專利名稱：一種基于三維空間矢量的磁軸承系統(tǒng)開關功率放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種開關功率放大器，是一種基于三維空間矢量的磁軸承系統(tǒng)的開關功率放大器，用于對磁軸承線圈的輸出電流進行主動控制。
背景技術：
高速磁懸浮電動機由于采用磁懸浮軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械軸承，具有轉速高、無摩擦、無需潤滑、能量密度高、尺寸小等優(yōu)點具有廣闊的應用前景。功率放大器作為高速磁懸浮電動機磁軸承控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，其能量消耗最大，減小功率放大器的能量損耗、提高集成度、增加可靠性是功率放大器設計的最主要目的之一。為了提高功率放大器的效率，高速磁懸浮電動機磁軸承控制系統(tǒng)普遍采用開關功率放大器。根據(jù)脈沖寬度調制信號產(chǎn)生電路的實現(xiàn)方式不同，磁軸承用開關功率放大器分 為模擬器件實現(xiàn)和數(shù)字實現(xiàn)兩種?，F(xiàn)有的磁軸承控制系統(tǒng)功率放大器多采用圖I所示的全橋結構，采用傳統(tǒng)的兩電平PWM脈寬調制方法輸出電流紋波很大，在電磁軸承中產(chǎn)生較大的鐵耗和銅耗。在中國專利“ZL200510012131. 2”公開的“一種用于永磁偏置電磁軸承的低紋波開關功率放大器”中，采用模擬器件實現(xiàn)了三電平PWM脈寬調制的功能，降低了紋波損耗；但是采用模擬器件搭建的功率放大器損耗較大、體積較大，同時若要改變PWM調制方式必須進行硬件調整，使用不方便。在中國專利“200610114390. O”公開的“一種用于磁懸浮飛輪磁軸承系統(tǒng)的開關功率放大器”中，采用FPGA+DSP為控制器，采用三態(tài)PWM調制方式，數(shù)據(jù)處理能力強，電流紋波小；但其需要在下橋兩個功率開關管源極和參考地之間分別串接無感功率電阻，通過FPGA控制在回路續(xù)流時對電流信號進行采樣，控制方式復雜，編程實現(xiàn)困難。上述兩個專利均采用全橋結構，控制一個線圈均需要4個功率開關管，要實現(xiàn)5個線圈的磁軸承控制，需要20個功放管，造成體積和損耗均有所增加。在中國專利“200710120705. 7”公開的“一種用于磁軸承系統(tǒng)基于空間矢量的開關功率放大器”中，采用圖2所示的三橋臂結構作為主電路，采用FPGA+DSP作為控制器，利用二維空間矢量調制方法，大大降低了電流紋波損耗，而且中間橋臂被兩個磁軸承線圈所公用，減少了功率開關管的數(shù)量，減小了功放電路的體積；但是其開關管數(shù)量仍較多，功放電路體積仍較大，如果要進一步減小開關管的數(shù)量和功放電路的體積，該方法將受到限制，并且該方法只能實現(xiàn)二維空間內的矢量調整，同時其利用采樣電阻進行電流采樣，當供電電壓較高時隔離效果弱，安全性不高，抗干擾性亦不強。同時上述幾個專利均未考慮PWM死區(qū)對磁軸承電壓造成的影響，當死區(qū)時間較大，調制頻率比較高時，死區(qū)造成的電壓差值積累將不容忽視。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種基于三維空間矢量的磁軸承系統(tǒng)開關功率放大器，采用基于三維空間矢量的調制方式，減少了功率管的數(shù)量和功放電路的體積，降低了紋波的幅值，降低了磁軸承系統(tǒng)的損耗，同時具有響應速度快，編程靈活的特點；采用PWM死區(qū)實時補償?shù)姆椒ㄌ岣吡丝刂凭龋徊捎酶呔鹊碾娏骰ジ衅髯鳛殡娏鞣答仚z測電路，控制電(弱電)和功率電(強電)隔離效果好，安全性高，檢測精度高，抗干擾性強、響應帶寬高，易于實現(xiàn)。本發(fā)明的技術解決方案一種基于三維空間矢量的磁軸承系統(tǒng)開關功率放大器，主要包括控制器、隔離驅動電路、四橋臂功率主電路、電流反饋檢測電路、信號調理電路、信號濾波電路，其中控制器通過內部AD轉換接口對位移傳感器的位移信號和磁軸承三個線圈的電流反饋信號進行采樣，利用采集到的位移信號和磁軸承轉子參考位移信號做差，對磁軸承位置誤差信號按照控制算法計算，生成電流期望信號值，將電流期望信號值與電流反饋信號值進行做差，得到誤差大小，同時利用死區(qū)補償算法計算PWM死區(qū)時間積累導致的磁軸承線圈電壓上升值或者下降值，并將該上升值或者下降值轉換成電流修正值，用此電流修·正值對得到的誤差信號進行修正，對修正之后的誤差信號利用空間矢量算法進行PWM調制，輸出八路PWM信號(PWM1 PWM8)，送至隔離驅動電路；隔離驅動電路輸入與控制器輸出的PWM信號相連，輸出與四橋臂功率主電路相接，用于生成四橋臂功率主電路中功率開關管的柵極驅動信號；四橋臂功率主電路由隔離驅動電路輸出的柵極驅動信號控制上、下橋臂八個功率開關管的導通與關斷，從而在磁軸承的三個線圈中生成與控制器計算的期望電流控制量成比例的電流輸出；三個電流反饋檢測電路輸入與四橋臂功率主電路相接，輸出與調理電路相接，分別用于檢測四橋臂功率主電路的磁軸承的三個線圈電流反饋信號；信號調理電路輸出與信號濾波電路相接，用于對三個電流反饋檢測電路輸出的電流反饋信號進行電平偏移、放大或者縮??；信號濾波電路輸入與信號調理電路調理之后的信號進行連接，用于濾除輸入信號中的噪聲信號，輸出與控制器的AD轉換接口相接，在主控制器DSP的控制下，對信號濾波電路輸出的三個電流反饋信號進行采樣。所述的控制器由DSP和FPGA組成，其中DSP作為主控制器，主要負責完成磁軸承轉子位置信號控制算法、死區(qū)補償算法和三維空間矢量算法，F(xiàn)PGA作為DSP外圍的接口芯片，用作輔助控制器，主要用來接收DSP的命令，產(chǎn)生需要的PWM信號。DSP應用三維空間矢量法計算出四橋臂主電路上橋臂四個功率開關管期望的導通時間，并利用該導通時間計算出導通觸發(fā)時刻和關斷觸發(fā)時刻，并將關斷觸發(fā)時刻作為相應的比較值送至FPGA用來生成PWM信號，F(xiàn)PGA產(chǎn)生周期為T的三角載波計數(shù)，同時接受DSP送來的四個比較值分別與三角載波計數(shù)值進行比較得到上橋臂四個功率開關管的PWM信號PWMl PWM4，下橋臂四個功率開關管的信號PWM5 PWM8由PWMl PWM4經(jīng)FPGA產(chǎn)生的死區(qū)邏輯和反相邏輯后得到。所述的死區(qū)補償算法步驟為①規(guī)定電流正方向從左至右，根據(jù)A、B、C、D四點的電流方向來計算各點補償前后的電壓差值Λ UA、Δ Ub, Δ Uc, Δ Ud,每個點電壓補償值的幅度均為Λ U=NX Tdead timeX T/U,其中N代表一個調制周期內載波的個數(shù)，隨著轉速的增加而減小，Tdead tiffle代表死區(qū)時間，U代表供電直流電壓的幅值，T代表載波周期。②流過A、B、C、D四點的電流分別為I” I2-I1' 13_12、-I3,當流過A、B、C、D四點的電流方向為正時，電壓補償值為正，當電流方向為負時，電壓補償值為負。所以A、B、C、D 四點的電壓補償值分別為 sign (I1) X Λ U、sign (I2-I1) X Λ U、sign (I3-I2) X Λ U、sign(-I3) X Λ U，其中Ip 12、I3分別代表流過線圈I、線圈2、線圈3的電流，sign表示符號 函數(shù)。③根據(jù)各點的電壓補償值計算三個線圈的電壓補償值分別為=AU1 =AUa-AUb,Δ U2= Δ Ub- Δ Uc^AU3= Λ Uc- Λ Ud，Λ UpA U2、Λ U3分別代表三個線圈的電壓補償值，并將三個電壓補償值分別除以線圈電阻值轉換成三個線圈的電流修正值Λ ΙρΛ Ι2、Λ 13。所述的三維空間矢量算法步驟為①主控制器DSP實時計算并利用死區(qū)補償算法進行死區(qū)修正得到磁軸承三個線圈的修正電流誤差值；②利用三個修正電流誤差值進行PID運算得到三維空間矢量期望的電壓調節(jié)量；③DSP根據(jù)得到的三維空間矢量期望的電壓調節(jié)量的大小和方向，確定輸出電壓矢量所處的區(qū)間；④根據(jù)所處的區(qū)間計算得到四橋臂主電路上橋臂四個功率管期望的導通時間，進而計算得到功率開關管的導通觸發(fā)時刻和關斷觸發(fā)時刻；⑤將得到的四個關斷觸發(fā)時刻送入輔助控制器FPGA，與FPGA的三角載波計數(shù)值進行比較得到上橋臂四路PWM信號，同時對上橋臂四路PWM信號添加反相邏輯和死區(qū)邏輯，得到下橋臂四路PWM信號；本發(fā)明的控制原理對磁軸承開關功率放大器而言，通過對四個橋臂上的八個功率開關管VTl VT8的導通和關斷進行控制，可以同時控制磁軸承的線圈I、線圈2和線圈3的導通與關斷，同時為了避免同一個橋臂的上下功率開關管直通，必須要求四橋臂上下功率開關管對應的信號反相并且添加死區(qū)延時，即VTl VT8對應的信號S1與S5、S2與S6、S3與S7、S4與S8反相且?guī)в兴绤^(qū)延時。如圖3和圖5所示，其中圖5箭頭所指的虛線區(qū)域代表死區(qū)，死區(qū)時間根據(jù)器件的開通時間和關斷時間確定出和L分別代表四橋臂功率主電路中任意一個橋臂的上下兩個開關管未加死區(qū)時的PWM信號，Hl和LI分別代表四橋臂功率主電路中任意一個橋臂的上下兩個開關管添加死區(qū)時的PWM信號。通過控制上橋臂四個功率開關管柵極驅動信號(S1S2S3S4)取不同的邏輯值(O或1)，可以組合成十六種狀態(tài)，其中包括十四個非零基本矢量和兩個零基本矢量，每個開關狀態(tài)對應的空間電壓矢量由同一個區(qū)間三個線圈電壓矢量合成。其空間分布如圖6所示。由于采用四橋臂結構，所以將整個電壓矢量的區(qū)域分為24 (4的階乘)個區(qū)間，二十四個區(qū)間的劃分原則是根據(jù)16個基本矢量按照保證相鄰兩次切換過程中最少的開關管參與導通和關斷的原則依次確定的，即四個橋臂中只有一個半橋參與導通和關斷，即產(chǎn)生最小的開關損耗；同時為了使產(chǎn)生的空間矢量諧波最小，各路電壓矢量在每個開關周期內采用對稱式分布結構，將每個開關周期分為五個組成部分，其中三個組成部分是三個非零基本電壓矢量的導通時間，如果這三部分時間之和小于開關周期，則將此差值平均分配給兩個零基本矢量。采用對稱的九段式空間矢量算法，在每個開關周期的開始和結束階段是兩個零基本矢量的作用時間，另外三個非零基本電壓矢量要平均分成兩部分對稱地分布在零基本矢量的左右兩側，即按照零基本矢量I —非零基本矢量I —非零基本矢量2 —非零基本矢量3 —零基本矢量2 —非零基本矢量3 —非零基本矢量2 —非零基本矢量I—零基本矢量I所示的九段式順序作用。各個區(qū)間對應的基本電壓矢量、基本電壓矢量作用順序以及各個區(qū)間的判斷條件如表I所示。表I中Ux、Uy、Uz分別代表三維空間矢量中三個線圈期望的參考電壓調節(jié)量，Vi (i=0，l，2··· 15)分別代表16個基本矢量。二十四個區(qū)間的劃分原則是根據(jù)16個基本矢量按照保證相鄰兩次切換過程中最少的開關管參與導通和關斷的原則依次確定的。Ti(i=0，l，2…15)分別代表16個基本矢量的作用時間，T代表載波周期，U是供電直流電壓的幅值，所屬區(qū)間的判斷條件按照區(qū)間的各個基本向量的導通時間大于等于零，以參考電壓矢量Vref落在第5區(qū)間為例進行說明該區(qū)間的基本電壓矢量是V14、V6和V4，其基本作用時間分別為T14、T6和T4，即(SI S2 S3 S4)取(1110)的時間為T14，即三個線圈電壓是(OOU)的時間是T14，(SIS2 S3 S4)取(0110)的時間為T6，即三個線圈電壓是(-U0U)的時間是T6，(SI S2 S3 S4)取(0100)的時間為T4，即三個線圈電壓是(-UUO)的時間是T4，根據(jù)矢量等效方程VrefXT=T14XV14+T10XV6+T8XV4，可以轉化為如下方程組
OxxT = T14xO+T6x(-U) + T4x(-U)^ UyxT = T 14xO+T6xO +T4 X U ^UzxT-T14xU+T6x U+14x0解方程組得
T14 = (Ux+Uy+Uz)xT/U]T6 = -(Ux+Uy)xT/U
14 = Uy X T/U根據(jù)T14彡O、T6彡O和T4彡O得到參考電壓矢量Vref落在第5區(qū)間時的區(qū)間判斷條件
Oy > O- Ux+Uy < O
Ux^Uy + Uz > O其他23個所屬區(qū)間的判斷條件可以類似依次得到。表I區(qū)間電壓作用順序以及區(qū)間判斷條件
所域區(qū)_判斷條件
VI S^v 14^ V12^￥8^￥0^V8^￥ 12^￥ 14
1V14.V12.V8Ux>0.Uy>0.Uz>0
￥15+
V15^V14^V12—V4—vo—V4—V i2^V14 Ux<0,Ux+Uy>0,
2￥14,V12,V4
—V15Uz>0
V15~Λ, 14—10—>V8—*V0^V2— V 10^V14 Ux^-U Y>(),UyiO,
3V14,V105￥8
'-^￥15Uy^L/>()
..................................
4V14,V10,V2
^￥15Uy^t；/>0
權利要求
1.一種基于三維空間矢量的磁軸承系統(tǒng)開關功率放大器，其特征在于包括控制器(I)、隔離驅動電路(2)、四橋臂功率主電路(3)、電流反饋檢測電路(4)、信號調理電路(5)、信號濾波電路(6),其中 控制器(I):通過控制器內部AD轉換接口對位移傳感器的位移信號和磁軸承三個線圈的電流反饋信號進行采樣，利用采集到的位移信號和磁軸承轉子參考位移信號做差，對磁軸承位置誤差信號按照控制算法計算，生成電流期望信號值，將電流期望信號值與電流反饋信號值進行做差，得到誤差大小，同時利用死區(qū)補償算法計算PWM死區(qū)時間積累導致的磁軸承線圈電壓上升值或者下降值，并將該上升值或者下降值轉換成電流修正值，用此電流修正值對得到的誤差信號進行修正，對修正之后的誤差信號利用空間矢量算法進行PWM調制，輸出八路PWM信號(PWM1 PWM8)，送至隔離驅動電路(2)； 隔離驅動電路(2):輸入與控制器(I)輸出的PWMl PWM8信號相連，輸出四橋臂功率主電路(3)中功率開關管VTl VT8的柵極驅動信號SI S8 ; 四橋臂功率主電路(3):采用八個功率開關管獨立控制三個線圈的拓撲結構，其中VTl與VT5構成第一橋臂；VT2與VT6構成第二橋臂；VT3與VT7構成第三橋臂；VT4與VT8構成第四橋臂，磁軸承線圈I接在第一橋臂與第二橋臂之間，線圈兩端點分別為A和B，線圈兩端電壓為Uab ;磁軸承線圈2接在第二橋臂與第三橋臂之間，線圈兩端點分別為B和C，線圈兩端電壓為U B。；磁軸承線圈3接在第三橋臂與第四橋臂之間，線圈兩端點分別為C和D，線圈 兩端電壓為Um，上橋臂功率開關管的驅動信號(S1、S2、S3、S4)分別與下橋臂功率開關管的驅動信號(S5、S6、S7、S8)反相并添加死區(qū)邏輯以防止上下橋臂直通； 電流反饋檢測電路(4):輸入接四橋臂功率主電路(3)，輸出接信號調理電路(5)，用于檢測四橋臂功率主電路(3)的磁軸承的三個線圈電流反饋信號； 調理電路(5):與信號濾波電路(6)相接，用于對三個電流反饋檢測電路(4)輸出的電流反饋信號進行電平偏移、放大或者縮小； 信號濾波電路(6):與信號調理電路(5)調理之后的信號相連接，用于濾除輸入信號中的噪聲信號，輸出的三個電流反饋信號接至控制器(I)的AD轉換口進行采集。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種基于三維空間矢量的磁軸承系統(tǒng)開關功率放大器，其特征在于所述的控制器(I)由DSP和FPGA組成，其中DSP作為主控制器，主要負責完成磁軸承轉子位置信號控制算法、死區(qū)補償算法和三維空間矢量算法，F(xiàn)PGA作為DSP外圍的接口芯片，用作輔助控制器，主要用來接收DSP的命令，產(chǎn)生需要的PWM信號。DSP利用死區(qū)補償算法和三維空間矢量法計算出四橋臂主電路上橋臂四個功率開關管期望的導通時間，并利用該導通時間計算出導通觸發(fā)時刻和關斷觸發(fā)時刻，并將關斷觸發(fā)時刻作為相應的比較值送至FPGA用來生成PWM信號，F(xiàn)PGA產(chǎn)生周期為T的三角載波計數(shù)，同時接受DSP送來的四個比較值分別與三角載波計數(shù)值進行比較得到上橋臂四個功率開關管的PWM信號PWMl PWM4,下橋臂四個功率開關管的信號PWM5 PWM8由PWMl PWM4經(jīng)FPGA產(chǎn)生的死區(qū)邏輯和反相邏輯后得到。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的一種基于三維空間矢量的磁軸承系統(tǒng)開關功率放大器，其特征在于所述的死區(qū)補償算法步驟為 ①規(guī)定電流正方向從左至右，根據(jù)A、B、C、D四點的電流方向來計算各點補償前后的電壓差值Λ UA, Δ UB，Λ U。，Λ UD，每個點電壓補償值的幅度均為Λ U=NXTdead—timeXT/U，其中N代表一個調制周期內載波的個數(shù)，隨著轉速的增加而減小，Tdeadtiffle代表死區(qū)時間，U代表供電直流電壓的幅值，T代表載波周期； ②流過A、B、C、D四點的電流分別為IpI2-IpW-I3，當流過A、B、C、D四點的電流方向為正時，電壓補償值為正，當電流方向為負時，電壓補償值為負。所以A、B、C、D四點的電壓補償值分別為 sign(I1) X AlKsign(I2-I1) X AU、sign(I3_I2) X ΔU>sign(-I3) X AU,其中Ip 12、I3分別代表流過線圈I、線圈2、線圈3的電流，sign表示符號函數(shù)；③根據(jù)各點的電壓補償值計算三個線圈的電壓補償值分別為=AU1=AUa-AUb,Δ U2= Δ Ub- Δ Uc^AU3= Λ Uc- Λ Ud，Λ UpA U2、Λ U3分別代表三個線圈的電壓補償值，并將三個電壓補償值分別除以線圈電阻值轉換成三個線圈的電流修正值Λ ΙρΛ Ι2、Λ 13。
4.根據(jù)權利要求I或2所述的一種基于三維空間矢量的磁軸承系統(tǒng)開關功率放大器，其特征在于所述的三維空間矢量算法步驟為 ①主控制器DSP實時計算并利用死區(qū)補償算法進行死區(qū)修正得到磁軸承三個線圈的修正電流誤差值； ②利用三個修正電流誤差值進行PID運算得到三維空間矢量期望的電壓調節(jié)量； ③DSP根據(jù)得到的三維空間矢量期望的電壓調節(jié)量的大小和方向，確定輸出電壓矢量所處的區(qū)間； ④根據(jù)所處的區(qū)間計算得到四橋臂主電路上橋臂四個功率管期望的導通時間，進而計算得到功率開關管的導通觸發(fā)時刻和關斷觸發(fā)時刻； ⑤將得到的四個關斷觸發(fā)時刻送入輔助控制器FPGA，與FPGA的三角載波計數(shù)值進行比較得到上橋臂四路PWM信號，同時對上橋臂四路PWM信號添加反相邏輯和死區(qū)邏輯，得到下橋臂四路PWM信號。
全文摘要
一種基于三維空間矢量的磁軸承系統(tǒng)開關功率放大器，是一種用來對磁軸承線圈中的電流進行主動控制的裝置，其主要包括控制器、隔離驅動電路、四橋臂功率主電路、電流反饋檢測電路、信號調理電路、信號濾波電路。該數(shù)字開關功率放大器由控制器計算電流采樣值與電流期望值的誤差并進行死區(qū)實時修正之后進行基于三維空間矢量的PWM調制，再將調制完成的PWM信號經(jīng)隔離驅動電路控制四橋臂功率主電路中功率開關管的導通與關斷，從而達到控制磁軸承線圈電流的目的。本發(fā)明實現(xiàn)了一種適用于磁軸承控制系統(tǒng)的數(shù)字開關功率放大器，減少了功率開關管的數(shù)量和輸出紋波電流的幅值，降低了電磁軸承的損耗。
文檔編號F16C32/04GK102843053SQ20121028494
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權日2012年8月10日
發(fā)明者劉剛, 崔臣君, 房建成, 孫津濟, 鄭世強, 郭研歧 申請人:北京航空航天大學