CN217761727U - 一种磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器，采用简单的元器件实现控制轴承线圈L1的输入功率，从而使本功率放大器自身的功率消耗得到降低，同时也减少了本功率放大器的生产成本；另外，本功率放大器整体采用模块化电路的设计思路，使得放大器的整体体积得到减小。

Description

一种磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器

技术领域

本实用新型涉及磁悬浮技术领域，尤其是涉及一种磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器。

背景技术

磁悬浮轴承控制系统普遍采用开关型功率放大器，而功率放大器一般采用DSP或FPGA这类数字控制的方法来生成PWM控制信号，该方法虽然在功率放大器功率较大，或者输出路数较多时，具有良好的控制能力，但是对于小功率，或者输出路数较少的应用场合来说，采用该方法就会存在增加电路功耗和系统成本的问题；因此，综上所述，目前市场上需要一种 功耗较小的功率放大器。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本实用新型公开了一种磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器。

为实现上述发明目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器，包含依次串联的H桥功率主电路、电流采样电路、误差放大电路、PWM调制电路和驱动电路；所述H桥功率主电路包含第一桥臂、第二桥臂和轴承线圈L1,轴承线圈L1的一端接于第一桥臂的中间节点，另一端接于第二桥臂的中间节点；

所述第一桥臂的上管设有开关管Q1，下管设有续流二极管D1，续流二极管D1的阴极连接开关管Q1的源极；第二桥臂下管设置开关管Q2，上管设置续流二极管D2，续流二极管D2的阳极连接开关管Q2的漏极；所述开关管Q1的漏极连接至直流母线正极，开关管Q2的源极连接至直流母线负极，开关管Q1和开关管Q2的栅极均与驱动电路相连；

所述电流采样电路用于采集轴承线圈L1的当前工作电流值，得到电流采样信号IF；

所述误差放大电路用于对电流采样信号IF与给定信号IG进行比较放大，并进过PI调节，得到误差放大信号EO；

所述PWM调制电路将误差放大信号EO与两路三角波载波信号进行比较得到两路PWM信号；

所述驱动电路将两路PWM信号隔离变换为两路驱动信号，两路驱动信号分别与开关管Q1和开关管Q2的栅极一一对应相连。

优选的，所述本功率放大器设有保护电路，保护电路包含判断回路和执行回路，所述判断回路用于将各电路中的采样数值与给定阈值相比较，得出的比较信号传输至执行回路中的三极管，由三极管控制PWM调制电路的通断。

优选的，所述判断回路设为过流判断回路，该回路包含两个运算放大器，第一运算放大器用作电压跟随器，用于采样电流反馈信号并跟随输出以提高抗干扰能力，第二运算放大器用作比较器，用于比较电流反馈信号和阈值信号；其中电压跟随器的输出与比较器的同相输入端相连，比较器的反相输入端用于输入阈值信号Iocp，比较器的输出端与执行回路的三极管基极相连。

优选的，所述H桥功率主电路设有电流互感器，所述判断回路设为短路判断回路，短路判断回路设为第三运算放大器，该第三运算放大器的同相输入端用于输入电流互感器采样得到的电流采样信号IS，第三运算放大器的反相输入端用于输入阈值信号Iscp，第三运算放大器的输出脚与执行电路中三极管的第二引脚相连。

优选的，所述各电路的半导体元件均设有NTC热敏电阻，所述判断回路设为过温判断回路，过温判断回路设为第四运算放大器，第四运算放大器的同相输入端用于输入NTC热敏电阻得到温度采样信号VT，第四运算放大器的反相输入端用于输入阈值信号Votp，第四运算放大器的输出脚与执行电路中三极管的第二引脚相连。

优选的，所述H桥功率主电路设有辅助回路；辅助回路包含单片机、温度传感器、数码管和风扇，所述单片机能够采集流经轴承线圈L1的电流，温度传感器能够采集本放大器整体所处的温度，数码管能够显示单片机采集的电流值和温度传感器采集的温度值，单片机能够根据温度传感器采集的温度值大小控制风扇转速。

由于采用如上所述的技术方案，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型公开的一种磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器，采用简单的元器件实现控制轴承线圈L1的输入功率，从而使本功率放大器自身的功率消耗得到降低，同时也减少了本功率放大器的生产成本；另外，本功率放大器整体采用模块化电路的设计思路，使得放大器的整体体积得到减小；

此外，本当轴承线圈中的电流发生变化时，通过本功率放大器的闭环负反馈来调节H桥功率主电路中开关管的占空比，使得轴承线圈电流跟随并接近电流给定。

附图说明

图1为本实用新型的一种结构示意图；

图2为H桥功率主电路结构示意图；

图3为电流采样电路结构示意图；

图4为误差放大电路结构示意图

图5为PWM调制电路结构示意图

图6为驱动电路结构示意图

图7为保护电路结构示意图。

图中：1、H桥功率主电路；101、第一桥臂；102、第二桥臂；2、电流采样电路；3、误差放大电路；4、PWM调制电路；5、驱动电路；6、保护电路；601、过流判断回路；602、短路判断回路；603、过温判断回路；604、执行回路。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型的技术方案进行说明，在描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系，仅是与本实用新型的附图对应，为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位：

结合附图1-7所述的一种磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器，包含依次串联的H桥功率主电路1、电流采样电路2、误差放大电路3、PWM调制电路4和驱动电路5；所述H桥功率主电路1包含第一桥臂101、第二桥臂102和轴承线圈L1,轴承线圈L1的一端接于第一桥臂101的中间节点，另一端接于第二桥臂102的中间节点；

所述第一桥臂101的上管设有开关管Q1，下管设有续流二极管D1，续流二极管D1的阴极连接开关管Q1的源极；第二桥臂102下管设置开关管Q2，上管设置续流二极管D2，续流二极管D2的阳极连接开关管Q2的漏极；所述开关管Q1的漏极连接至直流母线正极，开关管Q2的源极连接至直流母线负极，开关管Q1和开关管Q2的栅极均与驱动电路5相连；所述开关管Q1工作在高频开关状态，当开关管Q1和开关管Q2同时导通时，电流通过开关管Q1 ，开关管Q2流入轴承线圈L1，此时轴承线圈L1中电流上升；当开关管Q1关断，开关管Q2导通时，轴承线圈L1中电流通过开关管Q2和续流二极管D1进行续流，进而维持轴承线圈L1中电流基本不变；当开关管Q1和开关管Q2同时关断时，轴承线圈L1中电流通过续流二极管D2和续流二极管D1进行续流，轴承线圈L1中电流下降；通过控制开关管Q1和开关管Q2的导通和关断，即可控制轴承线圈L1中电流的上升和下降；同时通过调节开关管Q1和开关管Q2的导通时间就可以调节轴承线圈L1中电流的大小；

所述电流采样电路2用于采集轴承线圈L1的当前工作电流值，得到电流采样信号IF，其中电流信号采样是通过两个运算放大器及相应的采样电阻构成，第一运算放大器将电流采样信号IF进行放大，第二运算放大器作用跟随器，将来自于第一运算放大器的输出信号进行跟随输出以提高抗干扰能力，通过两个运算放大器能够提高采样结果的精确度；

所述误差放大电路3用于对电流采样信号IF与给定信号IG进行比较放大，并进过PI调节，得到误差放大信号EO，其中误差放大电路4由四个运算放大器构成，且电流采样信号IF通过该电路中的第一运算放大器跟随输出，给定信号IG通过第二放大器跟随输出，并经电阻分压衰减后由第三运算放大器跟随输出，两信号在第四个运算放大器中进行PI调节,最终得到误差放大信号；

所述PWM调制电路4将误差放大信号EO与两路三角波载波信号进行比较得到两路PWM信号，其中误差放大信号和三角波载信号通过比较器比较后经与门输出，与门的另一输入脚用于接收来自保护电路的保护触发信号，当电路正常工作时，两路PWM信号经与门正常输出，当电路发生过流，短路或过温故障时，与门接收到自保护电路的保护触发信号，关断PWM信号输出，达到保护的目的，两路PWM信号均为独立信路；

所述驱动电路5将两路PWM信号隔离变换为两路驱动信号，两路驱动信号分别与开关管Q1和开关管Q2的栅极一一对应相连，两路驱动信号之间同样为相互独立的关系，而通过驱动信号能够分别控制对应桥臂的输出功率，即控制轴承线圈的输入功率；

此外，所述本功率放大器设有保护电路6，保护电路6包含判断回路和执行回路604，所述判断回路用于将各电路中的采样数值与给定阈值相比较，得出的比较信号传输至执行回路604中的三极管，由三极管控制PWM调制电路4的通断，即当电路中的采样数值大于相应的阈值时，比较器发生翻转，三极管将断开，同时闭锁PWM信号，达到对本系统进行保护的目的；

根据需要，所述判断回路具有三个实施例，三个实施例中的判断回路均与同一执行回路604相连，其中第一实施例为：所述判断回路设为过流判断回路601，用于判断电流采样电路2中经过的电流是否过大，该回路包含两个运算放大器，第一运算放大器用作电压跟随器，用于采样电流反馈信号并跟随输出以提高抗干扰能力，第二运算放大器用作比较器，用于比较电流反馈信号和阈值信号；其中电压跟随器的输出与比较器的同相输入端相连，比较器的反相输入端用于输入阈值信号Iocp，比较器的输出端与执行回路的三极管基极相连，其中通过比较器对电流采样信号IF与过流阈值Iocp进行比较，当IF大于Iocp时，比较器发生翻转，闭锁PWM信号达到过流保护的目的；

第二实施例为:所述H桥功率主电路1设有电流互感器，所述判断回路设为短路判断回路602，用于判断H桥功率主电路1中是否有发生短路，短路判断回路602设为第三运算放大器，该第三运算放大器的同相输入端用于输入电流互感器采样得到的电流采样信号IS，第三运算放大器的反相输入端用于输入阈值信号Iscp，第三运算放大器的输出脚与执行电路中三极管的第二引脚相连，其中通过第三运算放大器对IS与短路电流阈值Iscp进行比较，当IS大于Iscp时，比较器发生翻转，闭锁PWM信号，达到短路保护的目的；

第三实施例为：所述各电路的半导体元件均设有NTC热敏电阻，所述判断回路设为过温判断回路603，用于判断各电路中的半导体功率器件是否在工作中有温度过高的情况，过温判断回路603设为第四运算放大器，第四运算放大器的同相输入端用于输入NTC热敏电阻得到温度采样信号VT，第四运算放大器的反相输入端用于输入阈值信号Votp，第四运算放大器的输出脚与执行电路中三极管的第二引脚相连，其中第四运算放大器对温度采样信号VT与过温保护阈值Votp进行比较，当VT大于Votp时，比较器发生翻转，闭锁PWM信号，达到过温保护的目的；

此外，所述H桥功率主电路1设有辅助回路；辅助回路包含单片机、温度传感器、数码管和风扇，所述单片机能够采集流经轴承线圈L1的电流，温度传感器能够采集本放大器整体所处的温度，数码管能够显示单片机采集的电流值和温度传感器采集的温度值，单片机能够根据温度传感器采集的温度值大小控制风扇转速，当环境温度较低时，单片机减小风扇的出风量，当环境温度较高时，单片机再加大风扇的出风量，从而使本辅助回路具有节约能源和降低功耗的优点。

本实用新型未详述部分为现有技术，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器，其特征是：包含依次串联的H桥功率主电路（1）、电流采样电路（2）、误差放大电路（3）、PWM调制电路（4）和驱动电路（5）；所述H桥功率主电路（1）包含第一桥臂（101）、第二桥臂（102）和轴承线圈L1,轴承线圈L1的一端接于第一桥臂（101）的中间节点，另一端接于第二桥臂（102）的中间节点；

所述第一桥臂（101）的上管设有开关管Q1，下管设有续流二极管D1，续流二极管D1的阴极连接开关管Q1的源极；第二桥臂（102）下管设置开关管Q2，上管设置续流二极管D2，续流二极管D2的阳极连接开关管Q2的漏极；所述开关管Q1的漏极连接至直流母线正极，开关管Q2的源极连接至直流母线负极，开关管Q1和开关管Q2的栅极均与驱动电路（5）相连；

所述电流采样电路（2）用于采集轴承线圈L1的实际电流值，得到电流采样信号IF；

所述误差放大电路（3）用于对电流采样信号IF与给定信号IG进行比较放大，并进过PI调节，得到误差放大信号EO；

所述PWM调制电路（4）将误差放大信号EO与两路三角波载波信号进行比较得到两路PWM信号；

所述驱动电路（5）将两路PWM信号隔离变换为两路驱动信号，两路驱动信号分别与开关管Q1和开关管Q2的栅极一一对应相连。

2.如权利要求1所述的磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器，其特征是：所述本功率放大器设有保护电路（6），保护电路（6）包含判断回路和执行回路（604），所述判断回路用于将各电路中的采样数值与给定阈值相比较，得出的比较信号传输至执行回路（604）中的三极管，由三极管控制PWM调制电路（4）的通断。

3.如权利要求2所述的磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器，其特征是：所述判断回路设为过流判断回路（601），该回路包含两个运算放大器，第一运算放大器用作电压跟随器，用于采样电流反馈信号并跟随输出以提高抗干扰能力，第二运算放大器用作比较器，用于比较电流反馈信号和阈值信号；其中电压跟随器的输出与比较器的同相输入端相连，比较器的反相输入端用于输入阈值信号Iocp，比较器的输出端与执行回路的三极管基极相连。

4.如权利要求2所述的磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器，其特征是：所述H桥功率主电路（1）设有电流互感器，所述判断回路设为短路判断回路（602），短路判断回路（602）设为第三运算放大器，该第三运算放大器的同相输入端用于输入电流互感器采样得到的电流采样信号IS，第三运算放大器的反相输入端用于输入阈值信号Iscp，第三运算放大器的输出脚与执行电路中三极管的第二引脚相连。

5.如权利要求2所述的磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器，其特征是：所述各电路的半导体元件均设有NTC热敏电阻，所述判断回路设为过温判断回路（603），过温判断回路（603）设为第四运算放大器，第四运算放大器的同相输入端用于输入NTC热敏电阻得到温度采样信号VT，第四运算放大器的反相输入端用于输入阈值信号Votp，第四运算放大器的输出脚与执行电路中三极管的第二引脚相连。

6.如权利要求1所述的磁悬浮轴承控制系统用的功率放大器，其特征是：所述H桥功率主电路（1）设有辅助回路；辅助回路包含单片机、温度传感器、数码管和风扇，所述单片机能够采集流经轴承线圈L1的电流，温度传感器能够采集本放大器整体所处的温度，数码管能够显示单片机采集的电流值和温度传感器采集的温度值，单片机能够根据温度传感器采集的温度值大小控制风扇转速。

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