專利名稱：一種用于永磁偏置電磁軸承的低紋波開(kāi)關(guān)功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于永磁偏置電磁軸承的低紋波開(kāi)關(guān)功率放大器，用于對(duì)電磁軸承線圈的輸出電流進(jìn)行控制。
背景技術(shù)：
電磁軸承是一種高科技機(jī)電一體化產(chǎn)品，它具有高轉(zhuǎn)速、無(wú)摩擦、長(zhǎng)壽命、無(wú)需潤(rùn)滑、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、渦輪機(jī)械、真空技術(shù)以及高速機(jī)床等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。功率放大器作為電磁軸承控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，其能量消耗最大，降低它的功耗、提高能量轉(zhuǎn)換效率是功率放大器設(shè)計(jì)的最主要目的之一，同時(shí)也是電磁軸承控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低功耗所要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。
永磁偏置的電磁軸承利用永磁體產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)取代了傳統(tǒng)的電磁偏置磁軸承由偏置電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，因此可以消除由偏置電流所帶來(lái)的磁軸承線圈定子繞組銅耗和減小開(kāi)關(guān)功放損耗，并可以減小電磁鐵安匝數(shù)，減小電磁軸承體積等優(yōu)點(diǎn)，所以研究永磁偏置的電磁軸承是電磁軸承的一個(gè)重要研究方向。盡管永磁偏置的電磁軸承控制系統(tǒng)可以大大降低開(kāi)關(guān)功放的損耗，但是采用傳統(tǒng)的兩電平PWM開(kāi)關(guān)功放的輸出電流紋波很大，仍然會(huì)在電磁軸承中產(chǎn)生較大的鐵耗和銅耗，如何減小電流紋波成為實(shí)現(xiàn)電磁軸承開(kāi)關(guān)功放低紋波損耗的關(guān)鍵。
現(xiàn)有的電磁軸承開(kāi)關(guān)功率放大器的缺點(diǎn)就是電流紋波大在電磁軸承中會(huì)產(chǎn)生重復(fù)磁化損耗。通?？梢蕴岣唛_(kāi)關(guān)功率放大器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小輸出電流的紋波，但是帶來(lái)的一個(gè)新問(wèn)題就是在減小了輸出電流紋波的同時(shí)，也增加了由于功率開(kāi)關(guān)管頻繁開(kāi)關(guān)帶來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有電磁軸承開(kāi)關(guān)功率放大器的輸出電流紋波大的不足，在不提高開(kāi)關(guān)頻率的條件下，提供一種輸出紋波電流小的電磁軸承開(kāi)關(guān)功率放大器。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種用于永磁偏置電磁軸承的低紋波開(kāi)關(guān)功率放大器，它包括脈沖寬度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路(1)、光耦隔離及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路(2)、全橋主電路(3)以及電流檢測(cè)電路(4)。電流給定信號(hào)和電流檢測(cè)電路(4)檢測(cè)到電磁軸承線圈中的電流信號(hào)所產(chǎn)生的誤差信號(hào)連接到脈沖寬度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路(1)。脈沖寬度調(diào)制信號(hào)電路(1)產(chǎn)生的4路PWM信號(hào)連接到光耦隔離及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路(2)。光耦隔離及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路(2)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)直接通過(guò)控制全橋主電路(3)兩個(gè)橋臂上的四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以在電磁軸承線圈上出現(xiàn)三種電壓狀態(tài)，從而在電磁軸承線圈中生成與電流給定信號(hào)成比例的電流輸出信號(hào)。
本發(fā)明的原理是利用三電平PWM調(diào)制的原理，結(jié)合電磁軸承開(kāi)關(guān)功率放大器這個(gè)具體對(duì)象，設(shè)計(jì)出能夠解決現(xiàn)有開(kāi)關(guān)功放輸出電流紋波大的PWM波形發(fā)生電路。該電路的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離以及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，直接控制全橋主電路兩個(gè)橋臂上的四只功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而達(dá)到控制電磁軸承線圈電流的目的，并且降低了輸出電流的紋波。
本發(fā)明與現(xiàn)有電磁軸承開(kāi)關(guān)功率放大器相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明利用了一種新型的三電平PWM調(diào)制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生，與現(xiàn)有電磁軸承開(kāi)關(guān)功率放大器普遍采用的兩電平PWM調(diào)制的方式相比，并沒(méi)有增加電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且容易通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明在不增加開(kāi)關(guān)頻率以及不影響電磁軸承線圈電流快速跟蹤電流控制信號(hào)的前提下，來(lái)減小電磁軸承線圈的輸出電流紋波。本發(fā)明所采用的三電平PWM調(diào)制方式的波形產(chǎn)生靈活，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，既可以采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件編程進(jìn)行數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明的一種新型電磁軸承開(kāi)關(guān)功率放大器的電路結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的電磁軸承開(kāi)關(guān)功率放大器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)電路圖；圖3為本發(fā)明的電磁軸承開(kāi)關(guān)功率放大器的PWM信號(hào)發(fā)生電路圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它可分為四大部分，即脈沖寬度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路、光耦隔離及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、全橋主電路以及電流檢測(cè)電路。脈沖寬度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路是本發(fā)明的關(guān)鍵組成部分，本發(fā)明采用由分立元件搭成的模擬電路和數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)軟件編程來(lái)進(jìn)行數(shù)字實(shí)現(xiàn)。光耦隔離電路采用芯片6N137，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路采用芯片IR2110。電流檢測(cè)電路采用LEM公司的電流傳感器LA28-NP。
以下結(jié)合附圖2，對(duì)本發(fā)明所采用的PWM調(diào)制電路原理進(jìn)行說(shuō)明。
對(duì)電磁軸承開(kāi)關(guān)功率放大器而言，通過(guò)對(duì)全橋主電路兩個(gè)橋臂的四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管T1、T2、T3、T4的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，可使電磁軸承線圈電流的控制出現(xiàn)八種狀態(tài)，如圖2所示，其中T1與T4、T2與T3的開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)。針對(duì)不同極性的輸出電流，具體分析如下(1)電流輸出大于零正向充電狀態(tài)如圖2(a)所示，功率開(kāi)關(guān)管T1、T4導(dǎo)通。在這種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，直流母線電源向電磁軸承線圈快速充電，電流迅速上升，線圈兩端的輸出電壓為U。
正向自由續(xù)流狀態(tài)如圖2(b)和圖2(c)所示，這兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)是等效的。當(dāng)T1導(dǎo)通，T4關(guān)斷時(shí)，線圈電流通過(guò)T1、D2形成自由續(xù)流回路。當(dāng)T1關(guān)斷，T4導(dǎo)通時(shí)，線圈電流通過(guò)T4、D3形成自由續(xù)流回路。此時(shí)直流母線電源與電磁軸承線圈之間不存在能量交換，線圈中的電流幾乎保持不變，線圈兩端的輸出電壓為0。
正向放電狀態(tài)如圖2(d)所示，電磁軸承線圈通過(guò)D2、D3與直流母線相連。此時(shí)電磁軸承線圈向直流母線回饋能量，線圈中的電流迅速減小，線圈兩端的輸出電壓為-U。
(2)電流輸出小于零當(dāng)電流輸出小于零時(shí)，電路也包括三種狀態(tài)。反向充電狀態(tài)如圖2(e)所示，此時(shí)線圈兩端的輸出電壓為-U。反向自由續(xù)流狀態(tài)如圖2(f)和圖2(g)所示，這兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)也是等效的。在此種狀態(tài)下，線圈兩端的輸出電壓為0。反向放電狀態(tài)如圖2(h)所示，此時(shí)線圈的輸出電壓為U。
由以上分析可知，通過(guò)控制全橋主電路的四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，線圈的輸出電壓出現(xiàn)三種狀態(tài)，即U、O、-U三種電平，故稱之為三電平PWM調(diào)制方式。
圖3為本發(fā)明的PWM信號(hào)發(fā)生電路圖。它由運(yùn)算放大器(IC1和IC2)、電壓比較器(IC3和IC4)、反向器(IC5)、與門(mén)(IC6)、電阻(R1～R10)、電容(C1～C4)、電位器(W1～W4)以及二極管(D1～D4)組成。在電磁軸承開(kāi)關(guān)功放處于閉環(huán)控制時(shí)，將電流給定信號(hào)和電流反饋信號(hào)所產(chǎn)生的誤差信號(hào)分別加到IC1的同相端和IC2的反相端，由雙極性三角波發(fā)生器產(chǎn)生的載波信號(hào)同時(shí)加到IC1和IC2的同相端。理論上，IC1的輸出信號(hào)加到IC3的同相端和零比較得到脈寬調(diào)制信號(hào)PWM1，IC2的輸出信號(hào)加到IC4的反相端和零比較得到脈寬調(diào)制信號(hào)PWM4，再分別將PWM1和PWM4反相就可得到PWM3和PWM2。但是，在電磁軸承開(kāi)關(guān)功放當(dāng)中，跨接在直流母線電源兩端的上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)始終相位相反而處于交替導(dǎo)通狀態(tài)。由于功率開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷過(guò)程中有一段存儲(chǔ)時(shí)間和電流下降時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)管并未完全關(guān)斷。如果在此期間另一只開(kāi)關(guān)管已經(jīng)導(dǎo)通，則會(huì)造成橋路一側(cè)橋臂上的上下兩只管子直通，從而使電源短路。為了避免這種情況的發(fā)生，設(shè)置了由如圖3中所示的RC電路構(gòu)成的邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)，保證在對(duì)一個(gè)管子發(fā)出關(guān)閉脈沖后，延時(shí)一段時(shí)間后再發(fā)出對(duì)另一只管子的開(kāi)通脈沖。這四路脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM1～PWM4)經(jīng)過(guò)光耦和全橋驅(qū)動(dòng)電路就可得到驅(qū)動(dòng)四只功率開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)(ug1～ug4)。
本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的
權(quán)利要求
1.一種用于永磁偏置電磁軸承的低紋波開(kāi)關(guān)功率放大器，其特征在于它包括脈沖寬度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路(1)、光耦隔離及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路(2)、全橋主電路(3)以及電流檢測(cè)電路(4)，電流檢測(cè)電路(4)檢測(cè)到電磁軸承線圈中的電流信號(hào)和給定的電流信號(hào)所產(chǎn)生的誤差信號(hào)連接到脈沖寬度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路(1)；脈沖寬度調(diào)制信號(hào)電路(1)產(chǎn)生的四路PWM信號(hào)連接到光耦隔離及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路(2)；光耦隔離及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路(2)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)直接通過(guò)控制全橋主電路(3)兩個(gè)橋臂上的四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以在電磁軸承線圈上出現(xiàn)三種電壓狀態(tài)，從而在電磁軸承線圈中生成與電流給定信號(hào)成比例的電流輸出信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁偏置電磁軸承的低紋波開(kāi)關(guān)功率放大器，其特征在于所述的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路(1)由硬件電路完成，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于永磁偏置電磁軸承的低紋波開(kāi)關(guān)功率放大器，其特征在于所述的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路(1)它由運(yùn)算放大器(IC1和IC2)、電壓比較器(IC3和IC4)、反向器(IC5)、與門(mén)(IC6)、電阻(R1～R10)、電容(C1～C4)、電位器(W1～W4)以及二極管(D1～D4)組成，在電磁軸承開(kāi)關(guān)功率放大器處于閉環(huán)控制時(shí)，將電流給定信號(hào)和電流反饋信號(hào)所產(chǎn)生的誤差信號(hào)分別加到IC1的同相端和IC2的反相端，由雙極性三角波發(fā)生器產(chǎn)生的載波信號(hào)同時(shí)加到IC1和IC2的同相端，IC1的輸出信號(hào)加到IC3的同相端和零比較得到脈寬調(diào)制信號(hào)PWM1，IC2的輸出信號(hào)加到IC4的反相端和零比較得到脈寬調(diào)制信號(hào)PWM4，再分別將PWM1和PWM4反相就可得到PWM3和PWM2。
全文摘要
一種用于永磁偏置電磁軸承的低紋波開(kāi)關(guān)功率放大器，該發(fā)明是一種能夠用來(lái)對(duì)電磁軸承負(fù)載線圈中的電流進(jìn)行主動(dòng)控制的裝置。該開(kāi)關(guān)功率放大器主要包括脈沖寬度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路、光耦隔離及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、全橋主電路以及電流檢測(cè)電路。該開(kāi)關(guān)功率放大器根據(jù)電流給定信號(hào)和電流反饋信號(hào)所形成的誤差信號(hào)進(jìn)行PWM調(diào)制，再將調(diào)制完成的PWM信號(hào)經(jīng)光耦隔離及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路直接控制全橋主電路兩個(gè)橋臂上的四只功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而達(dá)到控制電磁磁軸承線圈電流的目的。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了永磁偏置電磁軸承開(kāi)關(guān)功率放大器的低紋波電流輸出，降低了由電流紋波在電磁軸承中的損耗。
文檔編號(hào)H02N15/00GK1710799SQ20051001213
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者張亮, 劉剛, 房建成 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)