專利名稱：六橋臂五路輸出電磁軸承開關(guān)功率放大器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的六橋臂五路輸出電磁軸承開關(guān)功率放大器的控制方法屬開關(guān)功率 放大器。二、 技術(shù)背景目前磁軸承系統(tǒng)所使用開關(guān)功率放大器多為半橋、改進半橋或全橋結(jié)構(gòu)，每 套功放都需要獨立的的控制電路，并且只能用來驅(qū)動一個磁軸承線圈。如果要實 現(xiàn)轉(zhuǎn)子的兩端和軸向總共五自由度的懸浮，則至少需要五套這種功放，這樣五套 獨立的控制電路和功率轉(zhuǎn)換電路將使功放部分的體積變得比較龐大，復(fù)雜程度 高，可靠性低，并且功率管較多，損耗較大。如果采用圖2六橋臂五路輸出結(jié)構(gòu) 則可以同時給五個自由度的線圈供電實現(xiàn)懸浮，使功率電路和控制電路都得到簡 化，降低復(fù)雜程度并提高可靠性。三、 發(fā)明內(nèi)容相對于傳統(tǒng)的電磁軸承開關(guān)功率放大器，本發(fā)明研制的一種六橋臂五路輸出 電磁軸承開關(guān)功率放大器是一種集成度高、控制效果好，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、 損耗小的功放， 一臺功放就可以對電磁軸承的五個自由度進行控制。一種六橋臂五路輸出的電磁軸承開關(guān)功率放大器的控制方法，所使用的六橋臂五路輸出的電磁軸承開關(guān)功率放大器，包括與給定信號相連的調(diào)理電路，電流控制器，驅(qū)動電路，六橋臂功率轉(zhuǎn)換電路和電流檢測電路。其中與給定信號相連的調(diào)理電路連于電流控制器的輸入，電流控制器的輸出經(jīng)驅(qū)動電路連于六橋臂功率轉(zhuǎn)換電路的輸入，六橋臂功率轉(zhuǎn)換電路的輸出經(jīng)電流檢測電路與五路負載相連，電流檢測電路的輸出與電流控制器相連。所述六橋臂功率轉(zhuǎn)換電路包括一路公共橋臂和五路負載輸出橋臂，每個橋臂均由兩個開關(guān)管串聯(lián)組成，每個橋臂的正端連于直流電源正極，每個橋臂的負端連于直流電源的負極。每個開關(guān)管反向并聯(lián)一個快恢復(fù)二極管，公共橋臂的上下兩個開關(guān)管的串聯(lián)節(jié)點連于五路負載的 公共端，其他五路負載輸出橋臂的每路兩個開關(guān)管的串聯(lián)節(jié)點分別連于一個負載的另一端。公共橋臂與五路負載輸出橋臂區(qū)分開來單獨控制，公共橋臂的上下兩 個串聯(lián)開關(guān)管互補導(dǎo)通，在一個開關(guān)周期內(nèi)，公共橋臂兩個開關(guān)管的開關(guān)信號占 空比"由下式確定^ = 1 , 1 * max(g(i)) + min(g(i)) 2 2 |max(e(i))| + |min(e(i))|式中占空比Z 由五路負載電流的誤差e(/)決定，</) = 4-/,， /,,為給定電3流，/,為實際電流，/ = a,6，c,d,e， max(e(0)和min(e(i》分別為五路電流誤差信 號的最大值和最小值，Imax(e(f))l和lmin(e(/))l分別為最大值與最小值的絕對值。另外五路負載輸出橋臂兩個串聯(lián)開關(guān)管的開關(guān)信號根據(jù)輸出電流的誤差極 性信號選擇開關(guān)狀態(tài)，使電流增加、減小或續(xù)流，每個橋臂的開關(guān)狀態(tài)由與其相 連的該橋臂的輸出電流誤差極性信號IN1和公共橋臂上開關(guān)管的開關(guān)信號IN2 來確定。在每個控制周期的開始，即時鐘信號CLK信號上升沿來臨時，誤差信號 直接傳送到該橋臂上開關(guān)管的開關(guān)信號0UT1端，其反相信號送到該橋臂下開關(guān) 管的開關(guān)信號0UT2，這個狀態(tài)持續(xù)到該橋臂的輸出電流誤差極性信號IN1發(fā)生 跳變，在這一開關(guān)狀態(tài)下負載電流會迅速減小或者增大，使電流誤差減小。當(dāng)該 橋臂的輸出電流誤差極性信號IN1發(fā)生跳變時實際輸出電流與給定信號相等，該 橋臂的輸出電流誤差為O，此后輸出電流不需急劇變化，只要自然續(xù)流即可，所 以這時此橋臂的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)與公共橋臂的開關(guān)狀態(tài)相同，即該橋臂上開關(guān)管的開 關(guān)信號0UT1等于公共橋臂上開關(guān)管的開關(guān)信號IN2，該橋臂下開關(guān)管的開關(guān)信 號0UT2為公共橋臂上開關(guān)管的開關(guān)信號IN2的反相，這個狀態(tài)保持到下個時鐘 信號CLK上升沿來臨，然后再重復(fù)上述動作。本發(fā)明的六橋臂五路輸出磁軸承開關(guān)功率放大器與現(xiàn)有的技術(shù)相比，所使用 的開關(guān)管數(shù)目少，集成度高，控制效果好，開關(guān)損耗小，效率和可靠性較高，同 時還具有控制算法簡單直觀，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。四

圖1是六橋臂五路輸出的磁軸承開關(guān)功率放大器原理框圖。圖1中的符號名稱iar， ibr，厶"i"dr， 4為五個給定電流；PWM1 ， PWM2 ，……，PWM12為12路開關(guān)信號。圖2是六橋臂開關(guān)功放的功率轉(zhuǎn)換電路。圖2中符號名稱〃d。為直流母線電壓；Sr S,2為開關(guān)管；D, 012為反并快恢復(fù)二極管；n， a， b， c， d， e分別為各個橋臂的節(jié)點；A， B， C， D， E為磁軸 承五個自由度的繞組。圖3是公共橋臂之外的其它橋臂的開關(guān)控制實現(xiàn)原理圖。圖3中符號名稱IN1為該橋臂的輸出電流誤差極性信號；CLK為時鐘信號；IN2為公共橋臂上開關(guān)管的開關(guān)信號；0UT1為該橋臂上開關(guān)管的開關(guān)信號；0UT2 為該橋臂下開關(guān)管的開關(guān)信號；五、 具體實施方法圖1是本發(fā)明的組成框圖，圖中由運算放大器組成的調(diào)理電路對給定信號
Jar，/b"4，A，^進行調(diào)理運算得到控制電路需要的信號，調(diào)理過后的信號
被送到電流控制電路。電流控制電路采用數(shù)字信號處理器DSP和CPLD的組合，
輸出控制功率開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷的開關(guān)脈沖，此控制信號經(jīng)過專用驅(qū)動芯片組成的 開關(guān)管驅(qū)動電路來對六橋臂功率轉(zhuǎn)換電路進行控制。檢測部分由包括五個電流傳
感器和由運放與比較器構(gòu)成的信號檢測電路，負載是電磁軸承5個自由度的繞 組。功率轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，采用的是六橋臂拓撲，其中有一個公共橋臂，連
接五路負載的一端，其它橋臂連接五路負載的另一端。
對六橋臂功率轉(zhuǎn)換電路的控制可分為兩個部分公共橋臂的控制和其它五個
橋臂的控制。公共橋臂的上下兩個開關(guān)管互補導(dǎo)通，即上管開通下管關(guān)斷，上管 關(guān)閉下管導(dǎo)通。在一個開關(guān)周期之內(nèi)，公共橋臂上管的開關(guān)信號占空比"可以由
下式確定
式中占空比Z 由五路負載電流的誤差e(O決定，e(/) = /,,-/,， 4為給定電 流，/,為實際電流，！' = fl,6,c,Ae， max(e(/))和min(e(/))分別為五路電流誤差信 號的最大值和最小值，|max(e(/))|和|min(e(z'))|分別為最大值與最小值的絕對值。
由上式得到的公共橋臂上開關(guān)管開關(guān)信號占空比"在[O， l]區(qū)間變化當(dāng)五 個橋臂的負載電流誤差皆為正數(shù)時，占空比"為l，誤差全為負數(shù)時，占空比" 為0。其它狀態(tài)"則在0和1之間，負的電流誤差絕對值越大，"越接近于0， 相反，正的電流誤差絕對值越大，"越接近于l。"的變化可以適時調(diào)整公共橋 臂節(jié)點的電位，既能輸出五路電流的變化所需要的電壓，又將直流母線電壓很好 地利用起來。
圖3為除公共橋臂以外的其他橋臂上下兩個開關(guān)管開關(guān)信號的產(chǎn)生原理圖， 這一橋臂的開關(guān)狀態(tài)由與其相連的該橋臂的輸出電流誤差極性信號IN1和公共 橋臂上開關(guān)管的開關(guān)信號IN2來確定。在每個控制周期的開始，即時鐘信號CLK 信號上升沿來臨時，誤差信號直接傳送到該橋臂上開關(guān)管的開關(guān)信號0UT1端， 其反相信號送到該橋臂下開關(guān)管的開關(guān)信號0UT2，這個狀態(tài)持續(xù)到該橋臂的輸 出電流誤差極性信號IN1發(fā)生跳變，在這一開關(guān)狀態(tài)下負載電流會迅速減小或者 增大，使電流誤差減小。當(dāng)該橋臂的輸出電流誤差極性信號IN1發(fā)生跳變時實際 輸出電流與給定信號相等，該橋臂的輸出電流誤差為0，此后輸出電流不需急劇
11 * max(e(i)) + min(e(i))變化，只要自然續(xù)流即可，所以這時此橋臂的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)與公共橋臂的開關(guān)狀態(tài) 相同，即該橋臂上開關(guān)管的開關(guān)信號0UT1等于公共橋臂上開關(guān)管的開關(guān)信號 IN2，該橋臂下開關(guān)管的開關(guān)信號0UT2為公共橋臂上開關(guān)管的開關(guān)信號IN2的反 相，這個狀態(tài)保持到下個時鐘信號CLK上升沿來臨，然后再重復(fù)上述動作。
由以上可知，六橋臂五路輸出開關(guān)功率放大器每個橋臂的工作狀態(tài)都有增 大，減小和續(xù)流三種狀態(tài)，是一種實現(xiàn)多橋臂多輸出的三電平采樣保持型開關(guān)功 率放大器。同傳統(tǒng)的三態(tài)(三電平)功放一樣，六橋臂五路輸出功放可以大大減 小輸出電流的紋波。
本發(fā)明中，由于這種功放有公共橋臂，可以有效解決多相負載輸出的不對稱 問題。功放使用的開關(guān)管的數(shù)目將大為減少，相應(yīng)地也減少了開關(guān)損耗，功放的 效率大大提高。相對于五個全橋結(jié)構(gòu)的磁軸承開關(guān)功放而言，總開關(guān)管的總數(shù)目 減少了40%;在開關(guān)頻率相同的情況下，總的開關(guān)損耗會有所減少，并且體積也 減小很多。
權(quán)利要求
1、一種六橋臂五路輸出的電磁軸承開關(guān)功率放大器的控制方法，所使用的六橋臂五路輸出的電磁軸承開關(guān)功率放大器，包括與給定信號相連的調(diào)理電路(1)，電流控制器(2)，驅(qū)動電路(3)，六橋臂功率轉(zhuǎn)換電路(4)和電流檢測電路(5)，其中與給定信號相連的調(diào)理電路(1)連于電流控制器(2)的輸入，電流控制器(2)的輸出經(jīng)驅(qū)動電路(3)連于六橋臂功率轉(zhuǎn)換電路(4)的輸入，六橋臂功率轉(zhuǎn)換電路(4)的輸出經(jīng)電流檢測電路(5)與五路負載(6)相連，電流檢測電路的輸出與電流控制器(2)相連，所述六橋臂功率轉(zhuǎn)換電路(4)包括一路公共橋臂和五路負載輸出橋臂，每個橋臂均由兩個開關(guān)管串聯(lián)組成，每個橋臂的正端連于直流電源正極，每個橋臂的負端連于直流電源的負極，每個開關(guān)管反向并聯(lián)一個快恢復(fù)二極管，公共橋臂的上下兩個開關(guān)管(S1，S2)的串聯(lián)節(jié)點連于五路負載的公共端，其他五路負載輸出橋臂的每路兩個開關(guān)管的串聯(lián)節(jié)點分別連于一個負載的另一端，其特征在于將公共橋臂與五路負載輸出橋臂區(qū)分開來單獨控制，公共橋臂的上下兩個串聯(lián)開關(guān)管(S1，S2)互補導(dǎo)通，在一個開關(guān)周期內(nèi)，公共橋臂兩個開關(guān)管的開關(guān)信號占空比D由下式確定
全文摘要
一種六橋臂五路輸出的電磁軸承開關(guān)功率放大器的控制方法，屬開關(guān)功率放大器，包括信號調(diào)理電路(1)，電流控制器(2)，驅(qū)動電路(3)，功率轉(zhuǎn)換電路(4)和電流檢測電路(5)。五路負載(6)(電磁軸承五個自由度的繞組)的一端都連接到(4)的一個公共橋臂，另外一端分別連接到其它五個橋臂。本功率放大器對公共橋臂單獨進行控制，其開關(guān)信號的占空比由五路電流誤差的最大值和最小值確定，另外五個橋臂的開關(guān)狀態(tài)根據(jù)每一路輸出電流的誤差實時改變，可使該路電流增大、減小或自然續(xù)流。本功放的控制方法簡單直觀，易于實現(xiàn)，可以有效解決多相負載輸出的不對稱問題，減少功率管的數(shù)目和開關(guān)損耗，降低功放的復(fù)雜程度，具有較大的經(jīng)濟和實用價值。
文檔編號F16C32/04GK101260906SQ200810023888
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月21日
發(fā)明者李祥生, 王曉琳, 鄧智泉, 陳志達 申請人:南京航空航天大學(xué)