賀永玲，胡叨福

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海，519070）

0 引言

磁懸浮軸承通過電磁力將轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定懸浮，具有無機械摩擦、損耗小、無潤滑的特點，適用于高速旋轉(zhuǎn)的場合[1]。磁懸浮軸承的功率放大器將控制電壓信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)控制電流輸入電磁鐵中，生成控制力，是磁懸浮軸承系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分，也是影響磁懸浮軸承穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，磁懸浮軸承功率放大器的主電路拓撲有單臂式、半橋式、單相全橋式、多橋臂式等多種結(jié)構(gòu)[2]。

對于主動式磁懸浮軸承，其電流僅需單向流動，一般采用半橋式結(jié)構(gòu)開關(guān)功率放大器。一套主動式磁懸浮軸承系統(tǒng)中，需要對轉(zhuǎn)軸的前徑向XY、后徑向XY、軸向Z共五個自由度進行控制，故共有10個電磁線圈，需要10個半橋式功率放大器[3]。對于半橋結(jié)構(gòu)的開關(guān)功率放大器的驅(qū)動電路，通常需要2路相互隔離的控制電源，一路用于上橋臂開關(guān)管的驅(qū)動，一路用于下橋臂開關(guān)管的驅(qū)動，10個開關(guān)功率放大器，至少需要11路相互隔離電源，其中，上橋臂的驅(qū)動電源相互隔離，所有下橋臂的驅(qū)動電源可共用。這樣所需要的電源數(shù)目眾多，設(shè)計十分復(fù)雜，而且可靠性也難以保證，可使用自舉電路來實現(xiàn)功率放大器的單一電源供電，實現(xiàn)自舉有一個關(guān)鍵問題是如何保證自舉電容電壓始終都能滿足開關(guān)管驅(qū)動電壓的要求，這是保證開關(guān)功率放大器可靠運行的關(guān)鍵。現(xiàn)有技術(shù)中，對自舉電容初始化充電以及正常運行時的充電有深入的研究，這些技術(shù)可實現(xiàn)自舉電容的充分充電，以達到開關(guān)功率放大器的可靠運行。但在磁懸浮軸承系統(tǒng)中，由于外力的作用，軸承線圈中的電流可能存在長時間為0的狀態(tài)，此時自舉電容不能及時充電，將導(dǎo)致其電壓不斷下降，若其電壓下降到開關(guān)管正常驅(qū)動電壓以下，在下次啟動來臨時，容易因開關(guān)管處于不完全導(dǎo)通狀態(tài)下而損壞，本文將結(jié)合磁懸浮軸承開關(guān)功率放大器的工作方式進行詳細分析并提出解決方法。

1 磁懸浮軸承開關(guān)功率放大器工作原理

半橋式開關(guān)功率放大器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，UDC為直流母線電壓，L和RL分別為線圈的等效電感與電阻，Q1、Q2為開關(guān)管，D1、D2為續(xù)流二極管。UD為開關(guān)管驅(qū)動電源，HVIC為上橋開關(guān)管驅(qū)動芯片，LVIC為下橋開關(guān)管驅(qū)動芯片，自舉電路由自舉二極管D3，自舉電容C1和限流電阻R1組成，自舉電容提供上橋臂器件開通時柵極充電所需電荷，并提供上橋臂驅(qū)動芯片HVIC中邏輯電路消耗的電流。

圖1 半橋式開關(guān)功率放大器拓撲結(jié)構(gòu)

為了達到減少電流紋波、實現(xiàn)電流的精確控制，以及提高電流的響應(yīng)速度，開關(guān)功率放大器通常采用三電平控制，即驅(qū)動信號PWM1和PWM2相位相差180°，如圖2所示，三電平功率放大器輸出給負載兩端的電壓有+UDC、0、－UDC共三種工作狀態(tài)，分別是電流增加狀態(tài)、電流續(xù)流狀態(tài)、電流減小狀態(tài)[4]。

圖2 開關(guān)管驅(qū)動信號相位相差180°

圖1 中虛線1–4分別為功率放大器四種工作狀態(tài)：

狀態(tài)1：Q1和Q2都導(dǎo)通，軸承線圈充電。自舉電容負端電壓約為UDC，自舉二極管反向截止，自舉電容放電，電壓逐漸降低；

狀態(tài)2：Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，軸承線圈電流通過D2、Q1續(xù)流。自舉電容負端電壓約為UDC，自舉二極管反向截止，自舉電容放電，電壓逐漸降低；

狀態(tài)3：Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，軸承線圈電流通過D1、Q2續(xù)流。自舉電容負端電壓約為GND，自舉二極管正向?qū)?，自舉電容充電，電壓逐漸升高；

狀態(tài)4：Q1和Q2都關(guān)斷，軸承線圈電流通過D1、D2放電。自舉電容負端電壓約為GND，自舉二極管正向?qū)?，自舉電容充電，電壓逐漸升高。

2 磁懸浮軸承功率放大器自舉電路可靠充電實現(xiàn)方式

在主動式磁懸浮軸承系統(tǒng)中，一般采用差動電流控制，差動電流是指在一個自由度中有兩個作用相反的軸承線圈在工作，這種布局使得系統(tǒng)既能產(chǎn)生正向力，又能產(chǎn)生反向力[5]。

當轉(zhuǎn)子偏離參考位置S0時，由傳感器測出此時轉(zhuǎn)子偏離參考位置的位移sx，位移調(diào)節(jié)器將這一位移信號變換成控制電流ic，這樣得到其中一個軸承線圈的電流參考值為偏置電流I0與控制電流ic之和，即I0+ic，而另一個軸承線圈的電流參考值為偏置電流I0和控制電流ic之差，即I0+ic，并分別通過電流調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對軸承線圈電流的控制。一個自由度上總電磁力F為：

式中，μ0為真空中磁導(dǎo)率；A0為電磁鐵的磁極面積；N為線圈匝數(shù)。

圖3 磁懸浮軸承差動控制框圖

假設(shè)當轉(zhuǎn)軸持續(xù)受到一個向下的外力時，此時通過位移調(diào)節(jié)器輸出的控制電流ic增大，即軸承線圈1的電流增大，軸承線圈2的電流減小，當外力增大到一定程度時，軸承線圈2的電流減少到0。如果外力持續(xù)時間較長，則軸承線圈2中的電流長時間為0，通過電流調(diào)節(jié)器計算，輸出給功率放大器的PWM信號占空比將降為0，則不存在Q2導(dǎo)通或D1續(xù)流的狀態(tài)，自舉電容無充電回路，將導(dǎo)致其電壓不斷下降，當電壓降低到開關(guān)管開通所需最低電壓，那么在下次啟動來臨時，存在因開關(guān)管處于不完全導(dǎo)通狀態(tài)而損壞的風險。

針對上述問題，本文提出了一種穩(wěn)定可靠的自舉電容充電控制方法，以保證開關(guān)功率放大器的可靠運行。解決的辦法是根據(jù)線圈中有無電流來限制PWM的最小值，當線圈中有電流時，PWM占空比最小值不作任何限制，因為自舉電容總是存在充電的機會，當軸承線圈電流為0時，此時需要將PWM占空比限定在0到50%之間的一個值，因為PWM占空比大于50%開關(guān)管存在同時導(dǎo)通，則線圈充電，電流不為0，影響軸承懸浮控制，PWM占空比過小，則有可能存在充電不足，下面對滿足充電要求的占空比值進行分析。

設(shè)自舉電容電壓為Uc1，開關(guān)管驅(qū)動欠壓保護電壓為U0，自舉電容僅在下橋開關(guān)管Q2導(dǎo)通時進行充電，為了簡化分析，忽略軸承線圈電感，可得到充電時自舉電容電壓的增值Δv1為：

上式中，P為載波頻率，A為PWM占空比（0

自舉電容需要提供HVIC靜態(tài)消耗電流和Q1柵極驅(qū)動電流，設(shè)在一個PWM周期內(nèi)，自舉電容平均消耗電流為IB，可得到自舉電容放電所降低的電壓Δv2為：

為了滿足可靠驅(qū)動，自舉電容充電電壓增值必須大于放電電壓降低值，即：

根據(jù)式（2）、式（3）和式（4），則可求得滿足要求占空比值A(chǔ)。

3 試驗及結(jié)果

設(shè)UD=15V，P=10kHz，UD3=UQ2=1V，R1=100Ω，RL=5Ω，U0=10V，C1=10μF，IB=0.002A，則可得到：

求得最小占空比A為7%，下面通過實驗驗證：

（1）當軸承線圈電流為0時，將PWM占空比設(shè)為0，自舉電容電壓逐漸降為0。

圖4 充電PWM占空比設(shè)為0

（2）當軸承線圈電流為0時，將PWM占空比設(shè)為5%，小于7%，自舉電容電壓降到9V，小于開關(guān)管驅(qū)動欠壓保護電壓U0，存在損壞開關(guān)管的風險。

圖5 充電PWM占空比設(shè)為5%

（3）當軸承線圈電流為0時，將PWM占空比設(shè)為15%，自舉電容電壓維持在13V，大于開關(guān)管驅(qū)動欠壓保護電壓U0，滿足開關(guān)管可靠驅(qū)動電壓。

圖6 充電PWM占空比設(shè)為15%

4 結(jié)論

本文對半橋式磁懸浮軸承開關(guān)功率放大器的工作原理進行了分析，并根據(jù)其工作特點，對自舉電容的充電方法進行了優(yōu)化，可實現(xiàn)開關(guān)管的可靠驅(qū)動，大幅提升了磁懸浮軸承運行的穩(wěn)定性和可靠性，具有重要實用價值。