CN110332234A - 磁轴承开关功率放大器的控制方法及应用系统 - Google Patents

磁轴承开关功率放大器的控制方法及应用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁轴承开关功率放大器的控制方法及应用系统，其中，该方法包括以下步骤：根据预设控制算法计算获得H桥驱动信号的占空比信息；将H桥驱动信号的占空比信息与预设数值进行比较，以确定线圈电流响应速度要求；根据线圈电流响应速度要求控制电子开关接入电源模块，对母线电压进行调整。该方法通过引入母线电压实时切换功能，兼顾了正常工况下对磁轴承开关功放的低开关噪声要求，以及异常工况下对其大电流响应速度的要求。

Description

磁轴承开关功率放大器的控制方法及应用系统
技术领域
本发明涉及功率放大器技术领域，特别涉及一种磁轴承开关功率放大器的控制方法及应用系统。
背景技术
磁轴承开关功率放大器用于将线圈电流电压指令转换为实际的线圈工作电流，其性能直接影响磁轴承控制精度。开关功放包括两态功放和三态功放，三态功放因其电流纹波小，应用更为普遍。
如图1所示，磁轴承系统中常用的全桥式开关功率放大器(以下简称开关功放)H桥电路拓扑，其由Q1、Q2、Q3、Q4组成H桥，L为磁轴承电磁铁线圈的等效电感(忽略电阻)，母线电源为U，并联在母线电压上的电容为C。通过控制Q1、Q2、Q3、Q4通断，可使加载到电磁铁线圈两端的电压发生变化，进而控制通过线圈的电流。定义图中从A点到B点电流为正，记为iAB，A和B两点之间的电压为uAB。
Q1～Q4受功放控制器控制，功放控制器采集电流指令信号及线圈电流信号，根据二者偏差输出PWM波控制全桥上四个开关管的开关状态。通过高频次的开关动作改变施加在线圈两端的等效电压，功放控制器可以达到增加或减小线圈电流的目的，最终令线圈电流与电流指令一致。H桥工作于三种状态下，具体状态如下：
状态1：电流增加
使Q1和Q4导通，Q2和Q3截止，此时直流母线电源U通过Q1和Q4加载到线圈两端给线圈充电，线圈中电流快速增加，忽略管压降，加载到线圈上的电压uAB＝U。
状态2：电流减小
使Q1和Q4截止，Q2和Q3导通，此时直流母线电源U通过Q2和Q3加载到线圈两端，给线圈反向充电，线圈中电流快速减小，忽略管压降，加载到线圈上的电压uAB＝-U。
状态3：电流续流
该状态有两种实现方式，一种使Q1和Q2导通，Q3和Q4截止，此时线圈通过Q1和Q2形成续流回路，线圈中电流缓慢减小；另一种使Q1和Q2截止，Q3和Q4导通，此时线圈通过Q3和Q4形成续流回路，线圈中电流也缓慢减小；在续流状态下，认为加载到线圈两端的电压为uAB＝0。
通过上述策略控制开关管的导通和关断，加载到线圈上的电压共有U、-U、0三种状态，因此这种调制方式工作的功放称为三态开关功放，又称三电平功放。
如图2所示，开关信号控制电路以一个中央处理器(CPU)为核心，工作于一个固定的采样周期T，比如0.0005s(20kHz采样率)。在每个采样周期的起始时刻，控制电路采集指令信号与电流信号，计算二者偏差的绝对值e，e输入控制算法单元(通常为一PID控制器)，生成占空比数据kPWM0(kPWM0>0)。占空比最大只到1(即100％)，此时整个工作周期T内，H桥全时充电或放电。当kPWM0≥1，需作限幅处理，即令kPWM＝kPWM0(当0<kPWM0<1)，kPWM＝1(当kPWM0≥1)，使用kPWM作为实际输出占空比。当kPWM0≥1，虽然它不作为实际控制用占空比驱动H桥，但kPWM0≥1并非没有意义，它指示了电流信号偏离指令信号的程度。
当e为正值，即指令信号大于电流信号，Q1、Q4打开，打开状态持续时间kPWM*T，此时Q2、Q3关闭，H桥进入状态1，对线圈进行充电；经过kPWM*T后，Q1关闭，Q2打开，H桥进入状态3，线圈电流续流，直到下一个采样时刻来临；当e为负值，即指令信号小于电流信号，Q2、Q3打开，打开状态持续时间kPWM*T，此时Q1、Q4关闭，H桥进入状态2，对线圈进行放电；经过kPWM*T后，Q3关闭，Q4打开，H桥进入状态3，线圈电流续流，直到下一个采样时刻来临。
在电流偏差大时，受母线电压限制，采用相关技术，即便整周期充电(或放电)，在T时间内，电流难以达到指令值，则充电(或放电)需要持续数个周期，这限制了电流变化率，从而限制了电磁轴承的电磁力变化率。
单纯增大母线电压，可以增加充放电速度，但直接导致功放开关电磁噪声增大，影响磁轴承控制精度。
磁轴承正常工作时，其线圈电流变化率往往不大，使用较低的母线电压可以满足要求；而当载荷突变，或磁轴承转子工作于临界转速附近，会有暂时的大电流变化率需求，这时候低的母线电压影响电磁力响应速度，从而影响系统稳定性。需要发展一种新的功放技术，兼顾电磁轴承高电流响应速度与低功放开关噪声的性能需求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种磁轴承开关功率放大器的控制方法，该方法通过控制电子开关，接入单个、两个或多个电源模块，实现对功放母线电压的在线调整。
本发明的另一个目的在于提出一种磁轴承开关功率放大器的控制应用系统。
为达到上述目的，本发明一方面提出了磁轴承开关功率放大器的控制方法，包括以下步骤：根据预设控制算法计算获得H桥驱动信号的占空比信息；将所述H桥驱动信号的占空比信息与预设数值进行比较，以确定线圈电流响应速度要求；根据所述线圈电流响应速度要求控制电子开关接入电源模块，对母线电压进行调整。
本发明实施例的磁轴承开关功率放大器的控制方法，通过H桥驱动信号的占空比信息判断电流响应速度，并根据电流响应速度需求，使用电流功放母线切换用电源拓扑，实现功放母线电压实时切换，进而实现正常工况下对磁轴承开关功放的低开关噪声要求，与异常工况下对其大电流响应速度的需求。
另外，根据本发明上述实施例的磁轴承开关功率放大器的控制方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述将所述H桥驱动信号的占空比信息与预设数值进行比较，进一步包括：若所述H桥驱动信号的占空比信息大于预设数值，则线圈电流响应速度要求高；若所述H桥驱动信号的占空比信息小于预设数值，则线圈电流响应速度要求低。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述电源模块为单个或多个。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述线圈电流响应速度要求高时，则控制所述电子开关接入多个电源模块，若所述线圈电流响应速度要求低时，则控制所述电子开关接入单个电源模块。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当接入所述多个电源模块时，所述母线电压为多个电源电压，以满足暂时的快速电流响应要求，当接入所述单个电源模块时，所述母线电压为单个电源电压，以降低功放H桥开关噪声。
为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种磁轴承开关功率放大器的控制应用系统，包括：计算模块用于根据预设控制算法计算获得H桥驱动信号的占空比信息；比较模块用于将所述H桥驱动信号的占空比信息与预设数值进行比较，以确定线圈电流响应速度要求；调整模块用于根据所述线圈电流响应速度要求控制电子开关接入电源模块，对母线电压进行调整。
本发明实施例的磁轴承开关功率放大器的控制应用系统，通过H桥驱动信号的占空比信息判断电流响应速度，并根据电流响应速度需求，使用电流功放母线切换用电源拓扑，实现功放母线电压实时切换，进而实现正常工况下对磁轴承开关功放的低开关噪声要求，与异常工况下对其大电流响应速度的需求。
另外，根据本发明上述实施例的磁轴承开关功率放大器的控制应用系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述比较模块进一步用于：若所述H桥驱动信号的占空比信息大于预设数值，则线圈电流响应速度要求高；若所述H桥驱动信号的占空比信息小于预设数值，则线圈电流响应速度要求低。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述电源模块为单个或多个。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述线圈电流响应速度要求高时，则控制所述电子开关接入多个电源模块，若所述线圈电流响应速度要求低时，则控制所述电子开关接入单个电源模块。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当接入所述多个电源模块时，所述母线电压为多个电源电压，以满足暂时的快速电流响应要求，当接入所述单个电源模块时，所述母线电压为单个电源电压，以降低功放H桥开关噪声。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为磁轴承系统中常用的全桥式开关功率放大器H桥电路拓扑图；
图2为功率放大器的电路结构图；
图3为本发明一个实施例的磁轴承开关功率放大器的控制方法流程图；
图4为根据本发明的一个具体示例使用两个电源的功放H桥拓扑图；
图5为根据本发明的另一个具体示例使用三个电源的功放H桥拓扑图；
图6为本发明一个实施例的磁轴承开关功率放大器的控制应用系统结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的磁轴承开关功率放大器的控制方法及应用系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的磁轴承开关功率放大器的控制方法。
图3是本发明一个实施例的磁轴承开关功率放大器的控制方法流程图。
如图3所示，该磁轴承开关功率放大器的控制方法包括以下步骤：
在步骤S101中，根据预设控制算法计算获得H桥驱动信号的占空比信息。
可以理解的是，磁轴承开关功率放大器的控制器根据预设控制算法计算H桥驱动信号的占空比信息，一般通常用的算法是PID算法。
H桥驱动信号的占空比信息可以分为两种，一种是kPWM，另一种是kPWM0，其中，相比较于kPWM，kPWM0没有对控制器计算结果进行截顶时的数据，因此，它能更好指示实际电流偏离指令电流的程度，可以扩展电流响应速度的判断条件范围。
在步骤S102中，将H桥驱动信号的占空比信息与预设数值进行比较，以确定线圈电流响应速度要求。
具体而言，将H桥驱动信号的占空比信息与预设数值进行比较，若H桥驱动信号的占空比信息大于预设数值，则确定线圈电流响应速度要求高；若H桥驱动信号的占空比信息小于预设数值，则确定线圈电流响应速度要求低。
在步骤S103中，根据线圈电流响应速度要求控制电子开关接入电源模块，对母线电压进行调整。其中，本发明实施例的电源模块可以为单个或多个。
具体而言，当线圈电流响应速度要求高时，则控制电子开关接入多个电源模块，若线圈电流响应速度要求低时，则控制电子开关接入单个电源模块。
进一步地，当接入多个电源模块时，串接多个电源模块为母线供电，通过提升母线电压，满足暂时的快速电流响应要求。当接入单个电源模块时，母线电压为单个电源电压，仅单个电源模块驱动H桥，通过降低母线电压有效降低功放H桥电路工作时的开关噪声。
简单来讲，本发明实施例利用H桥驱动信号的占空比信息，判断线圈电流响应速度需求高低。当线圈电流响应速度要求低时，使用单个电源模块连接母线，则母线电压为单个电源电压，低的母线电压可以有效降低功放H桥电路工作时的开关噪声。当判断电流响应速度要求高时，通过电子开关串入两个或多个电源模块，提高母线电压，从而提高功放响应速度。
下面结合具体示例对本发明实施例的原理进一步说明。
如图4所示，使用两个电源模块(U1、U2)的功放H桥拓扑，U1、U2电压分别为E1、E2。当磁轴承处于正常工作状态，电流响应速度要求低时，Q5打开，Q6关闭，H桥母线电压E由U1提供(电压为E1)；当载荷突变，或磁轴承转子工作于临界转速附近，电流响应速度要求高时，Q5关闭，Q6打开，H桥母线电压E由U1、U2串联提供(电压为E1+E2)。这样就实现了正常工况下，电流响应速度要求低时，仅单个电源模块驱动H桥，通过降低母线电压有效降低功放H桥电路工作时的开关噪声；临时高电流响应工况出现时，串接两个电源模块为母线供电，通过提升母线电压，满足暂时的快速电流响应要求。
判断电流响应速度需求的高低，可以通过H桥驱动信号的占空比信息kPWM。CPU根据特定控制算法(通常为PID算法)计算kPWM时，如果kPWM小于一定数值(比如：0.5)，即可认为电流响应速度要求低，此时可仅接入一个电源模块；如果kPWM大于等于一定数值(比如：0.5)，即可认为电流响应速度要求高，此时可接入两个电源模块。
判断电流响应速度需求的高低，也可以通过H桥驱动信号的占空比信息kPWM0。相较于kPWM，kPWM0是没有对控制器计算结果进行截顶时的数据，它能更好指示实际电流偏离指令电流的程度。可以扩展电流响应速度的判断条件范围(可在大于1的数据范围工作)，比如，kPWM0小于2，视为电流响应速度要求低，kPWM0大于等于2，才认为响应速度要求高。
使用kPWM0，判断条件范围取得更宽之后，还可以将响应速度进一步分档，引入更多电源模块，实现更灵活的母线电压配置。比如分低、中、高档，引入三个电源模块，当kPWM0<1，判断为低响应速度需求，接入单个电源；1≤kPWM0<2，判断为中响应速度需求，接入两个电源；kPWM0≥2，判断为高响应速度需求，接入三个电源。
如图5所示，使用三个电源时(U1、U2、U3；电压分别为E1、E2、E3)，当磁轴承处于正常工作状态，电流响应速度要求“低”时，Q5打开，Q6、Q7、Q8关闭，H桥母线电压E由U1提供(电压为E1)；当电流响应速度要求“中”时，Q5、Q8关闭，Q6、Q7打开，H桥母线电压E由U1、U2串联提供(电压为E1+E2)；当电流响应速度要求“高”时，Q5、Q6、Q7关闭，Q8打开，H桥母线电压E由U1、U2、U3串联提供(电压为E1+E2+E3)。
需要串入更多电源模块，可进行类似电源拓扑修改。
综上，根据本发明实施例提出的磁轴承开关功率放大器的控制方法，当磁轴承处于正常工作状态，通过H桥驱动信号的占空比信息，判断线圈电流响应速度，当电流响应速度要求“低”时，用较低的母线电压驱动开关功放，有效降低功放H桥开关噪声；当载荷突变，或磁轴承转子工作于临界转速附近，电流响应速度要求“高”时，临时串入更多电源模块，提高母线电压，满足暂时的快速电流响应要求。也就是说，通过引入母线电压实时切换功能，兼顾了正常工况下对磁轴承开关功放的低开关噪声要求，与异常工况下对其大电流响应速度的需求。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的磁轴承开关功率放大器的控制应用系统。
图6是本发明一个实施例的磁轴承开关功率放大器的控制应用系统结构示意图。
如图6所示，该磁轴承开关功率放大器的控制应用系统10包括：计算模块100、比较模块200和调整模块300。
其中，计算模块100用于根据预设控制算法计算获得H桥驱动信号的占空比信息。比较模块200用于将H桥驱动信号的占空比信息与预设数值进行比较，以确定线圈电流响应速度要求。调整模块300用于根据线圈电流响应速度要求控制电子开关接入电源模块，对母线电压进行调整。其中，电源模块为单个或多个。本发明实施例的系统10通过控制电子开关，接入单个、两个或多个电源模块，实现对功放母线电压的在线调整。
进一步地，在本发明的一个实施例中，比较模块200进一步用于：若H桥驱动信号的占空比信息大于预设数值，则线圈电流响应速度要求高；若H桥驱动信号的占空比信息小于预设数值，则线圈电流响应速度要求低。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当线圈电流响应速度要求高时，则控制电子开关接入多个电源模块，若线圈电流响应速度要求低时，则控制电子开关接入单个电源模块。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当接入多个电源模块时，母线电压为多个电源电压，以满足暂时的快速电流响应要求，当接入单个电源模块时，母线电压为单个电源电压，以降低功放H桥开关噪声。
需要说明的是，前述对磁轴承开关功率放大器的控制方法实施例的解释说明也适用于该系统，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的磁轴承开关功率放大器的控制应用系统，当磁轴承处于正常工作状态，通过H桥驱动信号的占空比信息，判断线圈电流响应速度，当电流响应速度要求“低”时，用较低的母线电压驱动开关功放，有效降低功放H桥开关噪声；当载荷突变，或磁轴承转子工作于临界转速附近，电流响应速度要求“高”时，临时串入更多电源模块，提高母线电压，满足暂时的快速电流响应要求。也就是说，通过引入母线电压实时切换功能，兼顾了正常工况下对磁轴承开关功放的低开关噪声要求，与异常工况下对其大电流响应速度的需求。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种磁轴承开关功率放大器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据预设控制算法计算获得H桥驱动信号的占空比信息；
将所述H桥驱动信号的占空比信息与预设数值进行比较，以确定线圈电流响应速度要求；以及
根据所述线圈电流响应速度要求控制电子开关接入电源模块，对母线电压进行调整。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述H桥驱动信号的占空比信息与预设数值进行比较，进一步包括：
若所述H桥驱动信号的占空比信息大于预设数值，则线圈电流响应速度要求高；若所述H桥驱动信号的占空比信息小于预设数值，则线圈电流响应速度要求低。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电源模块为单个或多个。
4.根据权利要求1-3所述的方法，其特征在于，当所述线圈电流响应速度要求高时，则控制所述电子开关接入多个电源模块，若所述线圈电流响应速度要求低时，则控制所述电子开关接入单个电源模块。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当接入所述多个电源模块时，所述母线电压为多个电源电压，以满足暂时的快速电流响应要求，当接入所述单个电源模块时，所述母线电压为单个电源电压，以降低功放H桥开关噪声。
6.一种磁轴承开关功率放大器的控制应用系统，其特征在于，包括：
计算模块，用于根据预设控制算法计算获得H桥驱动信号的占空比信息；
比较模块，用于将所述H桥驱动信号的占空比信息与预设数值进行比较，以确定线圈电流响应速度要求；以及
调整模块，用于根据所述线圈电流响应速度要求控制电子开关接入电源模块，对母线电压进行调整。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述比较模块进一步用于：
若所述H桥驱动信号的占空比信息大于预设数值，则线圈电流响应速度要求高；若所述H桥驱动信号的占空比信息小于预设数值，则线圈电流响应速度要求低。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电源模块为单个或多个。
9.根据权利要求6-8所述的系统，其特征在于，当所述线圈电流响应速度要求高时，则控制所述电子开关接入多个电源模块，若所述线圈电流响应速度要求低时，则控制所述电子开关接入单个电源模块。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，当接入所述多个电源模块时，所述母线电压为多个电源电压，以满足暂时的快速电流响应要求，当接入所述单个电源模块时，所述母线电压为单个电源电压，以降低功放H桥开关噪声。
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