CN1710799A - 一种用于永磁偏置电磁轴承的低纹波开关功率放大器 - Google Patents

一种用于永磁偏置电磁轴承的低纹波开关功率放大器 Download PDF

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Abstract

一种用于永磁偏置电磁轴承的低纹波开关功率放大器，该发明是一种能够用来对电磁轴承负载线圈中的电流进行主动控制的装置。该开关功率放大器主要包括脉冲宽度调制信号产生电路、光耦隔离及开关驱动电路、全桥主电路以及电流检测电路。该开关功率放大器根据电流给定信号和电流反馈信号所形成的误差信号进行PWM调制，再将调制完成的PWM信号经光耦隔离及开关驱动电路直接控制全桥主电路两个桥臂上的四只功率开关管的导通与关断，从而达到控制电磁磁轴承线圈电流的目的。本发明实现了永磁偏置电磁轴承开关功率放大器的低纹波电流输出，降低了由电流纹波在电磁轴承中的损耗。

Description

一种用于永磁偏置电磁轴承的低纹波开关功率放大器
所属技术领域
本发明涉及一种用于永磁偏置电磁轴承的低纹波开关功率放大器，用于对电磁轴承线圈的输出电流进行控制。
背景技术
电磁轴承是一种高科技机电一体化产品，它具有高转速、无摩擦、长寿命、无需润滑、无污染等优点，在航空航天、涡轮机械、真空技术以及高速机床等领域具有广泛的应用前景。功率放大器作为电磁轴承控制系统的执行器，其能量消耗最大，降低它的功耗、提高能量转换效率是功率放大器设计的最主要目的之一，同时也是电磁轴承控制系统实现低功耗所要解决的关键技术之一。
永磁偏置的电磁轴承利用永磁体产生的偏置磁场取代了传统的电磁偏置磁轴承由偏置电流产生的电磁场，因此可以消除由偏置电流所带来的磁轴承线圈定子绕组铜耗和减小开关功放损耗，并可以减小电磁铁安匝数，减小电磁轴承体积等优点，所以研究永磁偏置的电磁轴承是电磁轴承的一个重要研究方向。尽管永磁偏置的电磁轴承控制系统可以大大降低开关功放的损耗，但是采用传统的两电平PWM开关功放的输出电流纹波很大，仍然会在电磁轴承中产生较大的铁耗和铜耗，如何减小电流纹波成为实现电磁轴承开关功放低纹波损耗的关键。
现有的电磁轴承开关功率放大器的缺点就是电流纹波大在电磁轴承中会产生重复磁化损耗。通常可以提高开关功率放大器的开关频率来减小输出电流的纹波，但是带来的一个新问题就是在减小了输出电流纹波的同时，也增加了由于功率开关管频繁开关带来的开关损耗。
发明内容
本发明的目的是：克服现有电磁轴承开关功率放大器的输出电流纹波大的不足，在不提高开关频率的条件下，提供一种输出纹波电流小的电磁轴承开关功率放大器。
本发明的技术解决方案是：一种用于永磁偏置电磁轴承的低纹波开关功率放大器，它包括脉冲宽度调制信号产生电路(1)、光耦隔离及开关驱动电路(2)、全桥主电路(3)以及电流检测电路(4)。电流给定信号和电流检测电路(4)检测到电磁轴承线圈中的电流信号所产生的误差信号连接到脉冲宽度调制信号产生电路(1)。脉冲宽度调制信号电路(1)产生的4路PWM信号连接到光耦隔离及开关驱动电路(2)。光耦隔离及开关驱动电路(2)的开关驱动输出信号直接通过控制全桥主电路(3)两个桥臂上的四个功率开关管的导通与关断，可以在电磁轴承线圈上出现三种电压状态，从而在电磁轴承线圈中生成与电流给定信号成比例的电流输出信号。
本发明的原理是：利用三电平PWM调制的原理，结合电磁轴承开关功率放大器这个具体对象，设计出能够解决现有开关功放输出电流纹波大的PWM波形发生电路。该电路的输出信号经过光耦隔离以及开关驱动电路，直接控制全桥主电路两个桥臂上的四只功率开关管的导通与关断，从而达到控制电磁轴承线圈电流的目的，并且降低了输出电流的纹波。
本发明与现有电磁轴承开关功率放大器相比的优点在于：本发明利用了一种新型的三电平PWM调制的方式来实现脉宽调制信号的产生，与现有电磁轴承开关功率放大器普遍采用的两电平PWM调制的方式相比，并没有增加电路实现的复杂程度，电路结构简单，且容易通过硬件电路实现。本发明在不增加开关频率以及不影响电磁轴承线圈电流快速跟踪电流控制信号的前提下，来减小电磁轴承线圈的输出电流纹波。本发明所采用的三电平PWM调制方式的波形产生灵活，电路设计简单，既可以采用硬件电路实现，也可以采用软件编程进行数字方法实现。
附图说明
图1为本发明的一种新型电磁轴承开关功率放大器的电路结构框图；
图2为本发明的电磁轴承开关功率放大器的开关状态电路图；
图3为本发明的电磁轴承开关功率放大器的PWM信号发生电路图。
具体实施方式
本发明电路结构框图如图1所示，它可分为四大部分，即脉冲宽度调制信号产生电路、光耦隔离及开关驱动电路、全桥主电路以及电流检测电路。脉冲宽度调制信号产生电路是本发明的关键组成部分，本发明采用由分立元件搭成的模拟电路和数字电路实现，也可以通过软件编程来进行数字实现。光耦隔离电路采用芯片6N137，开关驱动电路采用芯片IR2110。电流检测电路采用LEM公司的电流传感器LA28-NP。
以下结合附图2，对本发明所采用的PWM调制电路原理进行说明。
对电磁轴承开关功率放大器而言，通过对全桥主电路两个桥臂的四个功率开关管T1、T2、T3、T4的导通和关断进行控制，可使电磁轴承线圈电流的控制出现八种状态，如图2所示，其中T1与T4、T2与T3的开关状态互补。针对不同极性的输出电流，具体分析如下：
(1)电流输出大于零
正向充电状态如图2(a)所示，功率开关管T1、T4导通。在这种开关状态下，直流母线电源向电磁轴承线圈快速充电，电流迅速上升，线圈两端的输出电压为U。
正向自由续流状态如图2(b)和图2(c)所示，这两种开关状态是等效的。当T1导通，T4关断时，线圈电流通过T1、D2形成自由续流回路。当T1关断，T4导通时，线圈电流通过T4、D3形成自由续流回路。此时直流母线电源与电磁轴承线圈之间不存在能量交换，线圈中的电流几乎保持不变，线圈两端的输出电压为0。
正向放电状态如图2(d)所示，电磁轴承线圈通过D2、D3与直流母线相连。此时电磁轴承线圈向直流母线回馈能量，线圈中的电流迅速减小，线圈两端的输出电压为-U。
(2)电流输出小于零
当电流输出小于零时，电路也包括三种状态。反向充电状态如图2(e)所示，此时线圈两端的输出电压为-U。反向自由续流状态如图2(f)和图2(g)所示，这两种开关状态也是等效的。在此种状态下，线圈两端的输出电压为0。反向放电状态如图2(h)所示，此时线圈的输出电压为U。
由以上分析可知，通过控制全桥主电路的四个功率开关管的导通与关断，线圈的输出电压出现三种状态，即：U、O、-U三种电平，故称之为三电平PWM调制方式。
图3为本发明的PWM信号发生电路图。它由运算放大器(IC1和IC2)、电压比较器(IC3和IC4)、反向器(IC5)、与门(IC6)、电阻(R1～R10)、电容(C1～C4)、电位器(W1～W4)以及二极管(D1～D4)组成。在电磁轴承开关功放处于闭环控制时，将电流给定信号和电流反馈信号所产生的误差信号分别加到IC1的同相端和IC2的反相端，由双极性三角波发生器产生的载波信号同时加到IC1和IC2的同相端。理论上，IC1的输出信号加到IC3的同相端和零比较得到脉宽调制信号PWM1，IC2的输出信号加到IC4的反相端和零比较得到脉宽调制信号PWM4，再分别将PWM1和PWM4反相就可得到PWM3和PWM2。但是，在电磁轴承开关功放当中，跨接在直流母线电源两端的上、下两个开关管的控制信号始终相位相反而处于交替导通状态。由于功率开关管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间，这段时间内开关管并未完全关断。如果在此期间另一只开关管已经导通，则会造成桥路一侧桥臂上的上下两只管子直通，从而使电源短路。为了避免这种情况的发生，设置了由如图3中所示的RC电路构成的逻辑延时环节，保证在对一个管子发出关闭脉冲后，延时一段时间后再发出对另一只管子的开通脉冲。这四路脉宽调制信号(PWM1～PWM4)经过光耦和全桥驱动电路就可得到驱动四只功率开关管的控制信号(ug1～ug4)。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的
现有技术。

Claims (3)

1、一种用于永磁偏置电磁轴承的低纹波开关功率放大器，其特征在于：它包括脉冲宽度调制信号产生电路(1)、光耦隔离及开关驱动电路(2)、全桥主电路(3)以及电流检测电路(4)，电流检测电路(4)检测到电磁轴承线圈中的电流信号和给定的电流信号所产生的误差信号连接到脉冲宽度调制信号产生电路(1)；脉冲宽度调制信号电路(1)产生的四路PWM信号连接到光耦隔离及开关驱动电路(2)；光耦隔离及开关驱动电路(2)的开关驱动输出信号直接通过控制全桥主电路(3)两个桥臂上的四个功率开关管的导通与关断，可以在电磁轴承线圈上出现三种电压状态，从而在电磁轴承线圈中生成与电流给定信号成比例的电流输出信号。
2、根据权利要求1所述的永磁偏置电磁轴承的低纹波开关功率放大器，其特征在于：所述的脉冲宽度调制信号产生电路(1)由硬件电路完成，电路结构简单且易实现。
3、根据权利要求1或2所述的用于永磁偏置电磁轴承的低纹波开关功率放大器，其特征在于：所述的脉冲宽度调制信号产生电路(1)它由运算放大器(IC1和IC2)、电压比较器(IC3和IC4)、反向器(IC5)、与门(IC6)、电阻(R1～R10)、电容(C1～C4)、电位器(W1～W4)以及二极管(D1～D4)组成，在电磁轴承开关功率放大器处于闭环控制时，将电流给定信号和电流反馈信号所产生的误差信号分别加到IC1的同相端和IC2的反相端，由双极性三角波发生器产生的载波信号同时加到IC1和IC2的同相端，IC1的输出信号加到IC3的同相端和零比较得到脉宽调制信号PWM1，IC2的输出信号加到IC4的反相端和零比较得到脉宽调制信号PWM4，再分别将PWM1和PWM4反相就可得到PWM3和PWM2。
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