大小。本文針對三態(tài)控制調制技術的優(yōu)勢，提出了比較-PWM控制調制技術，其上管驅動采用PWM占空比可調的控制，下管驅動采用比較輸出的控制，設計了一種用于電磁軸承的三態(tài)功率放大器，實現了三態(tài)工作方式，控制由模擬電路組成，結構簡單，能夠實現線圈的低紋波電流輸出，同時具有較好的動態(tài)特性。

1　三態(tài)功率放大器的設計

所設計及研究的三態(tài)功率放大器的主回路如圖1所示。Q1和Q2為功率MOSFET管，D1和D2為功率快恢復二極管，電解電容E1和無感電容C1為支撐母線電壓和吸收功率管尖峰的作用，Rm為電磁軸承線圈的電阻，Lm為電磁軸承線圈的電感，電流互感器串聯在回路中用于采樣電感電流。

圖1　三態(tài)功率放大器主回路Fig.1 Main circuit of tri-state power amplifier

1.1三態(tài)功率放大器的工作原理［1，3，7］

基于三態(tài)控制的功率放大器有3種工作狀態(tài)：充電狀態(tài)、續(xù)流狀態(tài)和放電狀態(tài)。1）充電狀態(tài)的原理圖如圖2所示。功率開關管Q1和Q2同時開通，功率快恢復二極管D1和D2同時關斷，線圈電流增大，忽略功率管的導通壓降，線圈兩端電壓為電源電壓。其回路為Q1，電流互感器，Rm，Lm和Q2的充電狀態(tài)。2）續(xù)流狀態(tài)的原理圖如圖3所示。功率開關管Q1開通，Q2關斷，功率快恢復二極管D2開通，D1關斷，線圈電流沿同方向續(xù)流。其回路為D2，電流互感器，Rm，Lm和Q2的續(xù)流狀態(tài)。3）放電狀態(tài)的原理圖如圖4所示。功率開關管Q1和Q2同時關斷，功率快恢復二極管D1和D2同時開通，線圈電流減小，忽略二極管的導通壓降，電源電壓反向加載于線圈兩端。其回路為D2，電流互感器，Rm，Lm和D1的放電狀態(tài)。通過3種工作狀態(tài)之間的切換，使得線圈中的電流跟蹤給定電流的變化，實現功率放大的目的。

圖2　充電狀態(tài)Fig.2 Charging status

圖3　續(xù)流狀態(tài)Fig.3 The continued flow state

圖4　放電狀態(tài)Fig.4 Discharging status

1.2三態(tài)功率放大器的電路實現

控制調節(jié)電路、脈沖調制電路和隔離驅動電路組成了三態(tài)功率放大的控制調制方法，其中，比較-PWM控制調節(jié)電路包括信號調理電路、PI調節(jié)電路、比較電路和PWM調節(jié)器，控制框圖如圖5所示。

圖5　控制框圖Fig.5 The control block diagram

比較控制調節(jié)的電路圖如圖6所示。電流給定信號經濾波調理后得到IGB信號，電阻R41、電阻R42、電阻R43和運放實現給定信號1/100的抬升，然后經濾波電路和運放通過電阻R48接到比較器的同相輸入端，電流反饋信號經信號調理電路得到IFB信號，再經電阻R49接到比較器的反相輸入端，比較后的高低電平為脈沖電壓驅動方波信號G2。

圖6　比較控制電路Fig.6 The comparison control circuit

PWM控制調節(jié)的電路圖如圖7所示。電流反饋信號經信號調理電路得到IFA信號，電流給定經濾波調理后得到IGA信號，兩者經高噪聲抑制比、高精度運放及PI調節(jié)器得到誤差信號EO1。PWM調節(jié)器將誤差信號與內部的載波進行比較得到占空比可調的脈沖電壓驅動方波信號G1。

圖7　PWM控制電路Fig.7 The PWM control circuit

脈沖電壓驅動方波信號G1和G2，經脈沖調制電路和隔離驅動電路得到DRV1_G，DRV1_E和DRV2_G，DRV2_E，分別來直接驅動半橋主回路中功率管Q1和Q2的開通與關斷，從而達到控制電磁軸承線圈電流的目的。

2　實驗

設計制造了一套為10自由度磁懸浮軸承提供驅動的三態(tài)功率放大器。該系統(tǒng)共需10個功率放大器向10個自由度的電磁線圈供電。其每個功率放大器的技術指標為：直流母線電壓300 V，最大輸出電流30 A，線圈電感10 mH，線圈電阻小于1 Ω。其中電流即可為正弦峰值電流30 A，頻率為0.1 Hz～1 kHz，也可為直流30 A。

測試儀器：數字示波器為MS03014，示波器探頭P6139A，高壓差分探頭P5205，可編程大功率交直流電源MX30-3PI-400-LF-SNK，函數信號發(fā)生器AFG3022B。

按照輸入電壓與輸出電流的變比為3 A/V，電流傳感器LAH-50NP的轉換比為2 000∶1。CH1為電流給定通道，CH2為電流反饋通道，CH3為驅動DRV1_G，CH4為驅動DRV2_G。圖8為給定端加入直流偏置5 V，交流分量幅值為2.7 V、頻率0.1 Hz的正弦波，可知功率放大器的輸出電流23 A；圖9為給定端加入直流偏置5 V，交流分量幅值2.7 V、頻率100 Hz的正弦波，可知功率放大器的輸出電流23 A；圖10、圖11為給定端加入直流偏置5 V，交流分量幅值0.5 V、頻率分別為0.1 Hz，1 000 Hz的正弦波，可知功率放大器的輸出電流為16.5 A；圖12為功率放大器的驅動波形。

圖8　5 V+0.1 Hz/2.7 V的給定與反饋波形Fig.8 The given and feedback waveforms at 5 V+0.1 Hz/2.7 V

圖9　5 V+100 Hz/2.7 V的給定與反饋波形Fig.9 The given and feedback waveforms at 5 V+100 Hz/2.7 V

圖10　5 V+0.1 Hz/0.5 V的給定與反饋波形Fig.10 The given and feedback waveforms at 5 V+0.1 Hz/0.5 V

圖11　5 V+1 kHz/0.5 V的給定與反饋波形Fig.11 The given and feedback waveforms at 5 V+1 kHz/0.5 V

圖12　驅動波形Fig.12 The waveforms of driving signal

從圖8和圖9可以看出，輸出電流紋波小、電流信號失真較小，輸出電流能快速跟蹤輸入信號的變化，有較好的跟蹤特性和穩(wěn)態(tài)特性。從圖10和圖11可以看出，從低頻到高頻波形比較穩(wěn)定，而且紋波很小，反應了動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性好并且具有很高的帶寬。從圖12可以看出，磁功率放大器能夠實現三態(tài)工作方式。

3　結論

本文設計了一款用于電磁軸承的三態(tài)功率放大器，詳細地分析了其工作原理，并進行了關鍵性電路的原理圖設計。試驗結果表明，采用提出的比較-PWM控制調制技術，上管驅動采用PWM占空比可調的控制，下管驅動采用比較輸出的控制，能夠實現三態(tài)工作方式，減小輸出電流紋波，同時具有較好的動態(tài)特性、跟隨特性和穩(wěn)態(tài)特性，對電磁軸承用三態(tài)功率放大器的設計制作有一定的指導意義。

參考文獻

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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

作者簡介：尹強（1984-），男，碩士研究生，工程師，Email：yin-1-qiang@163.com

中圖分類號：TM46

文獻標識碼：A