專利名稱：多路輸出的磁軸承開關(guān)功率放大器及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的多路輸出磁軸承開關(guān)功率放大器及其控制方法屬開關(guān)功率放大器。
二、技術(shù)背景目前磁軸承系統(tǒng)廣泛采用開關(guān)功率放大器，這些開關(guān)功放的功率轉(zhuǎn)換電路多為半橋、改進(jìn)半橋或全橋結(jié)構(gòu)，每套功放都需要獨(dú)立的的控制電路，并且只能驅(qū)動磁軸承一個自由度的線圈。如果要使一根轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)五自由度的懸浮則需要五套這種功放，這樣五套獨(dú)立的控制電路和功率轉(zhuǎn)換電路將使功放部分的體積變得比較龐大，復(fù)雜程度高，可靠性低，并且功率管較多，損耗較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足研制一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、損耗小且功放的各路輸出相互獨(dú)立，互不干擾的多路輸出磁軸承開關(guān)功率放大器。
實現(xiàn)上述目的多路輸出磁軸承開關(guān)功率放大器，包括調(diào)理電路連接于電流控制器，電流控制器的輸出經(jīng)驅(qū)動電路連于四橋臂功率轉(zhuǎn)換電路，四橋臂功率轉(zhuǎn)換電路的輸出經(jīng)電流檢測電路與三路負(fù)載相連。
其中，四橋臂功率轉(zhuǎn)換電路中連接于直流母線之間的每個橋臂均由兩個開關(guān)管串聯(lián)組成，每個開關(guān)管反并一快恢復(fù)二極管，第一個橋臂作為公共橋臂，其節(jié)點與三路負(fù)載的一端相連，后面三個橋臂的節(jié)點連接與三路負(fù)載的另一端。該四橋臂功率轉(zhuǎn)換電路的三路輸出電壓是通過控制四個橋臂的節(jié)點電位來實現(xiàn)的，而由各節(jié)點的電位可以直接獲得各路開關(guān)信號的占空比，以生成開關(guān)信號。通過不斷地改變?nèi)份敵鲭妷壕涂梢钥刂迫坟?fù)載的電流跟蹤各自給定信號的變化。
由于四個節(jié)點電位并不是唯一確定的，因此給功放輸出性能的優(yōu)化帶來了很大的空間。如果令各節(jié)點電位中的最大值和最小值對稱分布在1/2直流母線電壓的兩側(cè)(即兩者的平均值為1/2直流母線電壓)，就可以使各路輸出電流的紋波最小；而如果使各節(jié)點電位的最大值為直流母線電壓或使各電位的最小值為0，那么總的開關(guān)次數(shù)將會減少1/3，總開關(guān)次數(shù)是各種方式下最少的。
本發(fā)明的多路輸出磁軸承開關(guān)功率放大器與現(xiàn)有的技術(shù)相比，所使用的開關(guān)管數(shù)目少，開關(guān)損耗小，效率和可靠性較高，同時還具有控制算法簡單直觀，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。
四

圖1是多路輸出的磁軸承開關(guān)功率放大器原理框圖。
圖1中的符號名稱。Ixr，Iyr，Izr三個給定電流；PWM1，PWM2，......，PWM88路開關(guān)信號；X，Y，Z磁軸承三個自由度的繞組。
圖2是四橋臂功率轉(zhuǎn)換電路原理圖。
圖2中符號名稱。Udc直流母線電壓；S1-S8開關(guān)管；D1-D8反并快恢復(fù)二極管；n，x，y，z各個橋臂的節(jié)點；X，Y，Z磁軸承三個自由度的繞組。
五、具體實施方法圖1是本發(fā)明的組成框圖，圖中與給定信號Ixr，Iyr，Izr相連的調(diào)理電路1由運(yùn)算放大器搭成，電流控制電路采用數(shù)字信號處理器DSP，驅(qū)動電路3為開關(guān)管的專用驅(qū)動芯片，電流檢測電路5包括三個電流傳感器和由運(yùn)放構(gòu)成的信號調(diào)理電路，以上電路均為現(xiàn)有技術(shù)，負(fù)載6是磁軸承3個自由度的繞組X，Y，Z。四橋臂功率轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，也為現(xiàn)有技術(shù)。
本發(fā)明的工作過程是調(diào)理電路1將三路負(fù)載X，Y，Z的給定信號Ixr，Iyr和Izr進(jìn)行處理后送給電流控制器2，電流控制器2再對由電流檢測電路5得到各路輸出電流信號采樣，并與各自的給定信號比較計算出需要輸出的電壓Ux，Uy，Uz，然后根據(jù)需要確定各橋臂節(jié)點的電位Vn，Vx，Vy，Vz，生成開關(guān)信號PWM1，PWM2，...，PWM8控制各開關(guān)管S使得輸出電流始終跟隨給定電流Ixr，Iyr和Izr的變化。
對于附圖2中的四橋臂功率轉(zhuǎn)換電路目前有很多的控制方法，像電壓空間矢量(SVPWM)控制和最大電流誤差控制等，這些控制算法要么實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，要么輸出電流的紋波比較大。而本發(fā)明在這種電路拓?fù)涞男滦凸Ψ胖胁捎昧艘环N簡單易行的控制方案，就是通過控制四個節(jié)點n，x，y，z的電位Vn，Vx，Vy，Vz來得到所需的輸出電壓Ux，Uy，Uz，這是因為Vx-Vn＝Ux，Vy-Vn＝Uy，Vz-Vn＝Uz，整理后可得到如下的方程-10010-10100-11VxVyVzVn=UxUyUz]]>式中Vi＝Udc*Di(i＝n，x，y，z)，其中Udc是直流母線電壓，Di是i橋臂上管開關(guān)信號的占空比。
如果合理的選取Di則可使各節(jié)點電位Vi在區(qū)間
內(nèi)，這樣就可以控制輸出電壓Ux，Uy，Uz，使輸出電流Ix，Iy，Iz很好地跟蹤給定信號。
上面方程得解并不唯一，如果令Vn，Vx，Vy，Vz中最大電位和最小電位對稱分布在Udc/2兩側(cè)，即令min(Vi)+max(Vi)2=Udc2,]]>就可使各路輸出電流的紋波最小，這時各節(jié)點的電位可表示為Vn=12(Udc-min(Vi*)-max(Vi*))Vx=Ux+12(Udc-min(Vi*)-max(Vi*))Vy=Uy+12(Udc-min(Vi*)-max(Vi*))Vz=Uz+12(Udc-min(Vi*)-max(Vi*))]]>如果使最小電位等于零(或最大電位為直流母線電壓)，那么在每個控制周期內(nèi)總有一個橋臂的開關(guān)管是不動作的，這樣可使開關(guān)損耗再次降低。這兩種情形下的四個節(jié)點電位分別為
Vn=-min(Vi*)Vx=Ux-min(Vi*)Vy=Uy-min(Vi*)Vz=Uz-min(Vi*)]]>和Vn=Udc-max(Vi*)Vx=Ux+(Udc-max(Vi*))Vy=Uy+(Udc-max(Vi*))Vz=Uz+(Udc-max(Vi*)).]]>此四橋臂功放可有Udc，0和-Udc三種電平輸出，因此同普通三態(tài)(或三電平)開關(guān)功放一樣，具有輸出電流紋波小的優(yōu)點。這種新型的節(jié)點電位控制策略同樣也能用于三橋臂開關(guān)功放的控制，而且還可以推廣到更多橋臂的功率變換器的控制當(dāng)中。在控制器運(yùn)算速度允許的前提下，可以采用6橋臂(其中一個橋臂作為公共橋臂)的主功率電路同時驅(qū)動磁軸承5個自由度的繞組。
本發(fā)明中，由于這種新型功放有公共橋臂，因此所使用的開關(guān)管的數(shù)目將大為減少，相應(yīng)地也減少了開關(guān)損耗，功放的效率大大提高。相對于三個全橋結(jié)構(gòu)的磁軸承開關(guān)功放而言，總開關(guān)管的總數(shù)目減少了1/3；在開關(guān)頻率相同的情況下，總的開關(guān)損耗也將減少1/3，并且體積也減小很多。
雖然這種新型的開關(guān)功放具有公共橋臂，但是由于采用了控制各個橋臂節(jié)點電壓的控制方法可使功放的各路輸出相互獨(dú)立，互不干擾，并且能夠直接生成開關(guān)信號。
權(quán)利要求
1.一種多路輸出的磁軸承開關(guān)功率放大器，其特征在于，包括與給定信號相連的調(diào)理電路(1)連于電流控制器(2)，電流控制器(2)的輸出經(jīng)驅(qū)動電路(3)連于四橋臂功率轉(zhuǎn)換電路(4)，四橋臂功率轉(zhuǎn)換電路(4)的輸出經(jīng)電流檢測電路(5)與三路負(fù)載(6)相連，電流檢測電路的輸出與電流控制器(2)相連。
2.一種多路輸出的磁軸承開關(guān)功率放大器的控制方法，其特征在于，四橋臂功率轉(zhuǎn)換電路的控制方法是，通過控制每個橋臂兩個開關(guān)管串聯(lián)節(jié)點的點位，來直接獲得所需的三個輸出電壓，使輸出電流跟蹤給定信號的變化，直接生成開關(guān)信號。
全文摘要
一種多路輸出的磁軸承開關(guān)功率放大器及其控制方法屬開關(guān)功率放大器，包括信號調(diào)理電路(1)，電流控制器(2)，驅(qū)動電路(3)，四橋臂功率轉(zhuǎn)換電路(4)和電流檢測電路(5)，其中四橋臂功率轉(zhuǎn)換電路的(4)是通過控制每個橋臂的節(jié)點電位來實現(xiàn)三路獨(dú)立輸出，用以驅(qū)動磁軸承三個自由度的繞組，控制方法簡單易行。本功率放大器的三路輸出連接到一個公共橋臂，可以減少功率管的數(shù)目和開關(guān)損耗，同時可以降低功放的復(fù)雜程度，具有較大的經(jīng)濟(jì)和實用價值，對于磁軸承的推廣應(yīng)用具有較大的意義。
文檔編號H02N15/00GK1697303SQ20051004033
公開日2005年11月16日 申請日期2005年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者李祥生, 鄧智泉, 王曉琳 申請人:南京航空航天大學(xué)