CN100459404C - 多路输出的磁轴承开关功率放大器的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种多路输出的磁轴承开关功率放大器及其控制方法属开关功率放大器，包括信号调理电路(1)，电流控制器(2)，驱动电路(3)，四桥臂功率转换电路(4)和电流检测电路(5)，其中四桥臂功率转换电路的(4)是通过控制每个桥臂的节点电位来实现三路独立输出，用以驱动磁轴承三个自由度的绕组，控制方法简单易行。本功率放大器的三路输出连接到一个公共桥臂，可以减少功率管的数目和开关损耗，同时可以降低功放的复杂程度，具有较大的经济和实用价值，对于磁轴承的推广应用具有较大的意义。

Description

多路输出的磁轴承开关功率放大器的控制方法

一、技术领域

本发明的多路输出磁轴承开关功率放大器及其控制方法属开关功率放大器。

二、技术背景

目前磁轴承系统广泛采用开关功率放大器，这些开关功放的功率转换电路多为半桥、改进半桥或全桥结构，每套功放都需要独立的的控制电路，并且只能驱动磁轴承一个自由度的线圈。如果要使一根转轴实现五自由度的悬浮则需要五套这种功放，这样五套独立的控制电路和功率转换电路将使功放部分的体积变得比较庞大，复杂程度高，可靠性低，并且功率管较多，损耗较大。

三、发明内容

本发明针对现有技术的不足研制一种体积小、结构简单、可靠性高、损耗小且功放的各路输出相互独立，互不干扰的多路输出磁轴承开关功率放大器。

实现上述目的多路输出磁轴承开关功率放大器，包括调理电路连接于电流控制器，电流控制器的输出经驱动电路连于四桥臂功率转换电路，四桥臂功率转换电路的输出经电流检测电路与三路负载相连。

其中，四桥臂功率转换电路中连接于直流母线之间的每个桥臂均由两个开关管串联组成，每个开关管反并一快恢复二极管，第一个桥臂作为公共桥臂，其节点与三路负载的一端相连，后面三个桥臂的节点连接与三路负载的另一端。该四桥臂功率转换电路的三路输出电压是通过控制四个桥臂的节点电位来实现的，而由各节点的电位可以直接获得各路开关信号的占空比，以生成开关信号。通过不断地改变三路输出电压就可以控制三路负载的电流跟踪各自给定信号的变化。

由于四个节点电位并不是唯一确定的，因此给功放输出性能的优化带来了很大的空间。如果令各节点电位中的最大值和最小值对称分布在1/2直流母线电压的两侧(即两者的平均值为1/2直流母线电压)，就可以使各路输出电流的纹波最小；而如果使各节点电位的最大值为直流母线电压或使各电位的最小值为0，那么总的开关次数将会减少1/3，总开关次数是各种方式下最少的。

本发明的多路输出磁轴承开关功率放大器与现有的技术相比，所使用的开关管数目少，开关损耗小，效率和可靠性较高，同时还具有控制算法简单直观，易于实现等优点。

四、附图说明

图1是多路输出的磁轴承开关功率放大器原理框图。

图1中的符号名称。Ixr，Iyr，Izr：三个给定电流；PWM1，PWM2，……，PWM8:8路开关信号；X，Y，Z：磁轴承三个自由度的绕组。

图2是四桥臂功率转换电路原理图。

图2中符号名称。Udc：直流母线电压；S₁-S₈：开关管；D₁-D₈：反并快恢复二极管；n，x，y，z：各个桥臂的节点；X，Y，Z：磁轴承三个自由度的绕组。

五、具体实施方法

图1是本发明的组成框图，图中与给定信号Ixr，Iyr，Izr相连的调理电路1由运算放大器搭成，电流控制电路采用数字信号处理器DSP，驱动电路3为开关管的专用驱动芯片，电流检测电路5包括三个电流传感器和由运放构成的信号调理电路，以上电路均为现有技术，负载6是磁轴承3个自由度的绕组X，Y，Z。四桥臂功率转换电路如图2所示，也为现有技术。

本发明的工作过程是：调理电路1将三路负载X，Y，Z的给定信号Ixr，Iyr和Izr进行处理后送给电流控制器2，电流控制器2再对由电流检测电路5得到各路输出电流信号采样，并与各自的给定信号比较计算出需要输出的电压Ux，Uy，Uz，然后根据需要确定各桥臂节点的电位Vn，Vx，Vy，Vz，生成开关信号PWM1，PWM2，…，PWM8控制各开关管S使得输出电流始终跟随给定电流Ixr，Iyr和Izr的变化。

对于附图2中的四桥臂功率转换电路目前有很多的控制方法，像电压空间矢量(SVPWM)控制和最大电流误差控制等，这些控制算法要么实现起来比较复杂，要么输出电流的纹波比较大。而本发明在这种电路拓扑的新型功放中采用了一种简单易行的控制方案，就是通过控制四个节点n，x，y，z的电位Vn，Vx，Vy，Vz来得到所需的输出电压Ux，Uy，Uz，这是因为Vx-Vn＝Ux，Vy-Vn＝Uy，Vz-Vn＝Uz，整理后可得到如下的方程

$\left[\begin{array}{cccc}-1& 0& 0& 1\\ 0& -1& 0& 1\\ 0& 0& -1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Vx}\\ \mathrm{Vy}\\ \mathrm{Vz}\\ \mathrm{Vn}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Ux}\\ \mathrm{Uy}\\ \mathrm{Uz}\end{array}\right]$

式中Vi＝Udc*Di(i＝n，x，y，z)，其中Udc是直流母线电压，Di是i桥臂上管开关信号的占空比。

如果合理的选取Di则可使各节点电位Vi在区间[0，Udc]内，这样就可以控制输出电压Ux，Uy，Uz，使输出电流Ix，Iy，Iz很好地跟踪给定信号。

上面方程得解并不唯一，如果令Vn，Vx，Vy，Vz中最大电位和最小电位对称分布在Udc/2两侧，即令

$\frac{\min \left(V_i\right)+\max \left(V_i\right)}{2}=\frac{\mathrm{Udc}}{2},$

就可使各路输出电流的纹波最小，这时各节点的电位可表示为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_n=\frac{1}{2}(\mathrm{Udc}-\min \left(V_i^{*}\right)-\max \left(V_i^{*}\right))\\ V_x=\mathrm{Ux}+\frac{1}{2}(\mathrm{Udc}-\min \left(V_i^{*}\right)-\max \left(V_i^{*}\right))\\ V_y=\mathrm{Uy}+\frac{1}{2}(\mathrm{Udc}-\min \left(V_i^{*}\right)-\max \left(V_i^{*}\right))\\ V_z=\mathrm{Uz}+\frac{1}{2}(\mathrm{Udc}-\min \left(V_i^{*}\right)-\max \left(V_i^{*}\right))\end{array}\right..$

如果使最小电位等于零(或最大电位为直流母线电压)，那么在每个控制周期内总有一个桥臂的开关管是不动作的，这样可使开关损耗再次降低。这两种情形下的四个节点电位分别为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_n=-\min \left(V_i^{*}\right)\\ V_x=\mathrm{Ux}-\min \left(V_i^{*}\right)\\ V_y=\mathrm{Uy}-\min \left(V_i^{*}\right)\\ V_z=\mathrm{Uz}-\min \left(V_i^{*}\right)\end{array}\right.$ 和 $\left\{\begin{array}{c}{V}_n=\mathrm{Udc}-\max \left(V_i^{*}\right)\\ V_x=\mathrm{Ux}+(\mathrm{Udc}-\max \left(V_i^{*}\right))\\ V_y=\mathrm{Uy}+(\mathrm{Udc}-\max \left(V_i^{*}\right))\\ V_z=\mathrm{Uz}+(\mathrm{Udc}-\max \left(V_i^{*}\right))\end{array}\right..$

此四桥臂功放可有Udc，0和-Udc三种电平输出，因此同普通三态(或三电平)开关功放一样，具有输出电流纹波小的优点。这种新型的节点电位控制策略同样也能用于三桥臂开关功放的控制，而且还可以推广到更多桥臂的功率变换器的控制当中。在控制器运算速度允许的前提下，可以采用6桥臂(其中一个桥臂作为公共桥臂)的主功率电路同时驱动磁轴承5个自由度的绕组。

本发明中，由于这种新型功放有公共桥臂，因此所使用的开关管的数目将大为减少，相应地也减少了开关损耗，功放的效率大大提高。相对于三个全桥结构的磁轴承开关功放而言，总开关管的总数目减少了1/3；在开关频率相同的情况下，总的开关损耗也将减少1/3，并且体积也减小很多。

虽然这种新型的开关功放具有公共桥臂，但是由于采用了控制各个桥臂节点电压的控制方法可使功放的各路输出相互独立，互不干扰，并且能够直接生成开关信号。

Claims (1)

1、一种多路输出的磁轴承开关功率放大器的控制方法，适用于采用四桥臂功率转换电路的磁轴承开关功率放大器的控制，四桥臂功率转换电路的第一个桥臂作为公共桥臂，其两个开关管串联的节点n与三路负载的公共端相连，后面三个桥臂的节点x，y，z分别连接于三路负载的另一端，控制方法的特征在于：通过控制每个桥臂两个开关管串联节点电位V_n，V_x，V_y，V_z，来直接获得所需的三个输出电压Ux，Uy和Uz，使输出电流跟踪给定信号的变化，直接生成开关信号；

其中，当令节点电位V_n，V_x，V_y，V_z中最大电位和最小电位对称分布在Udc/2两侧即

$\frac{\min \left(V_i\right)+\max \left(V_i\right)}{2}=\frac{\mathrm{Udc}}{2},$

节点电位为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_n=\frac{1}{2}(\mathrm{Udc}-\min \left(V_i^{*}\right)-\max \left(V_i^{*}\right))\\ V_x=\mathrm{Ux}+\frac{1}{2}(\mathrm{Udc}-\min \left(V_i^{*}\right)-\max \left(V_i^{*}\right))\\ V_y=\mathrm{Uy}+\frac{1}{2}(\mathrm{Udc}-\min \left(V_i^{*}\right)-\max \left(V_i^{*}\right))\\ V_z=\mathrm{Uz}+\frac{1}{2}(\mathrm{Udc}-\min \left(V_i^{*}\right)-\max \left(V_i^{*}\right))\end{array}\right.,$ 其中Udc是直流母线电压；

当令节点电位V_n，V_x，V_y，V_z中最小电位等于零，即min(V_i)＝0，节点电位为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_n=-\min \left(V_i^{*}\right)\\ V_x=\mathrm{Ux}-\min \left(V_i^{*}\right)\\ V_y=\mathrm{Uy}-\min \left(V_i^{*}\right)\\ V_z=\mathrm{Uz}-\min \left(V_i^{*}\right)\end{array}\right.;$

当令节点电位V_n，V_x，V_y，V_z中最大电位为直流母线电压，即max(V_i)＝Udc，节点电位为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_n=\mathrm{Udc}-\max \left(V_i^{*}\right)\\ V_x=\mathrm{Ux}+\mathrm{Udc}-\max \left(V_i^{*}\right)\\ V_y=\mathrm{Uy}+\mathrm{Udc}-\max \left(V_i^{*}\right)\\ V_z=\mathrm{Uz}+\mathrm{Udc}-\max \left(V_i^{*}\right)\end{array}\right..$

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