專利名稱：一種磁軸承系統(tǒng)開關(guān)功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種開關(guān)功率放大器，用于對(duì)磁軸承線圈的輸出電流進(jìn)行主動(dòng)控制，廣泛應(yīng)用于磁懸浮電動(dòng)機(jī)、磁懸浮飛輪、磁懸浮控制力矩陀螺等系統(tǒng)的磁軸承控制。
背景技術(shù)：
高速磁懸浮電動(dòng)機(jī)由于采用磁懸浮軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械軸承，具有轉(zhuǎn)速高、無摩擦、無需潤(rùn)滑、能量密度高、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)具有廣闊的應(yīng)用前景。功率放大器作為高速磁懸 浮電動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)磁軸承控制系統(tǒng)普遍采用開關(guān)功率放大器。根據(jù)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路的實(shí)現(xiàn)方式不同，磁軸承用開關(guān)功率放大器分為模擬器件實(shí)現(xiàn)和數(shù)字實(shí)現(xiàn)兩種。現(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(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的兩電平PWM脈寬調(diào)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(guó)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(guān)功率放大器”中，采用模擬器件實(shí)現(xiàn)了三電平PWM脈寬調(diào)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(shí)若要改變PWM調(diào)制方式必須進(jìn)行硬件調(diào)整，使用不方便。在中國(guó)專利“200610114390. 0”公開的“一種用于磁懸浮飛輪磁軸承系統(tǒng)的開關(guān)功率放大器”中，采用FPGA+DSP為控制器，采用三態(tài)PWM調(diào)制方式，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，電流紋波?。坏湫枰谙聵騼蓚€(gè)功率開關(guān)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(shí)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采樣，控制方式復(fù)雜，編程實(shí)現(xiàn)困難。上述兩個(gè)專利均采用全橋結(jié)構(gòu)，控制一個(gè)線圈均需要4個(gè)功率開關(guān)管，要實(shí)現(xiàn)5個(gè)線圈的磁軸承控制，需要20個(gè)功放管，造成體積和損耗均有所增加。在中國(guó)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(guān)功率放大器”中，采用圖2所示的三橋臂結(jié)構(gòu)作為主電路，采用FPGA+DSP作為控制器，利用二維空間矢量調(diào)制方法，大大降低了電流紋波損耗，而且中間橋臂被兩個(gè)磁軸承線圈所公用，減少了功率開關(guān)管的數(shù)量，減小了功放電路的體積；但是其開關(guān)管數(shù)量仍較多，功放電路體積仍較大，如果要進(jìn)一步減小開關(guān)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(shí)現(xiàn)二維空間內(nèi)的矢量調(diào)整，同時(shí)其利用采樣電阻進(jìn)行電流采樣，當(dāng)供電電壓較高時(shí)隔離效果弱，安全性不高，抗干擾性亦不強(qiáng)。同時(shí)上述幾個(gè)專利均未考慮PWM死區(qū)對(duì)磁軸承電壓造成的影響，當(dāng)死區(qū)時(shí)間較大，調(diào)制頻率比較高時(shí)，死區(qū)造成的電壓差值積累將不容忽視。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種磁軸承系統(tǒng)開關(guān)功率放大器，采用基于三維空間矢量的調(diào)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(shí)具有響應(yīng)速度快，編程靈活的特點(diǎn)；采用PWM死區(qū)實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣吡丝刂凭?；采用高精度的電流互感器作為電流反饋檢測(cè)電路，控制電(弱電)和功率電(強(qiáng)電)隔離效果好，安全性高，檢測(cè)精度高，抗干擾性強(qiáng)、響應(yīng)帶寬高，易于實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案一種基于三維空間矢量的磁軸承系統(tǒng)開關(guān)功率放大器，主要包括控制器、隔離驅(qū)動(dòng)電路、四橋臂功率主電路、電流反饋檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)濾波電路，其中控制器通過控制器內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換接口對(duì)位移傳感器的位移信號(hào)和磁軸承三個(gè)線圈的電流反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，利用采集到的位移信號(hào)和磁軸承轉(zhuǎn)子參考位移信號(hào)做差，對(duì)磁軸承位置誤差信號(hào)按照控制算法計(jì)算，生成電流期望信號(hào)值，將電流期望信號(hào)值與電流反饋信號(hào)值進(jìn)行做差，得到誤差大小，同時(shí)計(jì)算PWM死區(qū)時(shí)間積累導(dǎo)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(zhuǎn)換成電流修正值，用此電流修正值對(duì)得到的誤差信號(hào)進(jìn)行修正，對(duì)修正之后的誤差信號(hào)利用空間矢量算法進(jìn)行PWM調(diào)制，輸出八路·PWM信號(hào)(PWM1 PWM8)，送至隔離驅(qū)動(dòng)電路；隔離驅(qū)動(dòng)電路輸入與控制器輸出的PWMl PWM8信號(hào)相連，輸出四橋臂功率主電路中功率開關(guān)管VTl VT8的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S8，直接與四橋臂功率主電路開關(guān)管的柵極相連；四橋臂功率主電路由隔離驅(qū)動(dòng)電路輸出的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S8控制上橋臂和下橋臂八個(gè)功率開關(guān)管VTl VT8的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而在磁軸承三個(gè)線圈中生成與電流控制量成比例的電流輸出；電流反饋檢測(cè)電路輸入直接與四橋臂功率主電路相串聯(lián)，輸出接信號(hào)調(diào)理電路，用于檢測(cè)四橋臂功率主電路的磁軸承的三個(gè)線圈電流反饋信號(hào)；調(diào)理電路與信號(hào)濾波電路相接，用于對(duì)三個(gè)電流反饋檢測(cè)電路輸出的電流反饋信號(hào)進(jìn)行電平偏移、放大或者縮小；信號(hào)濾波電路與信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理之后的信號(hào)相連接，用于濾除輸入信號(hào)中的噪聲信號(hào)，輸出的三個(gè)電流反饋信號(hào)接至控制器的AD轉(zhuǎn)換口進(jìn)行采集。所述的控制器由DSP和FPGA組成，其中DSP作為主控制器，主要負(fù)責(zé)完成磁軸承轉(zhuǎn)子位置信號(hào)控制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(hào)。所述的四橋臂功率主電路采用八個(gè)功率開關(guān)管獨(dú)立控制三個(gè)線圈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中VTl與VT5構(gòu)成第一橋臂；VT2與VT6構(gòu)成第二橋臂；VT3與VT7構(gòu)成第三橋臂；VT4與VT8構(gòu)成第四橋臂，磁軸承線圈LI接在第一橋臂與第二橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為A和B，線圈兩端電壓為Uab ;磁軸承線圈L2接在第二橋臂與第三橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為B和C，線圈兩端電壓為UB。；磁軸承線圈L3接在第三橋臂與第四橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為C和D，線圈兩端電壓為Um，即第二橋臂和第三橋臂為兩個(gè)磁軸承線圈的公用橋臂，B和C兩點(diǎn)為兩個(gè)磁軸承線圈公用連接點(diǎn)，上橋臂功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(SI、S2、S3、S4)分別與下橋臂功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(S5、S6、S7、S8)反相并添加死區(qū)邏輯以防止上下橋臂直通。本實(shí)用新型與現(xiàn)有的模擬器件實(shí)現(xiàn)或數(shù)字實(shí)現(xiàn)的磁軸承用開關(guān)功率放大器相比，優(yōu)點(diǎn)在于(I)控制永磁偏置磁軸承通常需要控制五個(gè)自由度，需要控制兩個(gè)徑向磁軸承和一個(gè)軸向磁軸承共五路磁軸承線圈，本實(shí)用新型通過采用四橋臂功率主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用八個(gè)功率管獨(dú)立控制三個(gè)獨(dú)立的線圈電流，使控制5個(gè)線圈的磁軸承系統(tǒng)需要的功率管由20個(gè)減少為14個(gè)(一個(gè)四橋臂功率主電路分別控制一個(gè)徑向磁軸承x、y方向和軸向磁軸承方向共三個(gè)線圈，如圖3所示，需要8個(gè)功率管；一個(gè)三橋臂功率主電路控制另一個(gè)徑向磁軸承x、y方向的兩路線圈，如圖2所示，需要6個(gè)功率管，共14個(gè)功率管)，減少了功率管數(shù)量和功放電路體積，提高了集成度，降低了紋波的幅值和磁軸承系統(tǒng)的損耗。(2)本實(shí)用新型采用高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP和FPGA的組合進(jìn)行三維空間矢量調(diào)制，將DSP作為主控制器，充分發(fā)揮其計(jì)算能力強(qiáng)和外圍接口豐富的優(yōu)點(diǎn)，具有快速的系統(tǒng)響應(yīng)，F(xiàn)PGA作為輔助控制器，兼做DSP的外圍擴(kuò)展，充分發(fā)揮其編程靈活的優(yōu)點(diǎn)。(3)本實(shí)用新型采用PWM死區(qū)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，根據(jù)A、B、C、D四點(diǎn)的電流方向來計(jì)算各點(diǎn)的電壓補(bǔ)償值A(chǔ) UA、A UB，A Uc，A UD，其中流過A點(diǎn)的電流等于流過線圈LI的電流，流過 B點(diǎn)的電流等于線圈L2的電流減去線圈LI的電流，流過C點(diǎn)的電流等于流過線圈L3的電流減去流過線圈L2的電流,流過D點(diǎn)的電流等于流過線圈L3的電流的相反數(shù)。根據(jù)各點(diǎn)的電流得到相應(yīng)的電壓補(bǔ)償值計(jì)算出三個(gè)線圈的電壓補(bǔ)償值分別為AUU =AUa-AU b、A Ul2= A Ub- A U c、A Ul3= A Uc- A Ud, A Uli, A UL2, A Ul3 分別代表三個(gè)線圈的電壓補(bǔ)償值，將三個(gè)電壓補(bǔ)償值分別轉(zhuǎn)換成三個(gè)線圈的電流修正值A(chǔ) I1^A I2、A 13。當(dāng)磁軸承的線圈的供電電壓比較大、死區(qū)時(shí)間比較大時(shí)，死區(qū)電壓影響較大，通過實(shí)時(shí)死區(qū)補(bǔ)償，可以達(dá)到提高控制精度的目的。

圖I為現(xiàn)有的單線圈全橋功率主電路圖圖2為現(xiàn)有的三橋臂功率主電路圖；圖3為本實(shí)用新型的硬件組成框圖；圖4為本實(shí)用新型的控制器組成及流程圖；圖5為PWM信號(hào)產(chǎn)生以及添加死區(qū)的原理圖；圖6為本實(shí)用新型的三維空間矢量算法的基本矢量圖；圖7為本實(shí)用新型的三維空間矢量算法中第3區(qū)間矢量的等效分解圖；圖8為本實(shí)用新型的三維空間矢量算法流程圖；圖9為本實(shí)用新型的電流反饋檢測(cè)電路；圖10為本實(shí)用新型的信號(hào)調(diào)理電路與信號(hào)濾波電路電路。
具體實(shí)施方式
如圖3所示，本實(shí)用新型主要包括控制器、隔離驅(qū)動(dòng)電路、四橋臂功率主電路、電流反饋檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)濾波電路，其中控制器通過內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換接口對(duì)位移傳感器的位移信號(hào)和磁軸承三個(gè)線圈的電流反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，利用采集到的位移信號(hào)和磁軸承轉(zhuǎn)子參考位移信號(hào)做差，對(duì)磁軸承位置誤差信號(hào)按照控制算法計(jì)算，生成電流期望信號(hào)值，將電流期望信號(hào)值與電流反饋信號(hào)值進(jìn)行做差，得到誤差大小，同時(shí)計(jì)算PWM死區(qū)時(shí)間積累導(dǎo)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(zhuǎn)換成電流修正值，用此電流修正值對(duì)得到的誤差信號(hào)進(jìn)行修正，對(duì)修正之后的誤差信號(hào)利用空間矢量算法進(jìn)行PWM調(diào)制，輸出八路PWM信號(hào)(PWM1 PWM8)，送至隔離驅(qū)動(dòng)電路；隔離驅(qū)動(dòng)電路的輸入與控制器輸出的PWMl PWM8信號(hào)相連，輸出四橋臂功率主電路中功率開關(guān)管VTl VT8的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S8，直接與四橋臂功率主電路開關(guān)管的柵極相連；四橋臂功率主電路由隔離驅(qū)動(dòng)電路輸出的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S8控制上橋臂和下橋臂八個(gè)功率開關(guān)管VTl VT8的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而在磁軸承的三個(gè)線圈中生成與電流控制量成比例的電流輸出；電流反饋檢測(cè)電路的輸入直接與四橋臂功率主電路相串聯(lián)，輸出接信號(hào)調(diào)理電路，用于檢測(cè)四橋臂功率主電路的磁軸承的三個(gè)線圈電流反饋信號(hào)；調(diào)理電路與信號(hào)濾波電路相接，用于對(duì)三個(gè)電流反饋檢測(cè)電路輸出的電流反饋信號(hào)進(jìn)行電平偏移、放大或者縮小；信號(hào)濾波電路與信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理之后的信號(hào)相連接，用于濾除輸入信號(hào)中的噪聲信號(hào)，輸出的三個(gè)電流反饋信號(hào)接至控制器的AD轉(zhuǎn)換口進(jìn)行采集。控制器包含主控制器DSP和輔助控制器FPGA。主控制器DSP利用內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換接口對(duì)位移傳感器的位移信號(hào)和磁軸承三個(gè)線圈的電流反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，利用采集到的位移信號(hào)和磁軸承轉(zhuǎn)子參考位移信號(hào)做差，對(duì)磁軸承位置誤差信號(hào)按照控制算法計(jì)算，生 成電流期望信號(hào)值，并將此電流期望值與電流反饋值做差得到三個(gè)電流誤差信號(hào)，然后DSP進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償算法，即計(jì)算PWM死區(qū)時(shí)間積累導(dǎo)致的磁軸承線圈電壓上升或者下降，并將該上升值或者下降值轉(zhuǎn)換成電流修正值，用此電流修正值對(duì)三個(gè)電流誤差信號(hào)進(jìn)行修正，利用三個(gè)修正之后的誤差進(jìn)行PID運(yùn)算得到三維空間矢量期望的電壓調(diào)節(jié)量。DSP根據(jù)得到的三維空間矢量期望的電壓調(diào)節(jié)量的大小和方向，按照三維空間矢量算法生成四路比較值，將四路比較值與三角載波的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，得到上橋臂四個(gè)功率開關(guān)管的PWMl PWM4信號(hào)，同時(shí)對(duì)四路PWM信號(hào)添加反相邏輯和死區(qū)邏輯，得到下橋臂四個(gè)管的PWM5 PWM8信號(hào)；經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)電路2生成四橋臂功放主電路3的功率開關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S8，其中SI與S5、S2與S6、S3與S7、S4與S8分別反相并添加死區(qū)，由SI S8控制八個(gè)功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，電流反饋檢測(cè)電路4通過隔離檢測(cè)四橋臂功率主電路3中磁軸承線圈的電流值，得到線圈的電流反饋信號(hào)。其中VTl與VT5構(gòu)成第一橋臂；VT2與VT6構(gòu)成第二橋臂；VT3與TH構(gòu)成第三橋臂；VT4與VT8構(gòu)成第四橋臂，磁軸承線圈LI接在第一橋臂與第二橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為A和B，線圈兩端電壓為Uab ;磁軸承線圈L2接在第二橋臂與第三橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為B和C，線圈兩端電壓為Ubc ;磁軸承線圈L3接在第三橋臂與第四橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為C和D，線圈兩端電壓為Um，即第二橋臂和第三橋臂為兩個(gè)磁軸承線圈的公用橋臂，B和C兩點(diǎn)為兩個(gè)磁軸承線圈公用連接點(diǎn)，上橋臂功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(SI、S2、S3、S4)分別與下橋臂功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(S5、S6、S7、S8)反相并添加死區(qū)邏輯以防止上下橋臂直通。磁軸承線圈LI、磁軸承線圈L2和磁軸承線圈L3中分別串連一個(gè)高精度電流傳感器，有效地將控制電(弱電)和功率電(強(qiáng)電)進(jìn)行隔離，檢測(cè)線圈的電流。如圖4所示，本實(shí)用新型的控制器由主控制器DSP和輔助控制器FPGA組成。DSP作為主控制器，主要負(fù)責(zé)完成磁軸承轉(zhuǎn)子位置信號(hào)控制算法和三維空間矢量算法；FPGA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(hào)；DSP利用內(nèi)置AD接口進(jìn)行反饋電流采樣和位移采樣，DSP利用采集到的位移信號(hào)和磁軸承轉(zhuǎn)子期望的位移信號(hào)做差，對(duì)磁軸承位置誤差信號(hào)進(jìn)行控制算法后，生成電流期望值，DSP將此期望電流值與之前電流反饋信號(hào)的采樣值進(jìn)行做差后得到三個(gè)電流誤差值，然后DSP進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償算法，即計(jì)算PWM死區(qū)時(shí)間積累導(dǎo)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(zhuǎn)換成電流修正值，用此電流修正值對(duì)三個(gè)電流誤差信號(hào)進(jìn)行修正，利用三個(gè)修正之后的誤差進(jìn)行PID運(yùn)算得到三維空間矢量期望的電壓調(diào)節(jié)量。DSP根據(jù)得到的三維空間矢量期望的電壓調(diào)節(jié)量大小和方向，應(yīng)用三維空間矢量法計(jì)算出四橋主電路上橋臂四個(gè)功率開關(guān)管期望的導(dǎo)通時(shí)間，并利用該導(dǎo)通時(shí)間計(jì)算出導(dǎo)通觸發(fā)時(shí)刻和關(guān)斷觸發(fā)時(shí)刻，并將關(guān)斷觸發(fā)時(shí)刻轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的比較值送至FPGA用來生成PWM信號(hào)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生周期為T的三角載波計(jì)數(shù)，同時(shí)接受DSP送來的四個(gè)比較值分別與三角載波計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，若送來的比較值大于生成的三角載計(jì)數(shù)值，則輸出高電平，反之則輸出低電平，由此得到上橋臂四個(gè)功率開關(guān)管的PWM信號(hào)PWMl PWM4，下橋臂四個(gè)功率開關(guān)管的信號(hào)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。 如圖5所示，所述的死區(qū)邏輯采用上橋臂功率開關(guān)管延時(shí)導(dǎo)通、按時(shí)關(guān)斷，下橋臂功率開關(guān)管按時(shí)關(guān)斷、延時(shí)開通。死區(qū)補(bǔ)償算法主要是根據(jù)A、B、C、D四點(diǎn)的電流方向來計(jì)算各點(diǎn)相對(duì)于各點(diǎn)未補(bǔ)償之前的電壓差值A(chǔ) UA, A UB, A Uc, A Ud,電流正方向定位從左至右，每個(gè)點(diǎn)電壓補(bǔ)償值的幅度均為A U=NXTdead timeXT/U，其中N代表一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)載波的個(gè)數(shù)，隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，Tdead tinie代表死區(qū)時(shí)間，U代表供電直流電壓的幅值，T代表載波周期。當(dāng)電流方向?yàn)檎龝r(shí)，電壓補(bǔ)償值為正，當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，電壓補(bǔ)償值為負(fù)。流過A、B、C、D的電流分別為Iu、Il2-Ili, Il3-Il2、_Il3，所以A、B、C、D四點(diǎn)的電壓補(bǔ)償值分別為 sign(IL1) X A U、sign (Il2-Ili) X A U、sign (Il3-Il2) X A U、sign (_IL3) X AU，其中sign為符號(hào)函數(shù)。根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的電壓補(bǔ)償值計(jì)算出三個(gè)線圈的電壓補(bǔ)償值分別為AUU=A Ua- A Ub、A Ul2= A Ub- A Uc, A Ul3 =A Uc- A Ud，A Uli、A UL2, A Ul3 分別代表三個(gè)線圈的電壓補(bǔ)償值，將三個(gè)電壓補(bǔ)償值分別轉(zhuǎn)換成三個(gè)線圈的電流修正值A(chǔ) I1^A I2、A 13。如圖6所示，根據(jù)S1、S2、S3和S4的狀態(tài)(SI與S5、S2與S6、S3與S7、S4與S8分別添加死區(qū)后反相)，四個(gè)橋臂可以組合出十六種開關(guān)狀態(tài)，其中包括兩個(gè)零矢量和十四個(gè)非零矢量。把連接在橋臂中點(diǎn)A、B間的磁軸承線圈上的電壓Uab當(dāng)作一端磁軸承XY平面的X軸的電壓，把連接在橋臂中點(diǎn)B、C之間的磁軸承線圈上的電壓Ubc當(dāng)作一端磁軸承XY平面的Y軸的電壓，把連接在橋臂中點(diǎn)C、D之間的磁軸承線圈上的電壓Ucd當(dāng)作軸向的電壓，即Z軸的電壓。十六種開關(guān)狀態(tài)(0000)，(0001),…，(1111)分別對(duì)應(yīng)著輸出十六個(gè)基本電壓矢量V0，VI，…，V15。其中VO和V15是兩個(gè)零基本電壓矢量，Vl V14分別對(duì)應(yīng)十四個(gè)非零基本電壓矢量，這十六個(gè)基本電壓矢量把三維空間XYZ分為24個(gè)區(qū)間。十六種基本空間矢量對(duì)應(yīng)磁軸承的三個(gè)線圈的十六種導(dǎo)通狀態(tài)。每個(gè)開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的空間電壓矢量由每個(gè)區(qū)間的三個(gè)非零基本電壓矢量合成。采用三維空間矢量算法控制四橋臂功放主電路，磁軸承的三個(gè)線圈在工作過程中會(huì)出現(xiàn)充電、放電和自由續(xù)流三種不同的狀態(tài)，這個(gè)特點(diǎn)使得三維空間矢量算法控制的四橋臂功放主電路具有三電平控制方法所具有的紋波小、損耗小的優(yōu)點(diǎn)。但是本實(shí)用新型在具備上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，并且VT2與VT5所組成的第二橋臂和VT3與VT6所組成的第三橋臂被兩個(gè)磁軸承線圈所共用，減少了功率開關(guān)管數(shù)量的同時(shí)開關(guān)損耗也大大降低。本實(shí)用新型采用對(duì)稱的九段式空間矢量脈寬調(diào)制方式，各個(gè)基本矢量在每個(gè)開關(guān)周期中被分為九段，在每個(gè)開關(guān)周期的開始和結(jié)束階段，是零矢量V15作用時(shí)間，而開關(guān)周期的中間時(shí)間段是零基本矢量VO作用時(shí)間，零矢量V15和VO將零矢量的導(dǎo)通時(shí)間平分，另外三個(gè)非零基本電壓矢量要平均分成兩部分對(duì)稱地分布在零基本矢量VO的左右兩側(cè)，這樣整個(gè)周期對(duì)稱分為九段，各個(gè)基本矢量在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的作用順序和時(shí)間是對(duì)稱分布的，所產(chǎn)生的各路脈寬調(diào)制信號(hào)也是對(duì)稱的。％為零矢量作用的時(shí)間A1U2和t3分別為所處區(qū)間三個(gè)非零基本矢量按照導(dǎo)通順序依次的作用時(shí)間。在每個(gè)開關(guān)周期的開始和結(jié)束階段，是零矢量V15的作用時(shí)間4/4，而開關(guān)周期的中間時(shí)間段是零矢量VO作用時(shí)間4/2，另外三個(gè)非零基本電壓矢量要平均分成兩部分對(duì)稱地分布在零矢量VO的左右兩側(cè)，基本電壓矢量的作用順序的選取原則保證每次 開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換都只有一位發(fā)生改變，即當(dāng)八個(gè)功率開關(guān)管從一種開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)化到另一種開關(guān)狀態(tài)時(shí)，只有一個(gè)橋臂參與換流，這樣不僅可以減少開關(guān)次數(shù)，而且可以降低開關(guān)損耗。如圖8所示，本實(shí)用新型的三維空間矢量算法的軟件實(shí)現(xiàn)流程。在磁軸承的工作過程中，三維空間矢量算法中每個(gè)區(qū)間里基本電壓矢量的作用順序和功率開關(guān)管的開關(guān)信號(hào)成相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以實(shí)際控制當(dāng)中首先要計(jì)算磁軸承的三個(gè)線圈的電流誤差信號(hào)；然后根據(jù)PWM信號(hào)設(shè)計(jì)的死區(qū)時(shí)間對(duì)三個(gè)電流誤差信號(hào)進(jìn)行死區(qū)修正，利用修正之后的誤差進(jìn)行PID運(yùn)算得到三維空間矢量期望的電壓調(diào)節(jié)量，根據(jù)表I判斷電壓矢量位于哪個(gè)區(qū)間；根據(jù)所處區(qū)間查找表2得到三個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間t2、t3，然后利用公式t0=T-t1-t2-t3計(jì)算h，進(jìn)而根據(jù)表2得到四個(gè)功率開關(guān)管的關(guān)斷觸發(fā)時(shí)刻ttaigttrig_0fO, ttrig off_3, ttrig off 4 ;將得到的關(guān)斷觸發(fā)時(shí)刻作為比較值送至FPGA，與FPGA的三角載波計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，若送來的比較值大于生成的三角載計(jì)數(shù)值，則輸出高電平，反之則輸出低電平，由此得到上橋臂四個(gè)功率開關(guān)管的PWM信號(hào)PWMl PWM4，下橋臂四個(gè)功率開關(guān)管的信號(hào)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。表I中的Ux,Uy,Uz分別代表空間矢量中三個(gè)線圈期望的參考電壓調(diào)節(jié)量，表2中的X、Y、Z分別代表空間矢量中三個(gè)線圈期望的參考電壓調(diào)節(jié)量Ux、Uy、Uz，T代表載波周期，U代表供電直流電壓的幅值。表I區(qū)間電壓作用順序以及區(qū)間判斷條件
權(quán)利要求1.一種磁軸承系統(tǒng)開關(guān)功率放大器，其特征在于包括控制器(I)、隔離驅(qū)動(dòng)電路(2)、四橋臂功率主電路(3)、電流反饋檢測(cè)電路(4)、信號(hào)調(diào)理電路(5)、信號(hào)濾波電路(6)，其中 控制器(I):通過控制器內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換接口對(duì)位移傳感器的位移信號(hào)和磁軸承三個(gè)線圈的電流反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，利用采集到的位移信號(hào)和磁軸承轉(zhuǎn)子參考位移信號(hào)做差，對(duì)磁軸承位置誤差信號(hào)按照控制算法計(jì)算，生成電流期望信號(hào)值，將電流期望信號(hào)值與電流反饋信號(hào)值進(jìn)行做差，得到誤差大小，同時(shí)計(jì)算PWM死區(qū)時(shí)間積累導(dǎo)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(zhuǎn)換成電流修正值，用此電流修正值對(duì)得到的誤差信號(hào)進(jìn)行修正，對(duì)修正之后的誤差信號(hào)利用空間矢量算法進(jìn)行PWM調(diào)制，輸出八路PWM信號(hào)(PWM1 PWM8)，送至隔離驅(qū)動(dòng)電路(2)； 隔離驅(qū)動(dòng)電路(2):輸入與控制器(I)輸出的PWMl PWM8信號(hào)相連，輸出四橋臂功率主電路(3)中功率開關(guān)管VTl VT8的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S8，直接與四橋臂功率主電路(3)開關(guān)管的柵極相連； 四橋臂功率主電路(3):由隔離驅(qū)動(dòng)電路(2)輸出的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)SI S8控制上橋臂和下橋臂八個(gè)功率開關(guān)管VTl VT8的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而在磁軸承三個(gè)線圈中生成與電流控制量成比例的電流輸出； 電流反饋檢測(cè)電路(4):輸入直接與四橋臂功率主電路(3)相串聯(lián)，輸出接信號(hào)調(diào)理電路(5)，用于檢測(cè)四橋臂功率主電路(3)的磁軸承的三個(gè)線圈電流反饋信號(hào)； 調(diào)理電路(5):與信號(hào)濾波電路(6)相接，用于對(duì)三個(gè)電流反饋檢測(cè)電路(4)輸出的電流反饋信號(hào)進(jìn)行電平偏移、放大或者縮??； 信號(hào)濾波電路(6):與信號(hào)調(diào)理電路(5)調(diào)理之后的信號(hào)相連接，用于濾除輸入信號(hào)中的噪聲信號(hào)，輸出的三個(gè)電流反饋信號(hào)接至控制器(I)的AD轉(zhuǎn)換口進(jìn)行采集。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種磁軸承系統(tǒng)開關(guān)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(fù)責(zé)完成磁軸承轉(zhuǎn)子位置信號(hào)控制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(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種磁軸承系統(tǒng)開關(guān)功率放大器，其特征在于所述的四橋臂功率主電路(3)采用八個(gè)功率開關(guān)管獨(dú)立控制三個(gè)線圈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中VTl與VT5構(gòu)成第一橋臂;VT2與VT6構(gòu)成第二橋臂；VT3與VI7構(gòu)成第三橋臂；VT4與VT8構(gòu)成第四橋臂，磁軸承線圈LI接在第一橋臂與第二橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為A和B，線圈兩端電壓為Uab ;磁軸承線圈L2接在第二橋臂與第三橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為B和C，線圈兩端電壓為Ubc ;磁軸承線圈L3接在第三橋臂與第四橋臂之間，線圈兩端點(diǎn)分別為C和D，線圈兩端電壓為Um，即第二橋臂和第三橋臂為兩個(gè)磁軸承線圈的公用橋臂，B和C兩點(diǎn)為兩個(gè)磁軸承線圈公用連接點(diǎn)，上橋臂功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(SI、S2、S3、S4)分別與下橋臂功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(S5、S6、S7、S8)反相并添加死區(qū)邏輯以防止上下橋臂直通。
專利摘要一種磁軸承系統(tǒng)開關(guān)功率放大器，是一種用來對(duì)磁軸承線圈中的電流進(jìn)行主動(dòng)控制的裝置，其主要包括控制器、隔離驅(qū)動(dòng)電路、四橋臂功率主電路、電流反饋檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)濾波電路。該數(shù)字開關(guān)功率放大器由控制器計(jì)算電流采樣值與電流期望值的誤差并進(jìn)行死區(qū)實(shí)時(shí)修正之后進(jìn)行基于三維空間矢量的PWM調(diào)制，再將調(diào)制完成的PWM信號(hào)經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)電路控制四橋臂功率主電路中功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而達(dá)到控制磁軸承線圈電流的目的。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了一種適用于磁軸承控制系統(tǒng)的數(shù)字開關(guān)功率放大器，減少了功率開關(guān)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(hào)F16C32/04GK202798515SQ201220396979
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者崔臣君, 房建成, 洪勢(shì), 吳蓉, 劉剛, 韓邦成, 鄭世強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京海斯德電機(jī)技術(shù)有限公司