一種基于三維空間矢量的磁軸承系統開關功率放大器，是一種用來對磁軸承線圈中的電流進行主動控制的裝置，其主要包括控制器、隔離驅動電路、四橋臂功率主電路、電流反饋檢測電路、信號調理電路、信號濾波電路。該數字開關功率放大器由控制器計算電流采樣值與電流期望值的誤差并進行死區實時修正之后進行基于三維空間矢量的PWM調制，再將調制完成的PWM信號經隔離驅動電路控制四橋臂功率主電路中功率開關管的導通與關斷，從而達到控制磁軸承線圈電流的目的。本發明專利技術實現了一種適用于磁軸承控制系統的數字開關功率放大器，減少了功率開關管的數量和輸出紋波電流的幅值，降低了電磁軸承的損耗。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種開關功率放大器，是一種基于三維空間矢量的磁軸承系統的開關功率放大器，用于對磁軸承線圈的輸出電流進行主動控制。
技術介紹
高速磁懸浮電動機由于采用磁懸浮軸承代替傳統的機械軸承，具有轉速高、無摩擦、無需潤滑、能量密度高、尺寸小等優點具有廣闊的應用前景。功率放大器作為高速磁懸浮電動機磁軸承控制系統的執行器，其能量消耗最大，減小功率放大器的能量損耗、提高集成度、增加可靠性是功率放大器設計的最主要目的之一。為了提高功率放大器的效率，高速磁懸浮電動機磁軸承控制系統普遍采用開關功率放大器。根據脈沖寬度調制信號產生電路的實現方式不同，磁軸承用開關功率放大器分 為模擬器件實現和數字實現兩種。現有的磁軸承控制系統功率放大器多采用圖I所示的全橋結構，采用傳統的兩電平PWM脈寬調制方法輸出電流紋波很大，在電磁軸承中產生較大的鐵耗和銅耗。在中國專利“ZL200510012131. 2”公開的“一種用于永磁偏置電磁軸承的低紋波開關功率放大器”中，采用模擬器件實現了三電平PWM脈寬調制的功能，降低了紋波損耗；但是采用模擬器件搭建的功率放大器損耗較大、體積較大，同時若要改變PWM調制方式必須進行硬件調整，使用不方便。在中國專利“200610114390. O”公開的“一種用于磁懸浮飛輪磁軸承系統的開關功率放大器”中，采用FPGA+DSP為控制器，采用三態PWM調制方式，數據處理能力強，電流紋波??；但其需要在下橋兩個功率開關管源極和參考地之間分別串接無感功率電阻，通過FPGA控制在回路續流時對電流信號進行采樣，控制方式復雜，編程實現困難。上述兩個專利均采用全橋結構，控制一個線圈均需要4個功率開關管，要實現5個線圈的磁軸承控制，需要20個功放管，造成體積和損耗均有所增加。在中國專利“200710120705. 7”公開的“一種用于磁軸承系統基于空間矢量的開關功率放大器”中，采用圖2所示的三橋臂結構作為主電路，采用FPGA+DSP作為控制器，利用二維空間矢量調制方法，大大降低了電流紋波損耗，而且中間橋臂被兩個磁軸承線圈所公用，減少了功率開關管的數量，減小了功放電路的體積；但是其開關管數量仍較多，功放電路體積仍較大，如果要進一步減小開關管的數量和功放電路的體積，該方法將受到限制，并且該方法只能實現二維空間內的矢量調整，同時其利用采樣電阻進行電流采樣，當供電電壓較高時隔離效果弱，安全性不高，抗干擾性亦不強。同時上述幾個專利均未考慮PWM死區對磁軸承電壓造成的影響，當死區時間較大，調制頻率比較高時，死區造成的電壓差值積累將不容忽視。
技術實現思路
本專利技術的技術解決問題克服現有技術存在的不足，提供一種基于三維空間矢量的磁軸承系統開關功率放大器，采用基于三維空間矢量的調制方式，減少了功率管的數量和功放電路的體積，降低了紋波的幅值，降低了磁軸承系統的損耗，同時具有響應速度快，編程靈活的特點；采用PWM死區實時補償的方法提高了控制精度；采用高精度的電流互感器作為電流反饋檢測電路，控制電(弱電)和功率電(強電)隔離效果好，安全性高，檢測精度高，抗干擾性強、響應帶寬高，易于實現。本專利技術的技術解決方案一種基于三維空間矢量的磁軸承系統開關功率放大器，主要包括控制器、隔離驅動電路、四橋臂功率主電路、電流反饋檢測電路、信號調理電路、信號濾波電路，其中控制器通過內部AD轉換接口對位移傳感器的位移信號和磁軸承三個線圈的電流反饋信號進行采樣，利用采集到的位移信號和磁軸承轉子參考位移信號做差，對磁軸承位置誤差信號按照控制算法計算，生成電流期望信號值，將電流期望信號值與電流反饋信號值進行做差，得到誤差大小，同時利用死區補償算法計算PWM死區時間積累導致的磁軸承線圈電壓上升值或者下降值，并將該上升值或者下降值轉換成電流修正值，用此電流修·正值對得到的誤差信號進行修正，對修正之后的誤差信號利用空間矢量算法進行PWM調制，輸出八路PWM信號(PWM1 PWM8)，送至隔離驅動電路；隔離驅動電路輸入與控制器輸出的PWM信號相連，輸出與四橋臂功率主電路相接，用于生成四橋臂功率主電路中功率開關管的柵極驅動信號；四橋臂功率主電路由隔離驅動電路輸出的柵極驅動信號控制上、下橋臂八個功率開關管的導通與關斷，從而在磁軸承的三個線圈中生成與控制器計算的期望電流控制量成比例的電流輸出；三個電流反饋檢測電路輸入與四橋臂功率主電路相接，輸出與調理電路相接，分別用于檢測四橋臂功率主電路的磁軸承的三個線圈電流反饋信號；信號調理電路輸出與信號濾波電路相接，用于對三個電流反饋檢測電路輸出的電流反饋信號進行電平偏移、放大或者縮??；信號濾波電路輸入與信號調理電路調理之后的信號進行連接，用于濾除輸入信號中的噪聲信號，輸出與控制器的AD轉換接口相接，在主控制器DSP的控制下，對信號濾波電路輸出的三個電流反饋信號進行采樣。所述的控制器由DSP和FPGA組成，其中DSP作為主控制器，主要負責完成磁軸承轉子位置信號控制算法、死區補償算法和三維空間矢量算法，FPGA作為DSP外圍的接口芯片，用作輔助控制器，主要用來接收DSP的命令，產生需要的PWM信號。DSP應用三維空間矢量法計算出四橋臂主電路上橋臂四個功率開關管期望的導通時間，并利用該導通時間計算出導通觸發時刻和關斷觸發時刻，并將關斷觸發時刻作為相應的比較值送至FPGA用來生成PWM信號，FPGA產生周期為T的三角載波計數，同時接受DSP送來的四個比較值分別與三角載波計數值進行比較得到上橋臂四個功率開關管的PWM信號PWMl PWM4，下橋臂四個功率開關管的信號PWM5 PWM8由PWMl PWM4經FPGA產生的死區邏輯和反相邏輯后得到。所述的死區補償算法步驟為①規定電流正方向從左至右，根據A、B、C、D四點的電流方向來計算各點補償前后的電壓差值Λ UA、Δ Ub, Δ Uc, Δ Ud,每個點電壓補償值的幅度均為Λ U=NX Tdead timeX T/U,其中N代表一個調制周期內載波的個數，隨著轉速的增加而減小，Tdead tiffle代表死區時間，U代表供電直流電壓的幅值，T代表載波周期。②流過A、B、C、D四點的電流分別為I” I2-I1' 13_12、-I3,當流過A、B、C、D四點的電流方向為正時，電壓補償值為正，當電流方向為負時，電壓補償值為負。所以A、B、C、D 四點的電壓補償值分別為 sign (I1) X Λ U、sign (I2-I1) X Λ U、sign (I3-I2) X Λ U、sign(-I3) X Λ U，其中Ip 12、I3分別代表流過線圈I、線圈2、線圈3的電流，sign表示符號 函數。③根據各點的電壓補償值計算三個線圈的電壓補償值分別為=AU1 =AUa-AUb,Δ U2= Δ Ub- Δ Uc^AU3= Λ Uc- Λ Ud，Λ UpA U2、Λ U3分別代表三個線圈的電壓補償值，并將三個電壓補償值分別除以線圈電阻值轉換成三個線圈的電流修正值Λ ΙρΛ Ι2、Λ 13。所述的三維空間矢量算法步驟為①主控制器DSP實時計算并利用死區補償算法進行死區修正得到磁軸承三個線圈的修正電流誤差值；②利用三個修正電流誤差值進行PID運算得到三維空間矢量期望的電壓調節量；③DSP根據得到的三維空間矢量期望的電壓調節量的大本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于三維空間矢量的磁軸承系統開關功率放大器，其特征在于包括：控制器（1）、隔離驅動電路（2）、四橋臂功率主電路（3）、電流反饋檢測電路（4）、信號調理電路（5）、信號濾波電路（6），其中：控制器（1）：通過控制器內部AD轉換接口對位移傳感器的位移信號和磁軸承三個線圈的電流反饋信號進行采樣，利用采集到的位移信號和磁軸承轉子參考位移信號做差，對磁軸承位置誤差信號按照控制算法計算，生成電流期望信號值，將電流期望信號值與電流反饋信號值進行做差，得到誤差大小，同時利用死區補償算法計算PWM死區時間積累導致的磁軸承線圈電壓上升值或者下降值，并將該上升值或者下降值轉換成電流修正值，用此電流修正值對得到的誤差信號進行修正，對修正之后的誤差信號利用空間矢量算法進行PWM調制，輸出八路PWM信號（PWM1～PWM8），送至隔離驅動電路（2）；隔離驅動電路（2）：輸入與控制器（1）輸出的PWM1～PWM8信號相連，輸出四橋臂功率主電路（3）中功率開關管VT1～VT8的柵極驅動信號S1～S8；四橋臂功率主電路（3）：采用八個功率開關管獨立控制三個線圈的拓撲結構，其中VT1與VT5構成第一橋臂；VT2與VT6構成第二橋臂；VT3與VT7構成第三橋臂；VT4與VT8構成第四橋臂，磁軸承線圈1接在第一橋臂與第二橋臂之間，線圈兩端點分別為A和B，線圈兩端電壓為UAB；磁軸承線圈2接在第二橋臂與第三橋臂之間，線圈兩端點分別為B和C，線圈兩端電壓為U？BC；磁軸承線圈3接在第三橋臂與第四橋臂之間，線圈兩端點分別為C和D，線圈兩端電壓為UCD，上橋臂功率開關管的驅動信號（S1、S2、S3、S4）分別與下橋臂功率開關管的驅動信號（S5、S6、S7、S8）反相并添加死區邏輯以防止上下橋臂直通；電流反饋檢測電路（4）：輸入接四橋臂功率主電路（3），輸出接信號調理電路（5），用于檢測四橋臂功率主電路（3）的磁軸承的三個線圈電流反饋信號；調理電路（5）：與信號濾波電路（6）相接，用于對三個電流反饋檢測電路（4）輸出的電流反饋信號進行電平偏移、放大或者縮小；信號濾波電路（6）：與信號調理電路（5）調理之后的信號相連接，用于濾除輸入信號中的噪聲信號，輸出的三個電流反饋信號接至控制器（1）的AD轉換口進行采集。...
【技術特征摘要】
1.一種基于三維空間矢量的磁軸承系統開關功率放大器，其特征在于包括控制器(I)、隔離驅動電路(2)、四橋臂功率主電路(3)、電流反饋檢測電路(4)、信號調理電路(5)、信號濾波電路(6),其中 控制器(I):通過控制器內部AD轉換接口對位移傳感器的位移信號和磁軸承三個線圈的電流反饋信號進行采樣，利用采集到的位移信號和磁軸承轉子參考位移信號做差，對磁軸承位置誤差信號按照控制算法計算，生成電流期望信號值，將電流期望信號值與電流反饋信號值進行做差，得到誤差大小，同時利用死區補償算法計算PWM死區時間積累導致的磁軸承線圈電壓上升值或者下降值，并將該上升值或者下降值轉換成電流修正值，用此電流修正值對得到的誤差信號進行修正，對修正之后的誤差信號利用空間矢量算法進行PWM調制，輸出八路PWM信號(PWM1 PWM8)，送至隔離驅動電路(2)； 隔離驅動電路(2):輸入與控制器(I)輸出的PWMl PWM8信號相連，輸出四橋臂功率主電路(3)中功率開關管VTl VT8的柵極驅動信號SI S8 ; 四橋臂功率主電路(3):采用八個功率開關管獨立控制三個線圈的拓撲結構，其中VTl與VT5構成第一橋臂；VT2與VT6構成第二橋臂；VT3與VT7構成第三橋臂；VT4與VT8構成第四橋臂，磁軸承線圈I接在第一橋臂與第二橋臂之間，線圈兩端點分別為A和B，線圈兩端電壓為Uab ;磁軸承線圈2接在第二橋臂與第三橋臂之間，線圈兩端點分別為B和C，線圈兩端電壓為U B。；磁軸承線圈3接在第三橋臂與第四橋臂之間，線圈兩端點分別為C和D，線圈 兩端電壓為Um，上橋臂功率開關管的驅動信號(S1、S2、S3、S4)分別與下橋臂功率開關管的驅動信號(S5、S6、S7、S8)反相并添加死區邏輯以防止上下橋臂直通； 電流反饋檢測電路(4):輸入接四橋臂功率主電路(3)，輸出接信號調理電路(5)，用于檢測四橋臂功率主電路(3)的磁軸承的三個線圈電流反饋信號； 調理電路(5):與信號濾波電路(6)相接，用于對三個電流反饋檢測電路(4)輸出的電流反饋信號進行電平偏移、放大或者縮??； 信號濾波電路(6):與信號調理電路(5)調理之后的信號相連接，用于濾除輸入信號中的噪聲信號，輸出的三個電流反饋信號接至控制器(I)的AD轉換口進行采集。2.根據權利要求I所述的一種基于三維空間矢量的磁軸承系統開關功率放大器，其特征在于所述的控制器(I)由DSP和FPGA組成，其中DSP作為主控制器，主要負責完成磁軸承轉子位置信號控制算法、死區補償算法和三維空間矢量算法，FPGA作為DSP外圍的接口芯片，用作輔助控制器，主要用來接收DSP的命令，產生需要的PWM信號。DSP利用死區補償算法和三維空...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉剛，崔臣君，房建成，孫津濟，鄭世強，郭研歧，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：
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