CN102494024B - 磁轴承功率放大器用h桥驱动电路的保护系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护系统及方法，该方法实时检测H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC，并将所述工作电压UC与保证H桥驱动芯片正常工作的高端电压阈值UT进行比较。当UC＜UT时，令H桥桥路的第一功放管VT1断开，所述H桥驱动电路进入续流工作状态，所述H桥驱动芯片的高端自举电容进入充电状态；当UC＞UT时，恢复H桥驱动电路正常工作。采用本发明所述的系统和方法可以避免H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC低于H桥驱动芯片正常工作的高端电压阈值UT的极端情况，可保证磁轴承功率放大器始终都能正常工作。

Description

磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护系统及方法
技术领域
本发明涉及电器设备应用技术领域，具体涉及一种磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护系统及方法。
背景技术
磁悬浮分子泵是一种采用磁轴承作为分子泵转子支承的分子泵，它利用磁轴承将转子稳定地悬浮在空中，使转子在高速工作过程中与定子之间没有机械接触，具有无机械磨损、能耗低、允许转速高、噪声低、寿命长、无需润滑等优点，目前磁悬浮分子泵广泛地应用于高真空度、高洁净度真空环境的获得等领域中。
磁悬浮分子泵的一般内部结构如图1所示，所述磁悬浮分子泵的转子包括转子轴7和与所述转子轴7固定连接的叶轮1。所述叶轮1固定安装在所述转子轴7的上部；所述转子轴7的中部依次间隔地套设有第一径向保护轴承4、第一径向位移传感器5、第一径向磁轴承6、电机8、第二径向磁轴承9、第二径向位移传感器10和第二径向保护轴承11等。在所述转子轴7的底端依次设置有轴向保护轴承12、第一轴向磁轴承13、推力盘14和第二轴向磁轴承15、轴向位移传感器16。所述磁悬浮分子泵配置有磁轴承功率放大器，每一所述功率放大器分别与磁轴承(所述第一径向磁轴承6、所述第二径向磁轴承9、所述第一轴向磁轴承13和所述第二轴向磁轴承15)的磁轴承线圈20连接，驱动相应磁轴承线圈20产生所需要的电磁力，以保证转子稳定运行。
所述磁悬浮分子泵还配置有控制其运转的控制器2，所述控制器2根据位移传感器(所述第一径向位移传感器5、所述第二径向位移传感器10和所述轴向位移传感器16)的输出信号运算分析得出所述转子的相应方向位移，进而控制对应的功率放大器驱动相应磁轴承产生合适的电磁力对转子的运动状态进行有效的控制。
现有技术中通常采用图2a与图2b所示的H桥驱动电路构成的磁轴承功率放大器，其中图2a所示为H桥驱动芯片，图2b所示为H桥桥路。H桥驱动电路的工作原理和工作过程在很多公开文献中均有记载，如张亮，房建成在2007年3月第22卷第3期电工技术学报发表的文章《电磁轴承脉宽调制型开关功放的实现及电流波纹分析》介绍了电磁轴承用功率放大器的工作原理及工作过程。
其简单工作过程如下：
①当所述磁轴承产生的电磁力需要减小时，所述控制器2控制H桥桥路的第一功放管VT1和第二功放管VT2均处于关断状态，相应的所述磁轴承线圈处于放电状态，H桥驱动芯片的高端自举电容C1处于充电状态；
②当所述磁轴承产生的电磁力需要增大时，所述控制器2控制所述H桥桥路的第一功放管VT1和第二功放管VT2全部处于开通状态，H桥驱动电路为所述磁轴承线圈20充电，所述H桥驱动芯片的高端自举电容C1放电，所述磁轴承线圈20的电流增大，其产生的电磁力增大；
③当所述磁轴承产生的电磁力需要维持不变时，不需要再为所述磁轴承线圈20充电，所述控制器2控制所述H桥桥路的第一功放管VT1关断，并保持所述H桥桥路的第二功放管VT2开通，所述H桥驱动电路停止为磁轴承线圈20充电，所述H桥驱动电路进入续流状态，所述H桥驱动芯片的高端自举电容C1进入充电状态。
对于磁悬浮分子泵来说，为了保证系统窄带宽特性，所述磁轴承线圈20的电感值一般都比较大，而且为了保证磁悬浮分子泵在高真空下运行安全，所述H桥桥路电压一般比较低，因此所述H桥桥路为所述磁轴承线圈20充电时，需要较长时间才能完成所述磁轴承线圈20的充电，这就要求所述H桥驱动芯片的高端自举电容C1有较长放电时间，以保证所述H桥桥路的第一功放管VT1和第二功放管VT2全部处于开通状态。
而所述H桥驱动芯片本身的桥路电压较低，限制了所述H桥驱动芯片高端自举电容C1的充电速度和充电量。当所述磁轴承线圈20需要过长充电时间，则所述H桥驱动芯片高端自举电容C1的放电时间过长，其两端电压迅速下降。如果H桥驱动芯片高端自举电容C1的放电量大于充电量，导致其两端的电压下降至低于所述H桥驱动芯片正常工作时高端电压阈值时，所述H桥驱动芯片停止工作且不可恢复，此即磁轴承H桥驱动芯片的高端电源自举电路故障。当出现高端电源自举电路故障时，H桥驱动芯片无法正常工作，影响磁悬浮分子泵正常运行。
发明内容
本发明所要解决的是现有技术中由于H桥驱动芯片高端自举电容C1放电时间过长，引起放电量大于充电量，其两端电压下降至低于所述H桥驱动芯片正常工作要求的电压阈值时引起H桥驱动芯片高端电源自举电路故障的技术问题，进而提供一种能够避免H桥驱动芯片高端电源自举电路故障出现的磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护系统及保护方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护系统，包括
高端电压检测单元，用于实时检测H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC，并将所述工作电压UC与保证H桥驱动芯片正常工作的高端电压阈值UT进行比较：当UC＞UT时，所述高端电压检测单元输出高电平；当UC＜UT时，所述高端电压检测单元输出低电平；
桥路控制单元，其信号输入端与所述高端电压检测单元的信号输出端相连，当所述高端电压检测单元输出低电平时，控制H桥驱动芯片令H桥桥路的第一功放管VT1断开，所述H桥驱动电路进入续流工作状态，所述H桥驱动芯片的高端自举电容进入充电状态；当所述高端电压检测单元输出高电平时，恢复H桥驱动电路正常工作。
上述的磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护系统，所述高端电压检测单元采用光电耦合器，用于防止高端电压检测单元与H桥驱动电路之间的电信号出现相互干扰。
上述的磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护系统，所述桥路控制单元设置于磁悬浮分子泵控制器2内部。
本发明还提供一种磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护方法，包括如下步骤：
①控制器2控制H桥驱动电路驱动磁轴承线圈20工作；
②实时检测H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC，并比较所述工作电压UC与保证H桥驱动芯片正常工作的高端电压阈值UT的关系；
③当所述工作电压UC低于所述高端电压阈值UT时，控制所述H桥驱动芯片令H桥桥路的第一功放管VT1断开，所述H桥驱动电路停止为磁轴承线圈20充电，所述H桥驱动电路进入续流工作状态，同时所述H桥驱动芯片的高端自举电容进入充电状态；
当检测到H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC高于所述高端电压阈值UT时，恢复H桥驱动电路正常工作。
上述的磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护方法，所述步骤②中，采用高端电压检测单元实时检测H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC。
上述的磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护方法，所述步骤②中，所述高端电压检测单元采用光电耦合器防止高端电压检测单元与所述H桥驱动电路之间的电信号出现相互干扰。
上述的磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护方法，所述步骤③中，利用桥路控制单元控制所述H桥驱动芯片令所述H桥桥路的第一功放管VT1断开。
本发明的上述技术方案与现有技术相比存在如下优点：
①本发明中的H桥驱动电路的保护系统，在H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压低于H桥驱动芯片正常工作的高端电压阈值的极端情况下H桥驱动电路进入续流状态不会发生自举电路故障，保证其正常工作。
②由于H桥驱动电路高端电源处于浮地状态，因此本发明中高端电压检测单元采用光电耦合器隔离，可以保护磁悬浮分子泵控制器其他部分电路及H桥驱动电路。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为现有技术磁悬浮分子泵结构示意图；
图2a为现有技术H桥驱动芯片电路原理图；
图2b为现有技术H桥桥路电路原理图；
图3为本发明一个实施例的高端电压检测单元的电路原理图；
图4为本发明一个实施例的H桥驱动电路保护系统原理框图；
图中附图标记表示为：1-叶轮，2-控制器，3-泵体，4-第一径向保护轴承，5-第一径向位移传感器，6-第一径向磁轴承，7-转子轴，8-电机，9-第二径向磁轴承，10-第二径向位移传感器，11-第二径向保护轴承，12-轴向保护轴承，13-第一轴向磁轴承，14-推力盘，15-第二轴向磁轴承，16-轴向传感器，17-接线端子，18-位移检测装置，19-转速检测装置，20-磁轴承线圈。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护系统，如图4所示，包括
高端电压检测单元，用于实时检测H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC，并将所述工作电压UC与保证H桥驱动芯片正常工作的高端电压阈值UT进行比较：当UC＞UT时，所述高端电压检测单元输出高电平；当UC＜UT时，所述高端电压检测单元输出低电平；
桥路控制单元，其信号输入端与所述高端电压检测单元的信号输出端相连，当所述高端电压检测单元输出低电平时，控制H桥驱动芯片令H桥桥路的第一功放管VT1断开，所述H桥驱动电路进入续流工作状态，所述H桥驱动芯片的高端自举电容进入充电状态；当所述高端电压检测单元输出高电平时，H桥驱动电路恢复正常工作。
本实施例还提供一种磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护方法，包括如下步骤：
①控制器2控制H桥驱动电路驱动磁轴承线圈20工作；
②实时检测H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC，并比较所述工作电压UC与保证H桥驱动芯片正常工作的高端电压阈值UT的关系；
③当所述工作电压UC低于所述高端电压阈值UT时，控制所述H桥驱动芯片令H桥桥路的第一功放管VT1断开，所述H桥驱动电路停止为磁轴承线圈20充电，所述H桥驱动电路进入续流工作状态，同时所述H桥驱动芯片的高端自举电容进入充电状态；
当检测到H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC高于所述高端电压阈值UT时，恢复H桥驱动电路正常工作。
作为优选的实施方式，本实施例中，所述步骤②中，采用高端电压检测单元实时检测H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC。
本实施例中，所述步骤③中，利用桥路控制单元控制所述H桥驱动芯片令所述H桥桥路的第一功放管VT1断开。
保证第一功放管VT1和第二功放管VT2导通的阈值电压Uth一般为6V～8V。本实施例中，以Uth＝8V为例，如果第一功放管VT1两端电压低于8V，则H桥驱动电路无法正常工作。因此，本实施例中当H桥驱动芯片自举电容两端工作电压小于8V时，说明H桥驱动电路工作不正常，需要启动H桥驱动电路的保护系统，控制H桥桥路中的VT1管关断。
采用本实施例中提供的系统和方法，在H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压低于H桥驱动芯片正常工作的高端电压阈值UT的极端情况下，H桥驱动电路进入续流工作状态不会发生自举电路故障，依然能够正常工作。
实施例2
本实施例在是实施例1的基础上，由于H桥驱动电路高端电源处于浮地状态，为了保护磁悬浮分子泵控制器其他部分电路，本实施例中高端电压检测单元采用光电耦合器，以防止高端电压检测单元与H桥驱动电路之间的电信号出现相互干扰。
如图3所示，通过光电耦合器实时检测H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC，并将所述工作电压UC与保证H桥驱动芯片正常工作的高端电压阈值UT进行比较：当UC＞UT时，所述高端电压检测单元输出高电平，即Uk为高电平；当UC＜UT时，所述高端电压检测单元输出低电平，即Uk为低电平；
根据实施例1所述，以Uth＝8V为例，要保证H桥驱动芯片高端自举电容两端的电压UC高于8V。由于光电耦合器正常工作需要保证光电耦合器内发光二极管的电流i≥imin，其中imin为光电耦合器内发光二极管正常工作的最低阈值电流。本实施例中设光电耦合器内发光二极管的阈值电流为imin＝5mA，限流电阻为R1，光电耦合器内阻为r，则根据上述要求限流电阻为R1的大小应保证UC＝imin×(R1+r)＝8V。
当H桥驱动芯片高端自举电容两端电压UC≥8V时，光电耦合器输出电压Uk＝5V，即Uk为高电平，此时说明H桥驱动电路工作正常。
当UC小于8V时，光电耦合器电路中电流小于5mA，光电耦合器无法工作，其输出电压Uk＝0V，即Uk为低电平；此时说明H桥驱动电路工作不正常，需要启动H桥驱动电路保护系统的保护功能，控制H桥桥路中的第一功放管VT1关断。
所述桥路控制单元，其信号输入端与所述光电耦合器的信号输出端相连，当Uk为低电平时控制H桥驱动芯片令H桥桥路的第一功放管VT1断开，所述H桥驱动电路进入续流工作状态，所述H桥驱动芯片的高端自举电容进入充电状态；当Uk为高电平时，H桥驱动电路恢复正常工作。
作为优选的实施方式，上述技术方案中，所述桥路控制单元设置于磁悬浮分子泵控制器2内部。
作为可以实施的方式，还可以选取由比较器或单片机及外围电路搭建而成的具有电压比较功能的比较电路，从而实现H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC与所述高端电压阈值UT之间的比较。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护系统，其特征在于：包括
高端电压检测单元，用于实时检测H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC，并将所述工作电压UC与保证H桥驱动芯片正常工作的高端电压阈值UT进行比较：当UC＞UT时，所述高端电压检测单元输出高电平；当UC＜UT时，所述高端电压检测单元输出低电平；
桥路控制单元，其信号输入端与所述高端电压检测单元的信号输出端相连，当所述高端电压检测单元输出低电平时，控制H桥驱动芯片令H桥桥路的第一功放管VT1断开，所述H桥驱动电路进入续流工作状态，所述H桥驱动芯片的高端自举电容进入充电状态；当所述高端电压检测单元输出高电平时，恢复H桥驱动电路正常工作。
2.根据权利要求1所述的磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护系统，其特征在于：
所述高端电压检测单元采用光电耦合器，用于防止高端电压检测单元与H桥驱动电路之间的电信号出现相互干扰。
3.根据权利要求1或2所述的磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护系统，其特征在于：
所述桥路控制单元设置于磁悬浮分子泵控制器(2)内部。
4.一种磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
①控制器(2)控制H桥驱动电路驱动磁轴承线圈(20)工作；
②实时检测H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC，并比较所述工作电压UC与保证H桥驱动芯片正常工作的高端电压阈值UT的关系；
③当所述工作电压UC低于所述高端电压阈值UT时，控制所述H桥驱动芯片令H桥桥路的第一功放管VT1断开，所述H桥驱动电路停止为磁轴承线圈(20)充电，所述H桥驱动电路进入续流工作状态，同时所述H桥驱动芯片的高端自举电容进入充电状态；
当检测到H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC高于所述高端电压阈值UT时，恢复H桥驱动电路正常工作。
5.根据权利要求4所述的磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护方法，其特征在于：
所述步骤②中，采用高端电压检测单元实时检测H桥驱动芯片高端自举电容两端工作电压UC。
6.根据权利要求5所述的磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护方法，其特征在于：
所述步骤②中，所述高端电压检测单元采用光电耦合器防止高端电压检测单元与所述H桥驱动电路之间的电信号出现相互干扰。
7.根据权利要求5或6所述的磁轴承功率放大器用H桥驱动电路的保护方法，其特征在于：
所述步骤③中，利用桥路控制单元控制所述H桥驱动芯片令所述H桥桥路的第一功放管VT1断开。
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