CN103066928A - 一种非线性功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化非线性功率放大器，为智能型闭环控制，控制信号通过数字化模块等最后由输出电路输出，并对差动电磁铁中上下两个线圈产生的电流值进行调控，电流反馈值分两路，其中一路将被实时地检测后反馈到输出信号转换器，用于输出驱动的快速保护；另一路以及材料参数将一同输入到补偿参数确定模块；位置传感器将采集到的信号反馈到补偿参数确定模块进行集中处理，然后由系统中的微处理器在非线性补偿数据库中快速找出补偿参数并叠加到放大信号中实现非线性补偿放大。本发明为主动磁悬浮的实际应用提供技术依据，可将系统控制器成为一个标准化的部件，为实现主动磁悬浮系统的免调试、大批量在工业中推广应用起到关键作用。

Description

一种非线性功率放大器

技术领域

本发明属于功率放大器技术领域，尤其涉及一种非线性功率放大器。 

背景技术

磁悬浮技术在今天受到了科技界与工业界越来越多的关注。由于磁悬浮能够使转轴不接触任何外界的元件旋转，因此具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用高速、真空、超净等特殊环境.可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域，被公认为极有前途的新型轴承。 

磁悬浮轴承按悬浮方式可分为主动式和被动式。在磁悬浮领域中，应用最广泛的就是主动式磁悬浮。与主动磁悬浮轴承相比，被动磁悬浮系统虽具有系统设计简单，并在无控制环节的情况下即可稳定的优点，但是它不能产生阻尼，亦即缺少像机械阻尼或像主动轴承那样的附加手段，因此这个系统的稳定域是很小的，外界干扰的小变化也会使它趋于不稳定。 

所谓主动式磁悬浮系统就是通过不断的调节定子电磁铁对转子的电磁吸力使转子维持一个动态的平衡。一个简单的主动型磁悬浮轴承的组成部分及其功能如图1所示。其中包含涡流传感器，用于测出转子偏离参考点的位置；控制器，通过微处理器将涡流传感器检测的位移变换成控制信号；数字化非线性功率放大器，通过功率放大器将控制信号转换成控制电流，控制电流使执行磁铁产生磁力从而使转子维持其悬浮位置不变。一个实际的转子需要多个磁铁组成，检测传感器也应该是多个。 

以磁悬浮电主轴为例，系统有4个径向自由度及1个轴向自由度。由控制器 通过功率放大器去驱动差动电磁铁线圈(图1中电磁线圈)的电流，来调整转子轴的平衡位置。高速运转时一旦转子位置改变，控制器就会通过调整相应电磁铁中的电流使转子轴保持在中间位置(如图1)。主动磁悬浮轴承是一个典型的机电一体化控制系统，其本质是强烈非线性(磁浮力正比于电流的平方、反比于偏移量的平方，电感、磁滞因素等)的，因此其控制问题变得复杂而又富有代表性。磁悬浮轴承正成为非线性控制领域中一个非常典型的对象。控制方式对磁悬浮轴承来说，如同软件技术在计算机中的地位一样，吸引了大量的注意力和耗费大部分研究工作量。 

由于磁悬浮控制系统是典型的非线性本质不稳定和参数不确定系统，这些对于提高系统的稳定性和刚度都是不利的。由图1所示，以磁悬浮电主轴为例，系统有4个径向自由度及1个轴向自由度。由控制器通过功率放大器去驱动差动电磁铁线圈(图1中电磁线圈)的电流，来调整转子轴的平衡位置。高速运转时一旦转子位置改变，控制器就会通过调整相应电磁铁中的电流使转子轴保持在中间位置(如图1)。差动电磁铁产生的电磁力如式(1) 

$\mathrm{\ΔF}=F_1-F_2=\frac{\mathrm{\μ}{S}_0{N}^2}{4}[{\left(\frac{I_0+i_{x0}+i_x}{c_0+x}\right)}^2-{\left(\frac{I_0-i_{x0}-i_x}{c_0-x}\right)}^2]---\left(1\right)$

在以往的主动磁悬系统中，往往不考虑铁芯材料的非线性影响，把铁芯的导磁率μ当作固定的，其单个自由度上吸力同式(1)，式中：x为偏离中心轴的距离，I₀为直流偏置，i_x0为固定作用力下(如：重力)的电流增量，i_x为受扰动时的电流增量。当平衡位置接近中点时，x接近0，则式(1)可近似为： 

$\mathrm{\ΔF}=F_1-F_2=\frac{\mathrm{\μ}{S}_0{N}^2}{c_0^2}{I}_0(i_{x0}+i_x)---\left(2\right)$

此时，如式(2)所示，吸力与电流关系大大简化，差动电磁铁产生的吸力增量的模也是相等的(简称：上线圈与下线圈吸力对称)，控制器可以按线性模型作运算以便获得最佳控制效果。可见，只有平衡位置在中点，且差动电磁铁 中电流微变时，主动磁悬浮系统才可视为线性系统。 

实际上铁芯的导磁率μ并非常数，当受冲击性负载时，电流增量较大，差动电磁铁中的吸力增量偏差也较大，此时，上、下线圈中的电流差异也较大，上、下磁路中的导磁率μ的值相差较大，吸力增量ΔF与线圈电流的关系就不符合公式(1)、(2)，如式(3)： 

$\mathrm{\ΔF}=F_1-F_2=\frac{{\mathrm{\μ}}_s{S}_0{N}^2}{4}{\left(\frac{I_0+i_{x0}+i_x}{c_0+x}\right)}^2-\frac{{\mathrm{\μ}}_x{S}_0{N}^2}{4}{\left(\frac{I_0-i_{x0}-i_x}{c_0-x}\right)}^2---\left(3\right)$

此时的μ_s为上线圈铁芯中瞬时导磁率、μ_x为下线圈铁芯中瞬时导磁率，ΔF与式(1)中的ΔF相差较大。欲使转子平衡，以往的控制器就在上下间隙不等的位置上建立新的平衡点(称之为自由平衡)，这就带来两个问题： 

一是建立新的平衡点即x＞0，就会使平衡点位置偏离中心，减小了磁轴承间隙裕量，在这位置偏离的瞬间，系统精度变差； 

二是建立新的平衡点的过程中，原线性模型下推导的i_x0+i_x将发生变化，只能在位置传感器偏差信号的作用下增大至i_x0+i_x1，使转子轴在过电流状态下建立新的平衡点(也是一种自由平衡方式)，i_x0+i_x的增加明显地牺牲了控制器的动态范围，这对扩大稳定域不利，而且，增大多少与系统增益有关。所以很难将控制器做成标准化，也没有互换性。 

显然，以上两种情况都很难扩大稳定域，也是目前提高主动磁悬浮系统性能的研究中所碰到的难点。 

发明内容

本发明主要针对主动磁悬浮系统，为克服电磁铁芯材料的非线性对控制系统的影响，提出一种非线性功率放大的新方法，为进一步扩大系统稳定域开展研究。通过这种新技术，为主动磁悬浮的实际应用提供技术依据；这可将系统控 制器成为一个标准化的部件，为今后实现主动磁悬浮系统的免调试、大批量在工业中推广应用起到关键作用。 

本发明实施例是这样实现的，一种数字化非线性功率放大器，该数字化非线性功率放大器为智能型闭环控制，包括： 

数字化模块，用于将输入的信号进行数字化处理； 

非线性数字化补偿模块，与数字化模块、输出信号转换器模块、非线性补偿数据库模块相连接，用于将通过数字化模块的输入信号和通过非线性补偿数据库模块的反馈信号进行非线性数字化补偿处理； 

输出信号转换器模块，与非线性数字化补偿模块、输出电路相连接，用于将通过非线性数字化补偿模块的输入信号和由上下线圈反馈的信号转换成适合系统控制的信号； 

输出电路模块，与输出信号转换器、上下电磁线圈相连接，用于输出经过信号转换器处理后的信号； 

位置信号模块，与位置传感器、输入接口模块相连接，用于将位置传感器检测的到的位置信号进行处理并传递到输入接口模块； 

输入接口，与位置信号模块、补偿参数确定模块相连接，用于将位置信号模块的信号传输到补偿参数确定模块中； 

补偿参数确定模块，与输入接口模块、材料参数输入模块、非线性补偿数据库模块相连接，用于根据材料参数输入模块提供的参考资料，综合处理由上下线圈传递的信号以及由输入接口模块传递的位置反馈信号； 

材料参数输入模块，与补偿参数确定模块相连接，用于为补偿参数确定模块提供并输入材料参数； 

非线性补偿数据库模块，与非线性数字化补偿模块、补偿参数确定模块相连接，用于将补偿参数确定模块所传递的反馈信号处理后输入到非线性数字化补偿模块。 

进一步，所述控制信号通过数字化模块、非线性数字化补偿模块、输出信号转换器模块最后进入输出电路中，对上下线圈产生的电流值进行调控；在此过程中，上下线圈的电流值分两路，一路被实时地检测后反馈到输出信号转换器中，用于高速高灵敏保护，这种保护是纯硬件式保护，响应时间由器件的转换时间来定，一般在2-3个ns内；另一路与材料参数一同输入到补偿参数确定模块，用来为非线性补偿提供计算依据，补偿量将通过输出电流、材料参数、位置增量变化来综合计算得来。 

进一步，所述位置传感器将采集到的信号经由位置信号模块、输入接口模块、补偿参数确定模块、非线性补偿数据库模块反馈到非线性数字化补偿模块进行集中处理。 

进一步，通过这种特殊的放大器将带有铁芯的差动电磁铁负载转换成一个线性系统，这样对主动磁悬浮的控制器而言，其控制对象就变成一个相信系统，从而，扩大了主动磁悬浮系统的稳定域。 

本发明的另一目的在于提供一种安装有以上所述数字化非线性功率放大器的主动磁悬浮系统。 

本发明主要针对主动磁悬浮系统，为克服电磁铁芯材料的非线性对控制系统的影响，提出一种非线性功率放大的新方法，为进一步扩大系统稳定域开展研究。通过这种新技术，为主动磁悬浮的实际应用提供技术依据；这可将系统控制器成为一个标准化的部件，为今后实现主动磁悬浮系统的免调试、大批量在工业中推广应用起到关键作用。其具体效果为： 

(1)通过非线性功率放大器的开发，找到一种进一步扩大主动磁悬浮系统 稳定域的新技术-数字化非线性功率放大技术； 

(2)实现主动磁悬浮支承系统中铁芯材料非线性因素对系统稳定性影响程度的定量分析及控制； 

(3)利用非线性功率放大器及现有的主动磁悬浮支承技术方面的基础，把系统的稳定域提高一个新台阶，具体反映在高速电主轴的转速可以提升10％左右。 

附图说明

图1是现有技术提供的图1主动磁悬浮系统示意图； 

图2是本发明提供的数字化非线性功率放大器系统硬件框图； 

图3是本发明提供的不同的磁场强度(不同的电流)产生相同的磁感应强度示意图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

图1为主动磁悬浮系统的示意图，如图所示，整个主动磁悬浮系统可分为两个部分：机械部分与电子控制部分。其机械部分设有上下两个定子(电磁线圈)，中间的转子以及位于定子和转子之间的位移传感器。其电子控制部分设有控制回路、位移信号转换电路、功率放大器。本发明将原有的功率放大器改进为新型数字化非线性功率放大器，其具体的系统硬件框图如图2所示。 

图2为一种数字化非线性功率放大器系统的硬件框图。具体模块包括： 

数字化模块，与非线性数字化补偿模块相连接，用于将输入的信号进行数 字化处理； 

非线性数字化补偿模块，与数字化模块、输出信号转换器模块、非线性补偿数据库模块相连接，用于将通过数字化模块的输入信号和通过非线性补偿数据库模块的反馈信号进行非线性数字化补偿处理； 

输出信号转换器模块，与非线性数字化补偿模块、输出电路相连接，用于将通过非线性数字化补偿模块的输入信号和由上下线圈反馈的信号转换成适合系统控制的信号； 

输出电路模块，与输出信号转换器、上下电磁线圈相连接，用于输出经过信号转换器处理后的信号； 

位置信号模块，与位置传感器、输入接口模块相连接，用于将位置传感器检测的到的位置信号进行处理并传递到输入接口模块； 

输入接口，与位置信号模块、补偿参数确定模块相连接，用于将位置信号模块的信号传输到补偿参数确定模块中； 

补偿参数确定模块，与输入接口模块、材料参数输入模块、非线性补偿数据库模块相连接，用于根据材料参数输入模块提供的参考资料，综合处理由上下线圈传递的信号以及由输入接口模块传递的位置反馈信号； 

材料参数输入模块，与补偿参数确定模块相连接，用于为补偿参数确定模块提供并输入材料参数； 

非线性补偿数据库模块，与非线性数字化补偿模块、补偿参数确定模块相连接，用于将补偿参数确定模块所传递的反馈信号处理后输入到非线性数字化补偿模块。 

用于在向前的工作通道中连接顺序依次为：数字化模块、非线性数字化补偿模块、输出信号转换器模块、输出电路。控制信号分两路，一路直接传递到反馈环的输入接口，另一路向前传递，通过数字化模块、非线性数字化补偿模 块、输出信号转换器模块最后进入输出电路中，对上下线圈产生的电流值进行调控。 

在此过程中，上下线圈的电流值分两路：一路反馈到输出信号转换器模块中(用于高速高灵敏保护，这种保护是纯硬件式保护，响应时间由器件的转换时间来定，一般在2-3个ns内，确保输出模块万无一失)；另一路与材料参数一同输入到补偿参数确定模块(用来为非线性补偿提供计算依据，补偿量将通过输出电流、材料参数、位置增量变化来综合计算得来)。 

在反馈环中的硬件模块连接顺序依次为：位置信号模块、输入接口、补偿参数确定模块、非线性补偿数据库、非线性数字化补偿模块。位置传感器将采集到的信号经由位置信号模块、输入接口模块、补偿参数确定模块、非线性补偿数据库模块反馈到非线性数字化补偿模块进行集中处理。 

在主动磁悬浮旋转和平移两种系统的电磁铁保持原有形式的前提下，欲使磁性材料的非线性问题对系统影响减小，要采取非线性功率放大，该放大器可以让差动电磁铁在电流偏差较大时，也能使被控对象保持线性系统的特征，因此，必须是数字化的。数字化非线性功放在前向通道中的位置如图1所示，该功放在上下差动电磁铁中产生不同的i_x0+i_x。 

对电磁铁铁芯材料来说，若工作在第n点处(如图2所示)，上线圈中电流为：I₀+i_x0+i_xsn，其磁场强度增量为：△H_s；下线圈中电流为：I₀-i_x0-i_xxn，其磁场强度增量为：△H_x。ΔH_s就是经数字化非线性功放输出后上线圈上的磁场强度变化量，而△H_x就是经数字化非线性功放输出后下线圈上的磁场强度变化量，显然，两者相差较大，但它们产生的磁感应强度变化量相等，都为：△B_n。 

数字化非线性功放的补偿原理是根据铁芯材料磁滞特性来补偿线圈电流的增量，其本质是获得实时的磁导率μ。这里有两个基本要点： 

一是B-H曲线上有两种情况，(习惯上称“升程”和“降程”如图2所示)，B并非是H的单值函数，只通过H来获得B是不可取的，而是要根据电流变化过程 来判别工作点是落在“升程”还是“降程”上； 

二是B-H曲线是一族曲线而非一根曲线(如图2)，工作点到底落在哪根曲线，这要在电流跟踪过程中根据转折点处电流的极值来判定，另外，还要根据实际补偿效果进行“纠偏”，最终得到最佳补偿效果。 

一旦实时的磁导率μ获得后，吸力增量ΔF与线圈电流的关系式建立了。可以按照如下算法在公式(3)上作如下处理： 

$A_{\mathrm{sn}}=\frac{s_0{N}^2}{4{(c_0+x_n)}^2},(n=0\mathrm{Lm})$ $A_{\mathrm{xn}}=\frac{s_0{N}^2}{4{(c_0-x_n)}^2},(n=0\mathrm{Lm})$

i_s＝I₀+i_x0+i_xs，i_x＝I₀-i_x0-i_xx

式(3)变为：ΔF_n＝A_snμ_sni_sn-A_xnμ_xni_xn，(n＝0L m) 

其中 $A_s=\left[\begin{array}{cccc}{A}_{s1}& 0& 0& 0\\ 0& A_{s2}& 0& 0\\ 0& 0& O& 0\\ 0& 0& 0& A_{\mathrm{sm}}\end{array}\right]$ $A_x=\left[\begin{array}{cccc}{A}_{x1}& 0& 0& 0\\ 0& A_{x2}& 0& 0\\ 0& 0& O& 0\\ 0& 0& 0& A_{\mathrm{xm}}\end{array}\right]$

设向量： 

$M_s=\left[\begin{array}{c}{M}_{s1}\\ M_{s2}\\ M\\ M_{\mathrm{sm}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{i}_{s1}& 0& L& 0\\ 0& i_{s2}& O& M\\ M& O& O& 0\\ 0& L& 0& i_{\mathrm{sm}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_{s1}\\ {\mathrm{\μ}}_{s2}\\ M\\ {\mathrm{\μ}}_{\mathrm{sm}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

$M_x=\left[\begin{array}{c}{M}_{x1}\\ M_{x2}\\ M\\ M_{\mathrm{xm}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{i}_{x1}& 0& L& 0\\ 0& i_{x2}& O& M\\ M& O& O& 0\\ 0& L& 0& i_{\mathrm{xm}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_{x1}\\ {\mathrm{\μ}}_{x2}\\ M\\ {\mathrm{\μ}}_{\mathrm{xm}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

由此得实时吸力增量为： 

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{F}_1\\ \mathrm{\Δ}{F}_2\\ M\\ \mathrm{\Δ}{F}_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{A}_{s1}& 0& 0& 0\\ 0& A_{s2}& 0& 0\\ 0& 0& O& 0\\ 0& 0& 0& A_{\mathrm{sm}}\end{array}\right]M_s-\left[\begin{array}{cccc}{A}_{x1}& 0& 0& 0\\ 0& A_{x2}& 0& 0\\ 0& 0& O& 0\\ 0& 0& 0& A_{\mathrm{xm}}\end{array}\right]M_x---\left(6\right)$

式(5)、(6)中μ_s1...μ_sm、μ_x1...μ_xm为数字化非线性功放内的数据表的内容，由测试装置测得后，再制成规定的数据表。这样，控制量可以用算式精确 描述，控制器动态范围完全对称了，有利于增加稳定域，对控制器来说形成了一种标准化，且具有互换性，做到控制器可通用，系统调试极为方便。 

数字化非线性功放的结构框图如图2所示，在实际工作时，上线圈与下线圈中通过的电流增量是不等的，电流的大小是根据铁芯工作点的移动来动态调整的，而铁芯工作点的移动是按磁芯材料的瞬时导磁率的变化而变化。 

非线性功率放大器解决的关键问题铁芯材料非线性是客观存在的，这种非线性一定程度上影响了系统的稳定域，在实际应用时很难抵御较大的扰动。欲使系统稳定域扩大，要解决的关键问题是：用“数字化非线性功率放大”的办法，使被控对象与驱动器合成一个线性系统，这样主动磁悬浮控制器就相当于在线性系统下工作，对控制决策的改善、运算速度的提高、控制性能的增强、最终为扩大稳定域带来一定的帮助。 

这一关键问题可以展开为以下三点：①在系统前向通道中，采用非线性功率放大来抵消铁芯非线性影响，使控制器的控制对象等效成为一个线性系统，从而改变了控制决策，形成一个新的控制模型。②用数字化方法解决非线性曲线族的补偿问题。这一算法和技术将会对今后的主动磁悬浮系统设计有一定的参考价值。③解决数字化非线性功放的整体技术问题。 

非线性实现方案从电磁轴承系统的组成结构来看，欲实现非线性功率放大，在以下几方面进行技术难点的分析，初步方案为：①智能化数值分析研究磁轴承材料的非线性特性对系统的影响程度，这是非线性功率放大器解决的主要技术难点之一。②在高速运转的同时，要在动态中补偿磁滞回线非线性影响，仅靠模拟电路和纯硬件的开关电路组成的驱动是办不到的，需要设计一个DSP为核心的能胜任快速响应下作数字化补偿任务的电路——数字化非线性功放。③配合数字化非线性功放，推出一套新的控制决策和新的控制软件，达到扩大稳定域的目的。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种数字化非线性功率放大器，其特征在于，该数字化非线性功率放大器为智能型闭环控制，包括：

数字化模块，用于将输入的信号进行数字化处理；

非线性数字化补偿模块，与数字化模块、输出信号转换器模块、非线性补偿数据库模块相连接，用于将通过数字化模块的输入信号和通过非线性补偿数据库模块的反馈信号进行非线性数字化补偿处理；

输出信号转换器模块，与非线性数字化补偿模块、输出电路相连接，用于将通过非线性数字化补偿模块的输入信号和由上下线圈反馈的信号转换成适合系统控制的信号；

输出电路模块，与输出信号转换器、上下电磁线圈相连接，用于输出经过信号转换器处理后的信号；

位置信号模块，与位置传感器、输入接口模块相连接，用于将位置传感器检测的到的位置信号进行处理并传递到输入接口模块；

输入接口，与位置信号模块、补偿参数确定模块相连接，用于将位置信号模块的信号传输到补偿参数确定模块中；

补偿参数确定模块，与输入接口模块、材料参数输入模块、非线性补偿数据库模块相连接，用于根据材料参数输入模块提供的参考资料，综合处理由上下线圈传递的信号以及由输入接口模块传递的位置反馈信号；

材料参数输入模块，与补偿参数确定模块相连接，用于为补偿参数确定模块提供并输入材料参数；

非线性补偿数据库模块，与非线性数字化补偿模块、补偿参数确定模块相连接，用于将补偿参数确定模块所传递的反馈信号处理后输入到非线性数字化补偿模块。

2.如权利要求1所述的数字化非线性功率放大器，其特征在于，所述控制信号通过数字化模块、非线性数字化补偿模块、输出信号转换器模块最后进入输出电路中，对上下线圈产生的电流值进行调控；在此过程中，上下线圈的电流值分两路，一路被实时地检测后反馈到输出信号转换器中，用于高速高灵敏保护，这种保护是纯硬件式保护，响应时间由器件的转换时间来定，一般在2-3个ns内；另一路与材料参数一同输入到补偿参数确定模块，用来为非线性补偿提供计算依据，补偿量将通过输出电流、材料参数、位置增量变化来综合计算得来。

3.如权利要求1所述的数字化非线性功率放大器，其特征在于，所述位置传感器将采集到的信号经由位置信号模块、输入接口模块、补偿参数确定模块、非线性补偿数据库模块反馈到非线性数字化补偿模块进行集中处理。

4.如权利要求1所述的数字化非线性功率放大器，其特征在于，通过所述数字化非线性功率放大器将带有铁芯的差动电磁铁负载转换成一个线性系统，这样对主动磁悬浮的控制器而言，其控制对象就变成一个相信系统，从而，扩大了主动磁悬浮系统的稳定域。

5.一种安装有权利要求1所述数字化非线性功率放大器的主动磁悬浮系统。

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