CN101144503A - 一种用于磁轴承系统基于空间矢量技术的开关功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种用于磁轴承系统基于空间矢量技术的开关功率放大器，是一种用来对磁轴承线圈中的电流进行主动控制的装置，其主要包括控制器、隔离驱动电路、三桥臂功率主电路、电流检测电路、调理电路和A/D芯片。该数字开关功率放大器由控制器根据电流采样值与设定电流值的误差进行基于空间矢量技术的PWM调制，再将调制完成的PWM信号经隔离驱动电路控制三桥臂功率主电路中功率开关管的导通与关断，从而达到控制磁轴承线圈电流的目的。本发明实现了一种适用于磁悬浮飞轮磁轴承系统的数字开关功率放大器，具有功率管少，功耗低、电流纹波小的优点。

Description

一种用于磁轴承系统基于空间矢量技术的开关功率放大器

技术领域

本发明涉及一种开关功率放大器，是一种用于磁轴承系统的基于空间矢量技术的开关功率放大器，用于对磁轴承线圈的输出电流进行控制。

背景技术

磁悬浮飞轮相对于传统的机械轴承飞轮具有无转速过零摩擦且可以进行振动主动控制的优点，所以在高精度卫星上具有广阔的应用前景。功率放大器作为磁悬浮飞轮磁轴承控制系统的执行器，其能量消耗最大，提高集成度、增加可靠性是功率放大器设计的最主要目的之一。为了提高功率放大器的效率，磁悬浮飞轮磁轴承控制系统普遍采用开关功率放大器。根据脉冲宽度调制信号产生电路的实现方式不同，磁轴承用开关功率放大器分为模拟器件实现和数字实现两种。

在中国专利“ZL200510012131.2”公开的“一种用于永磁偏置电磁轴承的低纹波开关功率放大器”中，采用模拟器件实现了三电平脉冲宽度调制的功能，降低了纹波损耗。但采用模拟器件实现的功率放大器存在功耗大、集成度低、调制方式不灵活等缺点。

现有基于数字实现的磁轴承用开关功率放大器中：在中国专利“ZL200510011972.1”公开的“一种集成化、低功耗磁轴承数字控制装置”中，采用单片DSP2812为控制器，通过内部PWM模块实现两电平脉冲宽度调制的功能，其结构简单，方法易于实现；但其基于单片DSP实现的开关功率放大器的PWM信号输出个数有限，PWM调制方式固定，难以满足需要多路PWM信号、独立驱动的场合。

在中国专利申请号“200610114390.0”公开的“一种用于磁悬浮飞轮磁轴承系统的开关功率放大器”中，采用FPGA+DSP为控制器，采用三态PWM调制方式，数据处理能力强，电流纹波小；但其采用在下桥两个功率开关管源极和参考地之间分别串接无感功率电阻，通过FPGA控制在回路续流时对电流信号进行采样，控制方式复杂，编程实现困难。

同时以上提到的开关功率放大器采用的均为全桥结构，如图1所示。这种方式下控制一个线圈均需要4个功率管，对5通道的磁轴承系统需要控制5个线圈，即需要20个功放管，造成体积和功耗均有所增加。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术存在的不足，提供一种用于磁轴承系统基于空间矢量技术的开关功率放大器，采用基于空间矢量技术的调试方式，减少了功率管的数量，提高了集成度，减少了体积和功耗，同时具有响应速度快，编程灵活的特点；采用替代电流互感器的电流检测电路，检测精度高，检测倍数可调，检测方式简单，易于实现。

本发明的技术解决方案：一种磁悬浮飞轮磁轴承系统的基于空间矢量技术的开关功率放大器，主要包括控制器、AD芯片、隔离驱动电路、三桥臂功率主电路、电流检测电路和调理电路，其中：

控制器：将AD芯片送来的两路电流反馈信号和相应的电流给定信号作差，根据两个差值的方向和大小，决定需要输出的电流调节矢量所处的区间和相应上桥臂三个管的导通时间，将得到的导通时间对应的数值与三角载波进行比较，得到上桥臂三个管的PWM波形，下桥臂三个管的PWM波形由上桥臂三个管的PWM波形经反相和死区逻辑后得到；

隔离驱动电路：输出与三桥臂功率主电路相接，用于生成三桥臂功率主电路中功率开关管的栅极驱动信号；

三桥臂功率主电路：由隔离驱动电路输出的栅极驱动信号控制上桥臂和下桥臂六个功率开关管的导通与关断，从而在两个磁轴承线圈中生成与电流控制量成比例的电流输出；

两个电流检测电路：输出与调理电路相接，输入与三桥臂功率主电路相接，分别用于检测三桥臂功率主电路的两个磁轴承线圈电流反馈信号；

调理电路：输出与A/D芯片相接，用于对两个电流检测电路输出的电流反馈信号进行电平偏移和低通滤波；

A/D芯片：输出与控制器相接，在控制器中FPGA的控制下，对调理电路输出的两路电流反馈信号进行采样。

本发明的控制原理：对磁悬浮飞轮磁轴承开关功率放大器而言，通过对新型拓扑结构全桥主电路的三个桥臂上的六个功率开关管(VT1～VT6)的导通和关断进行控制，可以同时控制两个磁轴承线圈L1和L2的导通与关断，其中要求VT1～VT6对应的信号：S1与S4、S2与S5、S3与S6反相。通过S1、S2和S3取不同的值(0或1)，可以组合成8种状态，其中包括六个非零矢量和两个零矢量，每个开关状态对应的空间电压矢量由两个相邻的线圈电压矢量合成。其空间分布如图4所示。例如：在图4中，若期望的参考电压调节量u_x>0，并且u_y>0(即希望x方向正向调节，y方向正向调节)，则参考电压矢量V_ref落在第Ⅲ区域，则V_ref的作用效果可以通过相邻的基本矢量V₄和V₆的作用合成，即：V_ref＝T₄*V₄+T₆*V₆。其中V₄的持续时间为T₄，V₆的持续时间为T₆。各基本电压矢量的作用顺序如图5所示，由于本发明实施例采用对称空间矢量脉宽调制方式，在每个开关周期的开始和结束阶段，是零矢量V₀作用时间：t₀/4，而开关周期的中间时间段是零矢量V₇作用时间：t₀/2，另外两个非零基本电压矢量要平均分成两部分对称地分布在零矢量V₇的左右两侧。对于图4中的V_ref＝T₄*V₄+T₆*V₆，由图5可知，(S1S2S3)取(100)的时间为T₄和取(110)的时间为T₆即可，也即：S1脉冲的宽度为：T₄+T₆+t₀/2＝t₁+t₂+t₀/2；S2脉冲的宽度为：T₆+t₀/2＝t₂+t₀/2；S3脉冲的宽度为：t₀/2。其中t₀是零矢量的作用时间，t₁和t₂为V_ref对应的两个非零矢量(100)和(110)的作用时间，t₁和t₂的大小由V_ref的大小和方向决定。同理可以得到其他状态下的空间矢量的实现。通过对各种状态和其状态持续时间(导通时间)的控制，可以实现对磁轴承线圈电流的控制。

本发明与现有的模拟器件实现或数字实现的磁轴承用开关功率放大器相比，优点在于：

(1)本发明通过采用矢量控制技术和新型的三桥臂功率主电路的拓扑结构，利用六个功率管独立控制两个线圈电流，使控制5个线圈的磁轴承系统需要的功率管由20个减少为16个(两个三桥臂全桥主电路分别控制上下端的x、y方向，需要12个功率管；一个全桥结构主电路控制轴向，需要4个功率管，共16个功率管)，减少了功率管的数量，提高了集成度，降低了纹波，减少了体积和功耗。

(2)本发明采用高速数字控制器进行空间矢量调制，具有系统响应速度快，编程灵活的特点。

(3)设计的替代电流互感器的电流检测电路检测精度高，检测倍数可调，检测方式简单，易于实现。

附图说明

图1为现有的单个线圈的全桥结构图；

图2为本发明的硬件组成框图；

图3为本发明的控制器组成及流程图；

图4为本发明的开关功率放大器的输出基本矢量图；

图5为本发明的各区域基本电压矢量的作用顺序和对应的开关信号图；

图6为本发明的空间矢量法流程图；

图7为本发明一个通道的电流检测电路。

具体实施方式

如图2所示，本发明主要包括控制器1、隔离驱动电路2、三桥臂功放主电路3、电流检测电路4、调理电路5和A/D芯片6。AD芯片6实现对电流反馈信号的采样，采样结果传输给控制器1；控制器1将电流给定值和电流反馈值作差得到电流调节的误差信号，根据两线圈对应的两个误差信号，按空间矢量法生成三路比较值，将三路比较值与三角载波的计数值进行比较，得到上桥臂三个管的PWM1～PWM3信号，同时对三路PWM信号加反相和死区逻辑，得到下桥臂三个管的PWM4～PWM6信号；经隔离驱动电路2生成三桥臂功放主电路3的功率开关管的栅极驱动信号：S1～S6，其中S1与S4，S2与S5，S3与S6分别反相，由S1～S6控制六个功率开关管的导通与关断，电流检测电路4通过检测三桥臂功放主电路3中功率电阻Rf上的压降值，来得到线圈的电流反馈信号。

其中VT1与VT4构成桥臂A；VT2与VT5构成桥臂B；VT3与VT6构成桥臂C，磁轴承线圈L1和磁轴承线圈L2分别接在A桥臂与B桥臂间和B桥臂与C桥臂间，即桥臂B为两个磁轴承线圈的公用桥臂，上端功率管的驱动信号S1、S2、S3分别与下端功率管的驱动信号S4、S5、S6反相以防止直通。磁轴承线圈L1和磁轴承线圈L2中串连一个小阻值的功率电阻Rf，Rf<0.1R1或Rf<0.1R2，使电流检测电路4采用通过检测功率电阻压降的办法检测线圈的电流，取代传统的使用电流互感器的电流检测方法。

如图3所示，本发明的控制器1由FPGA和DPS组成。FPGA由AD采样控制模块和PWM生成模块构成，电流反馈信号接至FPGA的AD采样控制模块，FPGA根据AD采样控制模块的时序要求设置相应的时序逻辑，进而控制AD采样控制模块的采样；采样结束后，采样结果暂存在FPGA的寄存器中，同时生成采样结束中断，通知DSP取走采样结果；DSP由位置信号控制算法和空间矢量算法组成，DSP对磁轴承位置误差信号进行控制算法后，生成电流给定值，电流给定值与电流反馈信号的采样值作差后得到误差值，该误差值即代表期望的电压调节矢量的大小；DSP根据两通道误差值的大小和方向，应用空间矢量法计算出上桥臂三管的导通时间，并将导通时间转化成相应的比较值送至FPGA的PWM生成模块；FPGA的PWM生成模块产生周期为T的三角载波计数，DSP送来的三个比较值分别与三角载波计数值进行比较，若比较值大于三角载计数值，则输出高电平，反之则输出低电平，由此得到上桥臂三管的PWM信号PWM1～PWM3，下桥臂三管的信号PWM4～PWM6由PWM1～PWM3经FPGA产生的死区延时和反相逻辑后得到。

如图4所示，根据S1、S2和S3的状态(S1与S4、  S2与S5、S3与S6分别反相，分析时便于简化只考虑S1、S2和S3的状态)，三个桥臂可以组合出八种开关状态，其中包括六个非零矢量和两个零矢量。把连接在桥臂中点A、B间的磁轴承线圈上的电压u_AB当作xy平面的x轴，把连接在桥臂中点B、C之间的磁轴承线圈上的电压u_Bc当作×y平面的y轴，八种开关状态(000)，(001)，...，(111)分别对应着输出八个基本电压矢量V₀，V₁，...，V₇。中V₀和V₇是两个零电压矢量，V₁～V₆共六个基本电压矢量是非零矢量，这六个基本电压矢量把xy平面分为六个区域(区域I～区域VI)，八种基本空间矢量对应两个磁轴承线圈的八种导通状态。每个开关状态对应的空间电压矢量由两个相邻的基本电压矢量合成。

由于采用三桥臂功放主电路的两个磁轴承线圈上会出现三种状态：充电状态、放电状态和自由续流状态，因此功率放大器可以实现低纹波电流输出；并且由于功率管VT2和VT5为两磁轴承线圈的公用管，故减少了功率开关管的数目，可以减少开关损耗。

如图5所示，本发明的各区域基本电压矢量的作用顺序和对应的开关信号关系。根据零矢量不通的选择和各基本电压矢量的作用顺序不同，空间矢量法可以分为对称空间矢量脉宽调制方式和非对称空间矢量脉宽调制方式。本实施中采用对称空间矢量脉宽调制方式，即各个基本矢量在每个开关周期内的作用顺序和时间是对称分布的，所产生的各路脉宽调制信号也是对称的。在图5中：t₀为零矢量作用的时间；t₁和t₂分别为所处区域的两个基本矢量作用时间。在每个开关周期的开始和结束阶段，是零矢量V₀作用时间：t₀/4，而开关周期的中间时间段是零矢量V₇作用时间：t₀/2，另外两个非零基本电压矢量要平均分成两部分对称地分布在零矢量V₇的左右两侧，并且保证每次开关状态的转换都只有一位发生改变，即当从一种开关状态转化到另一种开关状态时，只有一个桥臂的开关管发生动作，这样可以减少开关次数，达到降低开关损耗的目的。

如图6所示，空间矢量法为适应磁轴承三桥臂功率主电路结构特点的空间矢量法。由于开关功放所输出电压矢量不像在调速系统中那样一直顺时针或逆时针有规律地旋转，而是作随机性的跳转，可能从一个区域跳到非相邻区域的其它的区域里，而在每个区域里基本电压矢量的作用顺序和开关信号成相应的对应关系。因此，需要实时得到两个线圈期望的电压调节矢量(此处即两通道的误差值)；进而根据两通道的误差值确定输出电压矢量所处的区间；根据所处相应的区间得到上端三个功率管的导通时间；将得到的导通时间转换成三个比较值送入FPGA，与FPGA的三角载波计数值进行比较，进而得到PWM信号。

图6中的T为FPGA的三角载波计数周期计数值，本实施例中T取1000，即由于本实施例中FPGA的主频是40MHz，故载波周期为40M/(1000+1000)＝20KHz。DSP根据对两通道的误差值判断所处区域(区域I～区域VI)，并计算t₁，t₂和t₀。若t₁+t₂>n*T，t₁＝n*T*t₁/(t₁+t₂)，t₂＝n*T*t₂/(t₁+t₂)，t₀＝T-t₁-t₂；若t₁+t₂<n*T，t₁，t₂不变。其中选取的系数n是为了设置占空比最大不超过n，  n的取值一般为0.8～0.95，在本实施例中n取0.95，即最大占空比设为95％。然后，根据图4所示的各区域基本电压矢量的作用顺序和对应的开关信号关系，得到三个比较值CM P1、CMP2和CMP3送入FPGA用于产生PWM信号。以下以实际数值为例说明空间矢量法工作过程：

假设经DPS计算后的两通道误差值分别为：x＝-300，y＝400，即期望x方向线圈负向导通的时间是300/T，y方向线圈正向导通的时间是400/T，从三桥臂主电路可以看出：(S1S2S3)取(010)的时间为：300/T和取(110)的时间为：100/T即可达到期望的要求。从图5可以得知期望的空间矢量位于第‖区域。由于两个误差值对应导通时间的和小于n*T，故得到t₁＝300，t₂＝100，t₀＝1000-100-300＝600。根据图5可以得到比较值：

CMP1＝t₂+0.5*t₀＝400；

CMP2＝t₁+t₂+0.5*t₀＝700；

CMP3＝0.5t₀＝300：

将以上得到的比较值送入FPGA中与三角载波比较即可得到上桥臂三管的PWM信号。

如图7所示，给出了本发明的电流检测电路4。其中：采用仪表放大芯片AD620将功率电阻两端的电压差放大，放大倍数由可调电位器W2决定。由于AD620输入端接在全桥主电路的两桥臂间，其检测电压差为功率电阻上的压降。在本实施例中，线圈电阻约为3Ω，取功率电阻Rf的阻值为0.1Ω，功率电阻上的压降值比较小，但功率电阻两端(接AD620芯片的-IN和+IN管脚)电压的绝对值比较大，故在本实施例中采用隔离芯片ISO122进行电压隔离，隔离后的输出值为相对于地的功率电阻上的压降值，该输出值通过信号调理电路反馈至AD芯片，等待采样。

本发明为一种磁轴承系统的基于空间矢量技术的开关功率放大器，可以应用于磁悬浮飞轮系统，也可以作为一种通用的磁轴承系统的开关功率放大器应用于其他类型的磁轴承控制系统中。

Claims (5)

1.一种用于磁轴承系统基于空间矢量技术的开关功率放大器，其特征在于包括：控制器(1)、隔离驱动电路(2)、三桥臂功率主电路(3)、电流检测电路(4)、调理电路(5)、AD芯片(6)，其中：

控制器(1)：完成AD芯片(6)对两磁轴承通道电流反馈信号的采样控制，由电流给定信号和电流反馈信号的误差按空间矢量法进行PWM调制，输出的PWM信号：PWM1～PWM6，送至隔离驱动电路(2)；

隔离驱动电路(2)：输出与三桥臂功率主电路(3)相接，用于生成三桥臂功率主电路(3)中功率开关管(VT1～VT6)的栅极驱动信号(S1～S6)；

三桥臂功率主电路(3)：由隔离驱动电路(2)输出的栅极驱动信号(S1～S6)控制上桥臂和下桥臂六个功率开关管(VT1～VT6)的导通与关断，从而在两个磁轴承线圈中生成与电流控制量成比例的电流输出；

两个电流检测电路(4)：输出与调理电路(5)相接，输入与三桥臂功率主电路(3)相接，分别用于检测三桥臂功率主电路(3)的两个磁轴承线圈电流反馈信号；

调理电路(5)：输出与A/D芯片(6)相接，用于对两个电流检测电路(4)输出的电流反馈信号进行电平偏移和低通滤波；

A/D芯片(6)：输出与控制器(1)相接，在控制器(1)中FPGA的控制下，对调理电路(5)输出的两路电流反馈信号进行采样。

2.根据权利要求1所述的一种用于磁轴承系统基于空间矢量技术的开关功率放大器，其特征在于：所述的控制器(1)由FPGA和DPS组成，FPGA由AD采样控制模块和PWM生成模块构成，电流反馈信号接至FPGA的AD采样控制模块，FPGA根据AD采样控制模块的时序要求设置相应的时序逻辑，进而控制AD采样控制模块的采样；采样结束后，采样结果暂存在FPGA的寄存器中，同时生成采样结束中断，通知DSP取走采样结果；DSP由位置信号控制算法和空间矢量算法组成，DSP对磁轴承位置误差信号进行控制算法后，生成电流给定值，电流给定值与电流反馈信号的采样值作差后得到误差值，该误差值即代表期望的电压调节矢量的大小；DSP根据两通道误差值的大小和方向，应用空间矢量法计算出上桥臂三管的导通时间，并将导通时间转化成相应的比较值送至FPGA的PWM生成模块；FPGA的PWM生成模块产生周期为T的三角载波计数，DSP送来的三个比较值分别与三角载波计数值进行比较，若比较值大于三角载计数值，则输出高电平，反之则输出低电平，由此得到上桥臂三管的PWM信号PWM1～PWM3，下桥臂三管的信号PWM4～PWM6由PWM1～PWM3经FPGA产生的死区延时和反相逻辑后得到。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于磁轴承系统基于空间矢量技术的开关功率放大器，其特征在于：所述的空间矢量法为：实时得到两个线圈期望的电压调节矢量，即两通道的误差值；进而根据两通道的误差值确定输出电压矢量所处的区间；根据所处相应的区间得到上端三个功率管的导通时间；将得到的导通时间转换成三个比较值送入FPGA，与FPGA的三角载波计数值进行比较，进而得到PWM信号。

4.根据权利要求1所述的一种用于磁轴承系统基于空间矢量技术的开关功率放大器，其特征在于：所述的三桥臂功率主电路(3)采用六个功率管独立控制两个线圈的拓扑结构，其中VT1与VT4构成桥臂A；VT2与VT5构成桥臂B；VT3与VT6构成桥臂C，磁轴承线圈L1和磁轴承线圈L2分别接在A桥臂与B桥臂间和B桥臂与C桥臂间，即桥臂B为两个磁轴承线圈的公用桥臂，上端功率管的驱动信号S1、S2、S3分别与下端功率管的驱动信号S4、S5、S6反相以防止直通。

5.根据权利要求1或4所述的一种用于磁轴承系统基于空间矢量技术的开关功率放大器，其特征在于：在所述的磁轴承线圈L1和磁轴承线圈L2中串连一个小阻值的功率电阻Rf，Rf＜0.1R1或Rf＜0.1R2。

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