特種電機磁力軸承開關(guān)功率放大器的研究

崔 紅 高有清

（1、遼寧省交通高等專科學(xué)校，遼寧 沈陽110122 2、沈陽光大環(huán)保科技股份有限公司，遼寧 沈陽110026）

磁力軸承是一種利用電磁鐵產(chǎn)生的電磁力支承懸浮轉(zhuǎn)子的一種支承形式，能夠?qū)崿F(xiàn)軸向控制和定位。磁力軸承的優(yōu)點是無摩擦損耗、不需要潤滑、使用壽命長、控制精度較高等。磁力軸承在高速機床、高速電機、儲能飛輪等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。磁力軸承主要由控制器、功率放大器、軸承本體、位移傳感器等部分組成。

1 磁力軸承系統(tǒng)及開關(guān)功率放大器的組成

功率放大器在磁力軸承系統(tǒng)中是執(zhí)行單元的組成部分，功率放大器為磁力軸承定子線圈提供電流，驅(qū)動電磁鐵產(chǎn)生電磁力使轉(zhuǎn)子懸浮。磁力軸承系統(tǒng)的精度和動態(tài)性能與功率放大器關(guān)系較大。磁力軸承功率放大器有線性和開關(guān)功率放大器不同類型。線性功率放大器在小功率場合比較適合，其損耗較大，效率較低。而開關(guān)功率放大器的損耗比較小，對于功率大于600W的場合應(yīng)用較多。開關(guān)功率放大器有兩電平式和三電平式。本文設(shè)計了一種三電平PWM 開關(guān)功率放大器以減少電流紋波，減小電磁干擾。磁力軸承系統(tǒng)的框圖如圖1 所示。

圖1 磁力軸承系統(tǒng)框圖

三電平PWM 開關(guān)功率放大器系統(tǒng)主要由電流調(diào)節(jié)器、脈沖發(fā)生器、脈沖移相器、隔離驅(qū)動器、電流傳感器等環(huán)節(jié)組成。

電流調(diào)節(jié)器的作用是使功率放大器的電流信號能及時跟蹤控制器發(fā)出的控制信號。本研究中的電流調(diào)節(jié)器采用PID 型調(diào)節(jié)器。脈沖發(fā)生器是開關(guān)功率放大器的核心部分，電流調(diào)節(jié)器的輸出信號輸入到脈沖發(fā)生器中。脈沖移相器的作用是把兩路相同脈寬波形中一路信號的相位移動一個角度以移相。開關(guān)功率放大器系統(tǒng)中隔離驅(qū)動器的作用是把強電和弱電隔離，在主電路和驅(qū)動電路之間通過采取隔離的措施，防止主電路的干擾竄到控制電路。本研究中隔離驅(qū)動器件采用TLP250。電流傳感器的作用是檢測電路線圈電流，構(gòu)成閉環(huán)反饋回路，進而提高控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。

2 磁力軸承開關(guān)功率放大器的調(diào)制方式

磁力軸承開關(guān)功率放大器的電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該電路由PWM 信號發(fā)生電路、隔離驅(qū)動電路、電流傳感器、主電路等部分組成。

圖2 磁力軸承開關(guān)功率放大器的電路拓撲結(jié)構(gòu)圖

兩電平開關(guān)功率放大器，兩路脈沖同時觸發(fā)主電路開關(guān)管VT1、VT4。由于兩路觸發(fā)脈沖同步，因此VT1、VT4 同步導(dǎo)通或關(guān)斷。當開關(guān)管VT1、VT4 的開關(guān)頻率增高時，不僅損耗增大，而且還會使電流紋波變大，引起高速電機轉(zhuǎn)子位置波動較大。三電平開關(guān)功率放大器和兩電平開關(guān)功率放大器的主要區(qū)別是VT4 比VT1 的觸發(fā)脈沖有延遲，可以避免VT1 和VT4 同時開通與關(guān)斷，可以大大減小電流紋波，提高抗干擾能力和響應(yīng)能力。

3 磁力軸承三電平開關(guān)功率放大器的工作狀態(tài)

本研究中采用的半橋三電平開關(guān)功率放大器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 虛線框中所示。圖中功率開關(guān)器件采用絕緣柵雙極型晶體管IRFP450，R 為磁力軸承線圈的等效電阻，L 為等效電感。三電平開關(guān)功率放大器的工作狀態(tài)分為充電、續(xù)流以及放電狀態(tài)。三電平開關(guān)功率放大器的工作狀態(tài)示意如圖3 所示。

圖3 三電平開關(guān)功率放大器的狀態(tài)示意圖

3.1 充電狀態(tài)

如圖3（a）所示，此時VT1 和VT4 導(dǎo)通，電流增大。該狀態(tài)下線圈的電流為：

3.2 續(xù)流狀態(tài)

如圖3（c）和圖3（d）所示，此時VT1 和VT4 只有一個開關(guān)管導(dǎo)通，線圈電流通過VT1、R、L 和VD2 或者VD3、R、L 和VT4續(xù)流，電流逐漸減小。續(xù)流狀態(tài)會影響電流波形，減小電流紋波。線圈電流為：

3.3 放電狀態(tài)

如圖3（b）所示，此時VT1 和VT4 關(guān)斷，電流減小。該狀態(tài)下線圈的電流為：

式中VD為續(xù)流二極管導(dǎo)通時的電壓降。通過改變不同時間段充放電狀態(tài)的持續(xù)時間，能夠?qū)崿F(xiàn)對線圈平均電流的控制。

三電平開關(guān)功率放大器中的狀態(tài)改變沒有兩電平開關(guān)功率放大器中的狀態(tài)改變劇烈，電流波動也小，進而加快了磁力軸承的響應(yīng)速度。

4 開關(guān)功率放大器的電流紋波

開關(guān)功率放大器的工作狀態(tài)切換時在負載線圈中將會產(chǎn)生電流紋波，使磁力軸承的轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生波動。圖4 為采用兩電平開關(guān)功率放大器輸出電流為0.7A 時的實驗波形。圖5 為采用三電平開關(guān)功率放大器輸出電流為0.7A 時的實驗波形。

圖4 兩電平電流紋波實驗結(jié)果

圖5 三電平電流紋波實驗結(jié)果

從圖4 和圖5 可知，盡管兩電平主電路開關(guān)頻率大于三電平開關(guān)頻率，但兩電平電流紋波卻大于三電平電流紋波。表明兩電平開關(guān)功放電流紋波和主電路電壓有關(guān)，三電平開關(guān)功放和主電路電壓無關(guān)。

結(jié)束語

對于高速電機磁力軸承系統(tǒng)，研究了開關(guān)功率放大器的結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式以及三電平開關(guān)功率放大器的工作狀態(tài)。對三電平開關(guān)功放各工作狀態(tài)進行了分析，并對開關(guān)功率放大器的電流紋波進行了實驗研究。實驗結(jié)果說明兩電平電流紋波與主電路電壓有關(guān)，三電平與主電路電壓無關(guān)。三電平開關(guān)功率放大器的電流紋波比兩電平小很多，采用三電平開關(guān)功率放大器可以減小電流諧波，提高控制精度。