吳華春,張選澤,楊克臻,于夢瑩,王念先

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070;2.湖北省磁懸浮工程技術(shù)研究中心，武漢 430070；3.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，武漢 430081)

磁軸承利用可控電磁力使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在空中穩(wěn)定懸浮，無機(jī)械接觸、無摩擦、無潤滑，具有高速、壽命長等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于流體機(jī)械、航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域[1-2]。

通常，主動磁軸承具有負(fù)位移剛度，是開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)，需要施加實(shí)時(shí)的控制使其穩(wěn)定工作。磁軸承系統(tǒng)一般由電磁鐵、轉(zhuǎn)子、位移傳感器、控制器、功率放大器五部分組成，前2個(gè)是結(jié)構(gòu)本體，后3個(gè)是其控制硬件[1]。位移傳感器實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)子位移構(gòu)成反饋給控制器，控制器采用一定的控制算法并依據(jù)偏差計(jì)算得到控制信號，功率放大器可將微弱的控制信號放大轉(zhuǎn)化為線圈中的電流，產(chǎn)生所需電磁力：故功率放大器(下面簡稱功放)的性能直接決定整個(gè)磁軸承系統(tǒng)的性能，如何提高功放的性能成為磁軸承技術(shù)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文期望通過對磁軸承功放的類型、發(fā)展歷程及其特點(diǎn)進(jìn)行綜述，討論功放的研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用中相關(guān)的性能指標(biāo)，并展望磁軸承功放未來的發(fā)展方向。

1 磁軸承功放分類

1.1 按控制反饋量分類

按控制反饋量，功放可分為電流型[3]、電壓型[4]和磁通型[5]。

電流型功放輸入為期望值的電壓信號，控制輸出為電流信號，工作原理如圖1所示，系統(tǒng)開環(huán)剛度為負(fù)，易出現(xiàn)不穩(wěn)定、磁飽和、磁滯、電渦流等；但具有階次低，模型簡單，對線圈電阻的參數(shù)不敏感等優(yōu)點(diǎn)，是磁軸承中應(yīng)用最廣泛的功放。

圖1 電流型功放工作原理

電壓型功放輸出為電壓信號，工作原理如圖2所示，由于考慮了電阻、電感及反電動勢，模型更精確，魯棒性較好，其開環(huán)不穩(wěn)定性較弱，且電壓放大器比電流放大器更易實(shí)現(xiàn)，但精確的模型要求其控制器的階數(shù)更高，故電壓型功放一般應(yīng)用于磁浮列車[4]這種大型或超大型系統(tǒng)中，在磁軸承中應(yīng)用較少。

圖2 電壓型功放工作原理

磁通型功放以氣隙磁通為控制對象，輸出為磁通[6]，工作原理如圖3所示，其直接控制氣隙中的磁通，不受材料電磁特性和轉(zhuǎn)子引起的反電動勢等非線性因素的影響。此外，磁通型功放的開環(huán)剛度不小于0，系統(tǒng)穩(wěn)定，能產(chǎn)生較大的支承剛度[5]，且消除了渦流效應(yīng)對功放帶寬的影響[7]。磁通型功放有諸多優(yōu)勢，但其氣隙磁通的計(jì)算需要設(shè)計(jì)磁通觀測器[5,8-9]，磁軸承中應(yīng)用較少。

圖3 磁通型功放工作原理

1.2 按工作原理分類

按工作原理，功放可分為線性功放[10]、開關(guān)功放[3]。磁軸承最初主要采用線性功放，隨電力電子技術(shù)的發(fā)展，文獻(xiàn)[11]首次提出了開關(guān)功放。

線性功放的基本原理如圖4所示，由于工作在線性放大區(qū)，晶體管處于放大狀態(tài)，直流損耗大，效率低(通常在5%～30%之間)，且發(fā)熱嚴(yán)重[10]；但線性功放無開關(guān)紋波，電流噪聲小，響應(yīng)速度快，控制精度高，電路簡單，穩(wěn)定性好，主要應(yīng)用在磁懸浮人工心臟泵[12-13]、磁懸浮地球儀等體積小、功率小的場合。

圖4 線性功放基本原理

開關(guān)功放基本原理如圖5所示，其工作點(diǎn)在飽和區(qū)和截止區(qū)，元件損耗較小，僅在開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)經(jīng)過線性區(qū)，產(chǎn)生較小的開關(guān)損耗[14]，具有效率高，負(fù)載適應(yīng)性好[15]，功率容量大等優(yōu)點(diǎn)，在磁軸承中應(yīng)用廣泛；但輸出電流不可避免存在紋波，高頻開關(guān)會引入電磁噪聲，影響磁軸承的懸浮精度，如何減小電流紋波是磁軸承開關(guān)功放的研究難點(diǎn)。

圖5 開關(guān)功放基本原理

此外，一些學(xué)者提出了其他類型的功放，如混合功放[16]、G類功放[17]等，由于系統(tǒng)復(fù)雜，未在實(shí)際的磁軸承中得到應(yīng)用。

1.3 按主功率拓?fù)浞诸?/h3>

按主功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功放可分為單臂、半橋、全橋、三相半橋、五相六橋等，其中單臂、半橋和全橋拓?fù)湓诖泡S承中應(yīng)用廣泛。

單臂拓?fù)涔Ψ沤Y(jié)構(gòu)如圖4所示，通常應(yīng)用于小功率、小電流場合，其能耗效率一般不高。

半橋拓?fù)溟_關(guān)功放結(jié)構(gòu)如圖6所示，對于需要單向電流的磁軸承，采用半橋拓?fù)浼纯蓾M足要求。

圖6 開關(guān)功放的半橋拓?fù)?/p>

對于永磁偏置磁軸承，永磁鐵建立了偏置磁場，線圈電流需在0附近變化，功放需要產(chǎn)生雙向電流，全橋拓?fù)洳拍軡M足要求，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 開關(guān)功放的全橋拓?fù)?/p>

依據(jù)開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合磁軸承差動控制的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[18]在半橋拓?fù)涞幕A(chǔ)上提出了三相半橋拓?fù)洌Y(jié)構(gòu)如圖8所示，文獻(xiàn)[19-20]詳細(xì)研究了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功放的控制模式、調(diào)制方法、中間橋臂的控制方法等，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖8 開關(guān)功放的三相半橋拓?fù)?/p>

考慮磁軸承有多個(gè)自由度需要控制，文獻(xiàn)[21]在全橋拓?fù)涞幕A(chǔ)上提出了五相六橋臂拓?fù)?，結(jié)構(gòu)如圖9所示，并在五自由度混合磁軸承系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。針對這一特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功放，許多學(xué)者也提出了一些控制策略[22-24]。

文獻(xiàn)[25]為緩解共享橋臂的電流壓力，提出了開關(guān)功放反向共享橋臂拓?fù)?，結(jié)構(gòu)如圖10所示，其控制系統(tǒng)如圖11所示。

圖10 開關(guān)功放的反向共享橋臂拓?fù)?/p>

圖11 開關(guān)功放的共享橋臂

文獻(xiàn)[26]綜合評價(jià)了這幾種典型拓?fù)?，并指出了他們的?yīng)用場合。此外，一些學(xué)者還提出了四相四橋臂拓?fù)鋄27]、三相四橋臂拓?fù)涞绕渌負(fù)浣Y(jié)構(gòu)[28]。

2 磁軸承功放的性能參數(shù)

2.1 效率

磁軸承系統(tǒng)中功放的負(fù)載是電磁線圈，其等效電阻會產(chǎn)生有用功，記為銅耗Pc，而等效電感只產(chǎn)生無用功，不耗能，功放的無功損耗記為Pt，則其效率為

(1)

對于中大功率的功放，開關(guān)功放效率比線性功放高很多，達(dá)到60%～90%，磁軸承系統(tǒng)中多采用開關(guān)功放。

2.2 帶寬

功放帶寬直接影響磁軸承系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)和控制精度。線性功放由于功率器件的上限截止頻率較高，帶寬主要取決于負(fù)載的參數(shù)和電路的結(jié)構(gòu)；開關(guān)功放的帶寬除上述因素影響外，還與功率器件的開關(guān)頻率有關(guān)[29]。

帶寬對磁軸承系統(tǒng)在高速下的性能有決定性作用，可通過系統(tǒng)辨識得到其頻率響應(yīng)曲線，某磁軸承開關(guān)功放的頻率響應(yīng)曲線如圖12所示[30]。

圖12 磁軸承開關(guān)功放的頻率響應(yīng)

帶寬體現(xiàn)了功放的電流響應(yīng)速度，由于磁軸承的負(fù)載是感性的，其動態(tài)響應(yīng)速度與輸入電壓的幅值成正比，考慮功率管導(dǎo)通壓降Uon和線圈等效電阻R時(shí)，電流響應(yīng)速度為

(2)

式中：Udc為母線電壓;ic為線圈電流；icR為線圈電阻壓降；L為線圈電感。

icR，Uon較小，可以忽略，且結(jié)構(gòu)確定后線圈電感無法改變，故電流響應(yīng)速度主要與母線電壓有關(guān)，可以通過升高母線電壓提高開關(guān)功放的電流響應(yīng)速度。

2.3 紋波

開關(guān)功放的電流紋波比線性功放大，甚至超過給定電流的15%[31]，這是開關(guān)功放的一個(gè)主要缺點(diǎn)。紋波是開關(guān)功放的固有屬性，主要包括開關(guān)頻率信號及其諧波，輸出電流紋波會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動，也會帶來噪聲以及額外的轉(zhuǎn)子鐵芯渦流損耗和定子線圈銅損等，電磁干擾還會污染放大器，增加功率器件的開關(guān)應(yīng)力等。

根據(jù)調(diào)制狀態(tài)，開關(guān)功放可以分為二電平功放和三電平功放，其電流紋波有顯著差異[32]。

對于二電平開關(guān)功放，只有充電和放電2種調(diào)制狀態(tài)，如圖13所示，圖中箭頭表示電流方向，其電流紋波為[33]

圖13 二電平開關(guān)功放的調(diào)制狀態(tài)

(3)

式中：f為功率器件的開關(guān)頻率。

二電平開關(guān)功放的電流紋波與母線電壓成正比，紋波的減小與帶寬增大相矛盾。

三電平開關(guān)功放中多了續(xù)流狀態(tài)，如圖14所示，圖中箭頭表示電流方向,由于采用了續(xù)流狀態(tài)，電流下降平緩，電流紋波小，其值為[34]

圖14 三電平開關(guān)功放的調(diào)制狀態(tài)

(4)

式中:UVD為二極管導(dǎo)通壓降。

由(4)式可知三電平開關(guān)功放的電流紋波與母線電壓無關(guān)，且比二電平開關(guān)功放的紋波小很多，通常應(yīng)用在要求電流紋波小的場合。

3 磁軸承功放控制策略

電流型開關(guān)功放具有效率高，算法移植方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前研究最多，應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的功放，下文主要以電流型開關(guān)功放為例討論。開關(guān)功放包含了電流閉環(huán)反饋回路，如圖15所示。

圖15 電流型開關(guān)功放控制原理

開關(guān)功放控制算法直接決定了其性能，為了獲得優(yōu)越的性能，對于開關(guān)功放的控制策略做了大量研究，主要有脈寬調(diào)制控制[35]、采樣-保持控制[36]、空間矢量調(diào)制控制[37]、節(jié)點(diǎn)電位控制[28]、單周期控制[35]等。

3.1 脈寬調(diào)制控制

脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)控制是磁軸承開關(guān)功放中應(yīng)用最多、最成熟的策略，其原理是對比參考電流信號和反饋電流信號，得到偏差電流信號，通過比例積分(Proportional Integral，PI)等控制器調(diào)節(jié)輸出的偏差信號，與PWM發(fā)生模塊產(chǎn)生的三角波相截產(chǎn)生驅(qū)動信號以控制功率管的通斷。

文獻(xiàn)[35]最早對二電平PWM開關(guān)功放進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[38]設(shè)計(jì)了二電平PWM開關(guān)功放，并研究了其紋波、階躍響應(yīng)、頻率響應(yīng)等；文獻(xiàn)[39]分析了紋波對二電平PWM開關(guān)功放穩(wěn)定性的影響，得到了保證穩(wěn)定的比例控制器的臨界增益，并提出一種在低增益下通過改變載波偏置電壓降低穩(wěn)態(tài)誤差的方法。

三電平PWM開關(guān)功放紋波小，很多學(xué)者對其做了研究：文獻(xiàn)[34]對二電平和三電平的PWM開關(guān)功放電流紋波進(jìn)行理論分析，仿真和試驗(yàn)均說明三電平開關(guān)功放紋波更低；文獻(xiàn)[40]指出在不增加電流紋波的情況下，可以通過增加直流母線電壓改善三電平PWM開關(guān)功放的動態(tài)特性；文獻(xiàn)[41-43]均設(shè)計(jì)了三電平PWM功放，試驗(yàn)證明其具有良好的性能；文獻(xiàn)[44]利用數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing,DSP)和現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)研制了一種三電平PWM磁軸承數(shù)字功率放大器，通過FPGA將驅(qū)動信號PWM波移相180°實(shí)現(xiàn)三電平控制，這也是目前實(shí)現(xiàn)三電平調(diào)制的主流方法；文獻(xiàn)[45]分析了改進(jìn)型三電平PWM功放電壓設(shè)置不準(zhǔn)確的失效原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

3.2 采樣-保持控制

采樣-保持控制是以固定的采樣周期對給定電流信號和反饋電流信號進(jìn)行采樣，根據(jù)兩者偏差的正負(fù)極性控制功率器件的通斷。

文獻(xiàn)[36]提出了采樣-保持控制用于開關(guān)功放設(shè)計(jì)的基本思想；由于傳統(tǒng)采樣-保持控制存在開關(guān)點(diǎn)固定的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[46]提出一種在采樣周期內(nèi)引入一個(gè)新的控制點(diǎn)，改進(jìn)的采樣-保持策略可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)功放的三電平調(diào)制；文獻(xiàn)[47]應(yīng)用采樣-保持控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一種三電平開關(guān)功放，通過試驗(yàn)證明其有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，能滿足磁軸承控制系統(tǒng)的要求。

一些學(xué)者將PWM控制和采樣-保持控制進(jìn)行對比：文獻(xiàn)[48]對比分析了三電平PWM開關(guān)功放、三電平滯環(huán)比較開關(guān)功放、三電平采樣-保持開關(guān)功放的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，并以三電平采樣-保持開關(guān)功放為研究對象，通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了三電平調(diào)制的優(yōu)越性；文獻(xiàn)[49]考慮電流傳感器對開關(guān)功放性能的影響，對比分析了PWM控制、采樣-保持控制的三電平開關(guān)功放，討論了2種控制方法性能差異的原因。

針對五相六橋臂的新型拓?fù)溟_關(guān)功放，文獻(xiàn)[21]為了保證不同負(fù)載的控制要求，在負(fù)載橋臂采用改進(jìn)型采樣-保持控制，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)型采樣-保持控制開關(guān)功放的優(yōu)越性。

3.3 空間矢量調(diào)制控制

空間矢量調(diào)制控制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)由德國學(xué)者BLASCHKE F提出，并應(yīng)用于交流電動機(jī)的磁場矢量控制，后來擴(kuò)展到其他三相功率變換系統(tǒng)，最終引入磁軸承多橋臂拓?fù)溟_關(guān)功放中。關(guān)于SVPWM的研究有：文獻(xiàn)[37]通過DSP和FPGA的數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了SVPWM控制策略在三橋臂拓?fù)溟_關(guān)功放中的應(yīng)用，試驗(yàn)證明其具有電流紋波小，開關(guān)損耗低，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)；針對SVPWM的調(diào)制算法，文獻(xiàn)[50]提出了2種SVPWM控制三橋臂開關(guān)功放的占空比限制策略，并通過FPGA進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；文獻(xiàn)[51]將三橋臂開關(guān)功放中的不連續(xù)PWM方法推廣到三相四橋臂開關(guān)功放中，并簡化了連續(xù)和不連續(xù)三維SVPWM。

3.4 節(jié)點(diǎn)電位控制

節(jié)點(diǎn)電位控制同樣多用于多橋臂拓?fù)溟_關(guān)功放，通過各節(jié)點(diǎn)的電位與母線電壓的比值求出開關(guān)信號的占空比，控制功率管的開關(guān)狀態(tài)，從而控制線圈兩端的電壓，使線圈電流達(dá)到給定值。

節(jié)點(diǎn)電位控制中，電位分布對功放的電流紋波、開關(guān)損耗、響應(yīng)速度有影響，文獻(xiàn)[28]以三相四橋臂拓?fù)溟_關(guān)功放為研究對象，分析了電位分布對電流紋波和功率管開關(guān)頻率的影響。文獻(xiàn)[52]以五相六橋臂拓?fù)溟_關(guān)功放為研究對象，將節(jié)點(diǎn)電位控制策略與其他控制策略進(jìn)行對比分析。

3.5 單周期控制

單周期控制技術(shù)由美國學(xué)者SMEDLEY K M在1995年提出[53]，核心思想是通過控制開關(guān)占空比使每個(gè)周期反饋信號的平均值嚴(yán)格等于或正比于給定信號。

單周期控制在磁軸承開關(guān)功放的應(yīng)用尚處于基礎(chǔ)研究階段，其具有電路簡單，精度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[54]。文獻(xiàn)[55]對比分析了單周期控制中單極性和雙極性2種控制方式，通過試驗(yàn)分析了各自的特點(diǎn)與優(yōu)勢；文獻(xiàn)[23]為解決五相六橋臂拓?fù)溟_關(guān)功放中控制算法復(fù)雜和各路電流耦合的問題，也應(yīng)用了單周期控制，具有控制簡單，響應(yīng)快，精度高，通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

還有許多學(xué)者針對傳統(tǒng)單周期控制的不足，提出了改進(jìn)措施：文獻(xiàn)[56]推導(dǎo)了單周期控制功放的控制方程，并提出了電壓補(bǔ)償方案以改進(jìn)輸出直流偏置問題；文獻(xiàn)[57]針對傳統(tǒng)單周期算法中開關(guān)次數(shù)不均衡，電流幅值失真明顯等問題，提出一種改進(jìn)的單周期控制算法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其優(yōu)越性；文獻(xiàn)[58-59]針對傳統(tǒng)單周期控制存在控制延時(shí)的問題，提出了2種考慮線圈電阻壓降，具有延時(shí)補(bǔ)償?shù)膯沃芷诳刂颇Ｐ停囼?yàn)證明延遲補(bǔ)償模型可提高控制精度。

此外，文獻(xiàn)[24]也考慮了五相六橋臂功放中線圈電阻壓降的影響，對單周期控制算法進(jìn)行改進(jìn)，并推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)模型，試驗(yàn)證明其具有低紋波、高精度的優(yōu)點(diǎn)；文獻(xiàn)[60]針對傳統(tǒng)數(shù)字單周期控制算法存在一個(gè)周期內(nèi)無法精確控制實(shí)際電流的問題，提出一種半周期控制，推導(dǎo)了單/雙極性均值法和終值法的占空比數(shù)學(xué)模型，仿真驗(yàn)證證明半周期控制可以提高電流響應(yīng)速度，減小電流紋波及諧波。

3.6 其他控制策略

由于數(shù)字處理芯片技術(shù)的進(jìn)步，一些高級算法在磁軸承開關(guān)功放中也得了應(yīng)用，比如自適應(yīng)控制、模糊控制、滑?？刂?、最優(yōu)控制、干擾觀測器等。文獻(xiàn)[61]研究了磁軸承開關(guān)功放的固有時(shí)延和可變時(shí)延，提出了一種利用干擾觀測器理論的時(shí)間延時(shí)補(bǔ)償方法，試驗(yàn)證明其對時(shí)延有較好的補(bǔ)償效果，且魯棒性較高；時(shí)變滑膜控制[62]和超前補(bǔ)償方法[63]等先進(jìn)算法對磁軸承開關(guān)功放也具有較好的參考價(jià)值。

4 磁軸承功放的未來研究方向

近年來，數(shù)字處理芯片如DSP，F(xiàn)PGA等的更新?lián)Q代升級使數(shù)字芯片更適用于磁懸浮控制系統(tǒng)，開關(guān)功放也逐漸轉(zhuǎn)向采用數(shù)字電路控制設(shè)計(jì)方向，其原理如圖16所示。數(shù)字開關(guān)功放具有體積小，調(diào)試方便，易于實(shí)現(xiàn)高級算法等優(yōu)點(diǎn)[3]，克服了傳統(tǒng)模擬開關(guān)功放調(diào)試難度大，控制算法可移植性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，但數(shù)字功放的驅(qū)動信號由數(shù)字芯片經(jīng)過軟件編程產(chǎn)生，這將導(dǎo)致數(shù)字功放的響應(yīng)速度不及模擬功放,如何提高數(shù)字功放的響應(yīng)速度是未來的研究方向。為提高數(shù)字功放的響應(yīng)速度，目前主要從以下方面改進(jìn)：1)控制算法；2)硬件架構(gòu)。文獻(xiàn)[64]設(shè)計(jì)了一種基于雙DSP架構(gòu)的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)，其中電流環(huán)和位置環(huán)單獨(dú)由一塊DSP控制，試驗(yàn)證明該控制架構(gòu)下的開關(guān)功放具有良好的實(shí)時(shí)性，雙DSP架構(gòu)下的控制系統(tǒng)需要2塊DSP芯片，控制系統(tǒng)成本較高，如何應(yīng)用較低成本提升數(shù)字開關(guān)功放的響應(yīng)速度，需進(jìn)一步研究。

圖16 數(shù)字開關(guān)功放原理圖

功放的開關(guān)噪聲將直接影響控制電路的正常工作，但開關(guān)噪聲是開關(guān)功放的固有特性，無法消除，如何抑制開關(guān)噪聲對功放性能的影響，是未來的研究方向。目前主要從以下3個(gè)方面抑制噪聲：1)設(shè)計(jì)高效的隔離電路將開關(guān)噪聲隔離[1]，隔離電路的設(shè)計(jì)需隨著制板技術(shù)、隔離元件的發(fā)展而優(yōu)化，仍需進(jìn)一步研究；2)應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)，通過減小開關(guān)過程中電流和電壓的交疊時(shí)間，減小開關(guān)噪聲[65-67]，但軟開關(guān)技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，如何簡化軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)電路，使控制簡單，仍需進(jìn)一步研究；3)通過去噪算法抑制開關(guān)噪聲的影響，如小波分析方法、在線小波變換去噪算法等[68-69]，目前主要以小波分析方法為主，其他噪聲抑制算法仍需進(jìn)一步研究。

綠色發(fā)展理念下，磁懸浮功放將不斷向集成化、小型化發(fā)展，其散熱條件越來越惡劣，而開關(guān)功率器件的工作性能直接受溫度影響，故開關(guān)功放的散熱問題是未來的研究方向。傳統(tǒng)的磁軸承開關(guān)功放大多采用鋁制的散熱器，體積和質(zhì)量大，影響磁軸承控制箱的輕量化和小型化設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[70]將熱管技術(shù)應(yīng)用到磁軸承功率放大器的散熱設(shè)計(jì)中，減小了散熱器的體積和質(zhì)量，散熱效果良好。

當(dāng)使用傳統(tǒng)的功率開關(guān)器件時(shí)，在低電壓條件下，一般選用MOSFET為功率開關(guān)器件，在高電壓條件下，選用IGBT作為功率開關(guān)器件，但I(xiàn)GBT的電流拖尾現(xiàn)象使其無法實(shí)現(xiàn)高頻工作。開關(guān)功放的電流紋波與開關(guān)頻率成反比[33-34]，由于IGBT無法實(shí)現(xiàn)高頻工作，這將導(dǎo)致相同高電壓條件下，以IGBT為開關(guān)器件的功放電流紋波較大，影響磁懸浮系統(tǒng)的控制精度，如何實(shí)現(xiàn)在高電壓條件下的高頻工作是未來的研究方向。隨電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了用碳化硅(SiC)材料制成的SiC MOSFET，其能夠?qū)崿F(xiàn)在高電壓條件下高頻工作；但SiC MOSFET的應(yīng)用不能簡單地認(rèn)為是將原來的Si基開關(guān)器件換成SiC基開關(guān)器件，SiC MOSFET的成功應(yīng)用仍有很多問題待解決：1)寄生參數(shù)小，電磁干擾現(xiàn)象嚴(yán)重；2)柵極電壓承受范圍小于傳統(tǒng)Si基開關(guān)器件，其驅(qū)動電路也需特殊設(shè)計(jì)。已有一些學(xué)者開展了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[71]設(shè)計(jì)了一種以SiC MOSFET為主功率器件的200 V/5 A二電平PWM開關(guān)功放，并將其應(yīng)用于75 kW的高速電動機(jī)進(jìn)行懸浮試驗(yàn)。但SiC材料功率器件在磁軸承功放的應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)束語

功率放大器的性能提升始終是磁軸承研究的熱點(diǎn)，如何設(shè)計(jì)低成本，高穩(wěn)定性，高可靠性的功率放大器仍具有挑戰(zhàn)性。本文從磁軸承功率放大器的分類、主要性能參數(shù)、控制策略、未來研究方向等方面對磁軸承功率放大器進(jìn)行了較為全面的闡述。目前國內(nèi)外對于功率放大器的設(shè)計(jì)取得了較大的進(jìn)展，但是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在小型化、集成化設(shè)計(jì)以及新型器件的應(yīng)用和電磁噪聲的抑制方面仍需進(jìn)一步研究。同時(shí)在高電壓下如何實(shí)現(xiàn)高頻響、高精度工作和如何設(shè)計(jì)故障容錯(cuò)的功率放大器是未來磁軸承走向更高轉(zhuǎn)速、更高功率密度、更復(fù)雜工況、更大規(guī)模應(yīng)用發(fā)展時(shí)需要解決的問題。