CN103825480B - 一种多路输出的磁轴承开关功放数字单周期控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多路输出的磁轴承开关功放数字单周期控制方法。该方法固定公共桥臂功率器件占空比，只需采样母线电压，N路电感电流以及N路给定电流信号，就可通过数字控制器分别计算得出N个负载桥臂的功率器件的PWM控制信号。采用这种数字单周控制方法，无需对公共桥臂进行单独控制，能有效的简化开关功放的数字控制结构，占用DSP芯片资源少，提高实时计算能力，并且任意时刻，能够同时满足N路输出电流不同极性的电流变化，实现N路输出电流的完全解耦控制，控制精度高，动态响应好，运算速度快，实现简单，具有较大的经济价值和实用价值。
Description
技术领域
本发明属于功率放大器领域，特别涉及了一种多路输出的磁轴承开关功放数字单周期控制方法。
背景技术
应用于五自由度磁悬浮轴承系统的开关功放系统，普遍都需要五路独立的开关功放，其控制系统的复杂、庞大和成本较高成为制约磁悬浮轴承发展的关键因素。将六桥臂五路输出开关功放电路拓扑作为五自由度的磁悬浮轴承的开关功放主要电路，不仅可实现五路独立的输出，驱动五个自由度所有控制绕组，而且与五个独立的全桥功放相比，只需要其3/5的开关管就能实现对五自由度的控制，成本得以降低。
现有的六桥臂五路输出开关功放的控制方法，例如传统的PWM调节，电流滞环控制，采样-保持控制以及最小脉宽调制的方法等，都是需要对各路负载桥臂和公共桥臂分别进行的算法控制，才能实现五路电流的输出。由于负载桥臂和公共桥臂需要两套独立的控制算法，因此这些方法都十分的复杂，实现困难，在运算处理中占用大量的DSP芯片资源。其中公共桥臂的控制受到五路输出电流不同极性的制约，现有的控制方法都无法实现五路电流的完全解耦控制，特别当系统出现突变的时候，出现的瞬时过冲，需要几个开关周期才能建立新的稳态，抗扰动的能力差。
单周期控制技术是由美国学者Keyue M.Smedley 和Slobodan Cuk提出的，它的基本思想是在每个开关周期内控制开关管的占空比，使开关变量的稳态平均值或瞬态平均值等于参考量或与参考量成比例。单周期控制可以消除每个周期内的误差，使得输出有效地跟踪参考信号，具有响应速度快，鲁棒性好的特点，目前单周控制的应用已经涉及到各种领域，如功率因素校正，滤波器，不间断电源，逆变器等。近年来，学者对单周期控制的理论应用等方面都进行了深入的研究，但是对多桥臂开关功放的应用还未见相关的文献。
发明内容
本发明的目的是针对现有N+1桥臂N路输出开关功放(例如六桥臂五路输出开关功放)控制方法存在的缺陷，结合单周期控制的特点和数字控制的优势，将单周期控制算法应用于开关功放控制中，提供了一种多路输出的磁轴承开关功放数字单周期控制方法，它具有动态响应快，抗扰动能力强，控制方法简单等优点。
为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案为：
一种多路输出的磁轴承开关功放数字单周期控制方法，该方法适用于任何N+1桥臂N路输出的磁轴承开关功率放大器，N为大于等于2的自然数，包括如下步骤：
第一步：将N+1桥臂N路输出开关功率放大器输出的N路电感电流：第1电感电流、第2电感电流、…、第N电感电流分别采样调理后转换为N路模拟信号：第1模拟信号、第2模拟信号、…、第N模拟信号，再将N路模拟信号分别经模数转换转变为N路数字信号：第1数字信号、第2数字信号、…、第N数字信号；
第二步：将给定的N路电流:第1给定电流、第2给定电流、…、第N给定电流分别经采样调理后转换为N路模拟给定信号：第1给定模拟信号、第2给定模拟信号、…、第N给定模拟信号，再将N路给定模拟信号分别经模数转换转变为N路给定数字信号：第1给定数字信号、第2给定数字信号、…、第N给定数字信号；
第三步：将N+1桥臂N路输出开关功率放大器的直流母线电压经采样调理后转换为直流母线电压模拟信号，再将直流母线模拟信号经过模数转换转变为直流母线电压数字信号；
第四步：确定公共桥臂上管占空比与下管占空比的取值，公共桥臂上管占空比与下管占空比为互补信号，均为固定值，取值范围是大于等于0，小于等于1；
第五步：将第一步所述N路数字信号、第二步所述N路给定数字信号以及第三步所述直流母线电压数字信号经单周期核心算法得到N+1桥臂N路输出开关功率放大器的N路负载桥臂的上管占空比信号：第1上管占空比信号、第2上管占空比信号、…、第N上管占空比信号，以及分别与之互补的下管占空比信号：第1下管占空比信号、第2下管占空比信号、…、第N下管占空比信号，所述单周期核心算法计算公式为：
第六步： 将第五步所述N路负载桥臂上管占空比信号与下管占空比信号以及第四步所述公共桥臂上管占空比信号与下管占空比信号经DSP控制器输出脉宽调制信号至驱动电路控制N+1桥臂N路输出开关功率放大器开关管的通断，调节开关功放的电流输出。
采用上述技术方案带来的有益效果是：
（1）本发明实现了多路输出电流的完全解耦控制，抗扰动能力增强。传统的设计方法，需对公共桥臂进行独立的控制，由于N+1桥臂N路输出开关功率放大器的误差电流具有双极性，因而公共桥臂上的开关管的通断是受到误差极性的影响，在同一时刻无法满足多路不同误差极性的误差调节。特别是在给定电流突变的时候，瞬时的过冲需要几个开关周期才能建立新的稳态。本发明应用数字单周期控制方法，每路负载电流的调节都是独立控制，不论电流误差的极性，都可通过控制每路负载桥臂每个开关周期内开关管的占空比，使得输出电流都能及时跟踪上给定，不受公共桥臂开关状态的限制，多路输出电流完全解耦，动态响应快，抗扰动能力强。
（2）本发明使N+1桥臂N路输出开关功放的数字控制方法得到大幅度简化，常规方法须有两套算法对公共桥臂与负载桥臂进行分别控制，数字实现复杂；本发明采用数字单周期控制方法，直接固定公共桥臂的占空比，无需再对公共桥臂进行算法控制，极大了简化了控制算法，节约了DSP芯片资源，简单易实现，降低了对DSP芯片性能与成本的需求。
（3）本发明采用全数字控制，有效的提高控制精度。传统的控制方法都是模拟电路与数字电路相结合，控制性能容易受到传统模块控制系统中器件离散性与温度漂移等不利因素影响。本发明采用全数字控制，不受模块器件影响，数字信号处理器具有精确的控制精度，同时还易于完善和拓展系统的通讯功能。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的系统结构示意图。
图中主要符号说明：Sn1、Sn2、Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2、Sd1、Sd2、Se1、Se2为开关管；Dn1、Dn2、Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2、Dd1、Dd2、De1、De2为二极管；La、Lb、Lc、Ld、Le为电感负载；A、B、C、D、E为负载桥臂；N为公共桥臂；iLa、iLb、iLc、iLd、iLe为电感负载的电流；iLa1、iLb1、iLc1、iLd1、iLe1分别为iLa、iLb、iLc、iLd、iLe经采样调理后的模拟信号；iLa2、iLb2、iLc2、iLd2、iLe2分别为iLa1、iLb1、iLc1、iLd1、iLe1为经AD转换后的数字信号；irefa、irefb、iredc、irefd、irefe为给定电流；irefa1、irefb1、iredc1、irefd1、irefe1分别为irefa、irefb、iredc、irefd、irefe经采样调理后的模拟信号；irefa2、irefb2、iredc2、irefd2、irefe2分别为irefa1、irefb1、iredc1、irefd1、irefe1经AD转换后的数字信号；Udc为直流母线电压；Udc1为Udc经采样调理后的模拟信号；Udc2为Udc1经AD转换后的数字信号；da1、db1、dc1、dd1、de1，da2、db2、dc2、dd2、de2为六桥臂五路输出开关功放五路负载桥臂的占空比信号。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本具体实施方式以六桥臂五路输出磁轴承开关功率放大器为例，如图1所示的本实施例的系统结构示意图，系统包含六桥臂五路输出开关功放主功率电路和DSP控制器。主功率电路包含12个开关管Sn1、Sn2、Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2、Sd1、Sd2、Se1、Se2和12个二极管Dn1、Dn2、Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2、Dd1、Dd2、De1、De2构成6个半桥桥臂，这6个半桥桥臂分别为5个负载桥臂A、B、C、D、E以及1个公共桥臂N，五个电感负载La、Lb、Lc、Ld、Le通过中线与公共桥臂N相连。DSP控制器包含依次连接的AD转换器、控制算法模块和PWM模块，DSP控制器通过采样调理电路将采样得到的直流母线电压、五路输出电流以及五路给定电流送入DSP控制器的AD转换器的11路AD通道，由于公共桥臂的占空比是固定值，因此只需通过控制算法模块的单周期核心算法，计算得到五个负载桥臂的功率器件的PWM占空比，然后由DSP控制器的12路PWM通道输出至驱动电路，从而控制主功率电路上的功率管的开通关断，即可完成了电流型六桥臂五路输出开关功放的数字单周期控制。
本发明的核心技术特征是单周期核心算法，单周期核心算法为：
本发明的公共桥臂上管占空比与下管占空比为互补信号，为固定值，取值范围为大于等于0，小于等于1，具体的取值大小根据电路的实际需求在中断程序中事先设定。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (1)
1.一种多路输出的磁轴承开关功放数字单周期控制方法，其特征在于：该方法适用于任何N+1桥臂N路输出的磁轴承开关功率放大器，N＝2,3,4…，包括如下步骤：
第一步：将N+1桥臂N路输出开关功率放大器输出的N路电感电流：第1电感电流、第2电感电流、…、第N电感电流分别采样调理后转换为N路模拟信号：第1模拟信号、第2模拟信号、…、第N模拟信号，再将N路模拟信号分别经模数转换转变为N路数字信号：第1数字信号、第2数字信号、…、第N数字信号；
第二步：将给定的N路电流:第1给定电流、第2给定电流、…、第N给定电流分别经采样调理后转换为N路给定模拟信号：第1给定模拟信号、第2给定模拟信号、…、第N给定模拟信号，再将N路给定模拟信号分别经模数转换转变为N路给定数字信号：第1给定数字信号、第2给定数字信号、…、第N给定数字信号；
第三步：将N+1桥臂N路输出开关功率放大器的直流母线电压经采样调理后转换为直流母线电压模拟信号，再将直流母线电压模拟信号经过模数转换转变为直流母线电压数字信号；
第四步：确定公共桥臂的上管占空比与下管占空比的取值，公共桥臂的上管占空比与下管占互补，均为固定值，取值范围是大于等于0，小于等于1；
第五步：将第一步所述N路数字信号、第二步所述N路给定数字信号以及第三步所述直流母线电压数字信号经单周期核心算法得到N+1桥臂N路输出开关功率放大器的N路负载桥臂的上管占空比信号：第1上管占空比信号、第2上管占空比信号、…、第N上管占空比信号，以及分别与之互补的下管占空比信号：第1下管占空比信号、第2下管占空比信号、…、第N下管占空比信号，所述单周期核心算法计算公式为：
其中，n＝1,2,…,N；
第六步：将第五步所述N路负载桥臂上管占空比信号与下管占空比信号以及第四步所述公共桥臂上管占空比信号与下管占空比信号经DSP控制器输出脉宽调制信号至驱动电路控制N+1桥臂N路输出开关功率放大器开关管的通断，调节开关功放的电流输出。
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