基于三电平PWM开关功率放大器磁悬浮推力轴承控制系统研究

1、.基于三电平PWM开关功率放大器磁悬浮推力轴承控制系统研究杨均悦，张文跃，葛研军（大连交通大学机械工程学院,116028）摘要：针对磁悬浮推力轴承控制系统的特点和要求，设计出三电平PWM开关功率放大器，并对其输入输出，输入信号跟踪等特性进行分析，并对磁悬浮推力轴承转子运动控制系统进行仿真。结果表明：采用三电平PWM开关功率放大器可以有效降低电流纹波，缩短电流响应时间，并显著提高转子控制系统的精度。关键词：磁悬浮推力轴承；三电平PWM开关功率放大器；转子运动控制系统Reach on Magnetic Thrust Bearing Control System Based on Three-lev

2、el PWM Switching Power AmplifierYan Junrui Zhang Wenyue Ge Yanjun（Institute of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian, 116028）Abstract: according to the features of requirements of magnetic thrust bearing，three-level PWM switching power amplifier is designed, and the characterist

3、ic of input and output, signal tracing are analyzed,and a simulation of magnetic thrust bearing rotor control system based three-level PWM switching power amplifier is carried out. the results show that that three-level PWM switching power amplifier can reduce the current ripple effectively and impr

4、ove the current response speed,precision of control system is significantly improved. Keyword: magnetic thrust bearing；three-level PWM switching power amplifier；rotor control system;70 绪论磁悬浮轴承是高性能轴承的发展方向之一。与传统的机械轴承相比，由于磁悬浮轴承有如下诸多优点：无机械摩擦、无接触磨损、无需润滑、定位精度高、适应的转速范围广、对环境无污染等，因而日益受到工业领域的广泛关注，是目前机械、电气控制领域

5、的前沿课题1-3。根据磁悬浮轴承对主轴系统控制方向的不同，可将其分为径向磁悬浮轴承和磁悬浮推力轴承4。磁悬浮推力轴承（简称磁推力轴承）是利用电磁铁产生的可控电磁力对转子轴向位移进行控制，以实现转子的轴向定位。其系统包括：转子、电磁铁、功率放大器、位移传感器及数字控制器等5。其工作原理如图1所示：图1 磁悬浮推力轴承工作原理Fig.1 Work principle for a magnetic thrust bearing磁悬浮推力轴承控制系统一般采用数字控制器，图2为基于数字信号处理器TMS320LF2407A的磁悬浮推力轴承数字控制系统的硬件结构，主要包括DSP、位移传感器、D/A转换电路、

6、功率放大器等6-7。图2磁悬浮推力轴承硬件系统Fig.2 Hardware system for a Magnetic thrust bearing 功率放大器是磁磁悬浮推力轴承控制系统的重要组成部分，它将控制信号放大或转换成有足够能量的功率信号以驱动电磁铁执行器，其性能优劣将对控制系统产生重要影响。模拟功率放大器有参数调整不便，难以实现优化控制，并容易受到外界干扰等缺点；而数字功率放大器，具有硬件集成度高，控制性能好，抗干扰能力强，响应速度快等优点2。而一般的两电平PWM开关功率放大器，其输出的电流波纹大小受电源电压影响较大。为了提高电流的响应速度，需要提高电源电压，但同时也增加了电流纹波，

7、这将影响转子的稳定运行。三电平PWM开关功率放大器在原有两电平PWM开关功率放大器的基础上增加一个逻辑电路，改进了PWM波形的输出，使得线圈中的电流增加一个续流状态，进而较两电平PWM开关功放能减小开关管的管耗，减小纹波，更能满足系统的要求。为此，本文重点讨论并设计出三电平PWM开关功率放大器，并以此为基础进行了转子位移控制的PID控制的仿真，验证该功率放大器合理性。1 三电平开关功率放大器设计1.1 三电平开关功率放大器所谓三电平PWM开关功放是指在电磁线圈中，电流由充电向放电转换或由放电向充电转换过程中引入续流状态时，开关功率放大器的端电压由原来的两个状态，即-Ud,，Ud，增加了一个零状

8、态，变为-Ud,，0，Ud8，9。图3为本文设计的三电平PWM开关功率结构图。 图3 三电平PWM开关功率放大器结构Fig. 3 Three-level PWM switching power amplifier当三电平开关功放输入的电流控制信号为零时，三电平PWM开关功放电流纹波的计算公式为7，10： (1)式(1)中，为电磁铁线圈的内阻，为电磁铁线圈的电感，为偏置电流，为功率器件开通时的平均压降，为PWM周期。由式（1）知，三电平PWM开关功率放大器输出恒定电流时，电流纹波表达式中不含直流电源电压Ud，所以其电流纹波大小与直流电源电压无关。Ud越大，电磁铁的电流响应速度越快，因此可以通过提

9、高电源电压来提高电磁力响应速度而不会增加电流纹波。1.2 三电平PWM开关功率放大器仿真设计利用仿真软件MATLAB中的电力系统仿真模块对三电平PWM开关功率放大器的动态特性进行仿真。系统参数为：线圈电阻R=1，线圈电感L=10mH，开关管选用的是IGBT；功放的输入输出范围为：输入电压0-5V，输出电流0-3A。 图4 三电平PWM开关功放仿真模型Fig.4 Simulation model of three-level PWM switching power amplifier1.2.1 开关功率放大器的阶跃响应对三电平PWM开关功率放大器的输入端施加一个电压阶跃信号，即可得到如图5所示的

10、功放输出电流响应曲线。图5（a）为供电电压Ud =50V时电流的响应曲线，其功放阶跃响应时间约为0.046s；图5（b）为供电电压Ud =100V时电流的响应曲线图，其响应时间约为0.022s。由图5可知，当增大功放电源电压Ud时，输出电流的响应速度将提高，即响应时间减短。（a）Ud 为50V时电流（b）Ud为100V时电响应 响应曲线 响应曲线图5三电平PWM开关功放的阶跃响应曲线Fig. 5 Step response curve of three-level PWM switching power amplifier1.2.2 功放输入输出特性图6为正弦信号输入时，开关功率放大器的输入输

11、出波形图。波形b和波形d为输入的正弦电压信号，波形a和波形c为功放输出的电流波形。由图6可知，三电平PWM开关功率放大器能很好地跟踪输入信号。其中图6（1）是供电电压Ud =50V时的输入输出波形图，虽然其能够跟踪输入信号，但是存在一定的滞后；改变供电电压Ud =100V时，由图6（2）可以看出：滞后特性明显得到改善。因此可以通过提高供电电压来改变功率放大器的滞后特性。 （1）Ud 为50V时的输入输出波形（2）Ud 为100V时的输入输出波形 图6 不同电压下三电平PWM开关功放的跟随特性曲线Fig6 Following curve of three-level PWM switching

12、power amplifier on different voltage2 三电平PWM开关功率放大器实验经过上述理论分析与仿真，根据图3设计出三电平开关功率放大器的实验电路，并进行实验。其参数为：线圈电阻R=1，线圈电感L=10mH，开关管选用的是IGBT。输入输出范围为：输入电压0-5V，输出电流0-3A。2.1 静态输入输出特性图7为根据实验测得数据所形成的三电平PWM开关功放的静态输入输出特性。由图7可知：三电平PWM开关功率放大器的输入输出的线性度良好。图7静态输入输出特性Fig.7 Static characteristic of input and output 2.2正弦信号输

13、入下的输出波形对实验电路输入电压幅值为1V，频率为100Hz的正弦波信号，得图8为两电平PWM开关功放输出的波形图，图9为三电平PWM开关功放输出的波形，虽然二者都能够跟踪输入信号，但通过比较不难发现两电平PWM开关功放输出的电流纹波较三电平PWM开关功放输出的电流纹波要大。图8两电平PWM开关功放输出波形Fig.8 Output waveform of two-level PWM 图9三电平PWM开关功放输出波形 Fig.9 Output waveform of three-level PWM2.3 三电平PWM开关功率放大器阶跃响应曲线图10为供电电压Ud =100V时阶跃电压信号下的电流

14、响应曲线，响应时间约为0.025s，与图5相比可知：实验曲线与仿真结果基本一致。图10 三电平PWM开关功放电流阶跃响应曲线Fig.10 Step response curve of current for three-level PWM switching power amplifier3 基于三电平开关功率放大器PID控制器仿真本文利用仿真软件MATLAB对基于PWM三电平开关功率放大器的磁悬浮推力轴承转子悬浮控制系统进行了仿真。图11所示，系统输入阶跃信号为1，通过PID控制器的调节，在时转子实现了稳定悬浮。在时，对转子施加一个外力干扰，经过约0.05s的时间，系统趋于稳定。表明采用三电

15、平开关功率放大器的控制系统，能够应对外来扰动，使转子稳定悬浮。图11 PID控制器阶跃响应Fig.11 Step response of PID controller4 结论三电平PWM开关功率放大器可有效降低电流纹波，有利于提高开关功率放大器的电流响应速度，进而提高磁悬浮推力轴承系统的整体性能。实验结果表明：三电平PWM开关功率放大器能很好的跟踪输入信号，且电流纹波比两电平PWM开关功放的纹波小。建立基于三电平PWM开关功率放大器的磁悬浮推力轴承控制系统能有效地控制转子位移，抵抗外界扰动。虽然三电平PWM开关功率放大器管耗及电流纹波比两电平PWM开关功率放大器小，但其在硬开关状态条件下工作时

16、开关损耗较大，并且电流中会出现很大毛刺，因此应在下一步研发中应用软开关技术。参考文献：1 汪通悦，陈辽军，周峰，磁浮轴承的技术进展. 机械制造，2002,7:21-232 张钢，自华，工春兰，磁悬浮支承技术在机床中的应用. 机械工程师，2005,8:15-203 林继红，王强磁浮轴承在航空发动机上的应用研究. 航空制造工程，1998,1,10-11.4 吕冬明，徐春广，郝娟，主动磁悬浮轴承控制系统的研究，轴承2008 .4 5-95 代燕杰. 磁悬浮推力轴承的电磁性能分析及结构设计(硕士论文). 山东大学，2008:10-116 杨作兴，赵雷，赵鸿宾. 磁轴承MPW开关功率放大器的研究. 电力电子技术，2000.(5)：23-257 杨志三电平变频器系统建模、仿真和设计(硕士学位论文)清华大学，2004:50-538曾学明，磁轴承电控系统研究(博士论文)，南京航空航天大学，2002.920 黄晓蔚，唐钟麟一种用于有源磁