磁悬浮轴承功率放大器设计 电工电气 （２０１０ Ｎｏ．１） 磁悬浮轴承功率放大器设计 高雪 （大连交通大学，辽宁大连１１６Ｏ２８） 摘要：针对普通的两电平ＰＷＭ开关功率放大器的不足，提出了在磁悬浮轴承中采用三电平ＰＷＭ 开关功率放大器，阐述了三电平ＰＷＭ开关功率放大器的基本工作原理，设计出一种新的三电平ＰＷＭ开 关功率放大器。分析表明，这种功率放大器相对于普通的两电平ＰＷＭ开关功率放大器，具有电流纹波 小、功率损耗小和抗电磁干扰能力强等优点，并具有良好的动态响应能力。 关键词：磁悬浮轴承；功率放大器；脉宽调制 中图分类号：ＴＭ９３０．２；ＴＮ７２２．７＋５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—３１７５（２０１０）０卜０００７—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇｓ ＧＡＯＸｕｅ （ＤａｌｉａｎＪｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔａｇｅ ｏｆ ｔｗｏ－－ｌｅｖｅｌ ＰＷＭ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｉｅｒ，ａ ｋｉｆｎｄ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－－ｌｅｖｅｌ ＰＷＭ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉ－・ ｉｅｒｔ ｉｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ ＰＷＭ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｉｅｒ ｆｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｗｏ—ｌｅｖｅｌ ＰＷＭ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｉｅｒ，ｔｆｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ ＰＷＭ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｉｅｒ ｈａｓｆ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｉｐｐｌｅ，ｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｌｏｓｓ，ｓｔｒｏｎｇｅｒ ａｎｔｉ—ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｅｒｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｗｉｔｈ ａ ｇｏｏｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇｓ；ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｉｅｒ；ｐｕｌｓｅ ｆｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ０引言 磁悬浮轴承是采用可控的磁悬浮力支撑高速旋 电磁干扰严重。 针对以上不足，本文设计了一种三电平ＰＷＭ开 关功率放大器。所谓三电平是指在电磁线圈中电流 转电机转子及负载重量的新型轴承。磁悬浮轴承相 比于传统的轴承具有高速度、无润滑、无磨损、无 机械噪声、不需密封、高精度、寿命长等一系列优 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，以减少负载线圈中电流的突变，达到减 小纹波的目的。 点＿ＩＪｏ 在磁悬浮轴承中，功率放大器的作用是向电磁 线圈提供控制电流，以产生所需要的电磁力 。磁 悬浮轴承采用的功放有线性功率放大器和开关功率 放大器。线性功率放大器一直处于放大状态，其直 流损耗大，效率低，常用于小功率场合。对功率在 ６００ Ｗ以上的应用中大多采用开关型功率放大器（简 图１为ＰＷＭ型开关功率放大器原理图，其工作原 Ｉ 开关功率放大器工作原理 理是：将电流的指令信号 和实际电流信号ｚｌ：ｌ：较 后的偏差信号，经比例一积分环节调节后和三角载 波比较，输出ＰＷＭ波形，控制主电路开关器件的通 断，电流 随供电电压 变化。根据ＰＷＭ型开关功放 原理可知：在一段时问内，如果线圈电压为＋ ，则 电流上升；如果电压为一 ，则电流下降。在一个时 间周期内，如果正电压比负电压闭合时间长，得到 称开关功放） ，与线性功放相比，开关功放的损 耗要低得多。而开关功放多为两电平式，即电磁线 圈要么处在充电状态要么处在放电状态，使得电磁 线圈中流过的电流纹波大，且存在电流冲击，使得 正向平均电压，电流 上升；反之，电流 下降。只 作者简介：高雪（１９８４），女，硕士研究生，研究方向为机电传动与控制。 一Ｊ‘一 电工电气（２０１０ Ｎｏ．１） 磁悬浮轴承功率放大器设计 需通过控￣ＵＰＷＭ波形的占空比，即可控制线圈电流 ” Ｏ 以，可以通过提高电源电压的方法来提高其响应的 Ｏ 的大小，其电压电流波形示意图如图２所示。 ： 图１ ＰＷＭ开关功率放大器原理图 ］厂］几几厂］『＿］厂］ ．【＿Ｊ Ｕ Ｕ Ｕ Ｕ Ｕ ａ）电压波形 ｂ）电流波形 图２电压电流波形示意图 本文设计的三电平开关功放采用半桥拓扑结 构，如图３Ｎ示，由２个绝缘栅双极晶体管ＩＧＢＴ（Ｔ 和Ｔ ）和２个快速恢复二极管（Ｄ１和Ｄ ）构成。 和￡ 为 电磁线圈的等效电阻和电感，通常等效电阻很小，电 感很大。 图３开关功放主电路图 根据功放提供给电磁线圈的电压不同，电路工 作过程分为３种状态：充电状态、续流状态及放电 状态。当Ｔ 和Ｔ２的驱动脉冲信号同时为高电平时，Ｔ 和Ｔ，同时导通，电路处于充电状态；当两路驱动脉 冲信号分别为高电平或低电平时，Ｔ１和Ｔ 只有一个 导通，电路处于续流状态；当两路驱动脉冲信号 同时为低电平时，Ｔ 和Ｔ 同时截止，电路处于放电 状态。由于功放的电流纹波与电源电压无关Ｍ ，所 一８一 速度。 ２开关功率放大器电路设计 本文设计的磁悬浮轴承三电平ＰＷＭ开关功放电 路包括主电路、驱动电路、隔离电路及三电平ＰＷＭ 脉冲产生电路，如图４所示。其中，ＰＷＭ控制电路 核心部件采用美国德州仪器公司生产的ＴＬ４９４芯 片，反馈部分采用差动变压器式位移传感器检测 线圈电流。 图４三电平ＰＷＭ开关功放电路结构图 ２．１驱动电路 由于ＴＬ４９４芯片输出的ＰＷＭ控制信号不能直接 驱动ＩＧＢＴ，通常采用驱动功率芯片。本文采用的 ＩＲ２ｌｌ０驱动芯片是ＩＲ公司生产的大功率ＭＯＳＦＥＴ和 ＩＧＢＴ专用驱动集成芯片。ＩＲ２１ １０采用自举技术实现 双通道驱动，可以同时驱动５００Ｖ以内半桥电路的 上下两个ＩＧＢＴ。它具有体积小、集成度高、响应 快、驱动能力强等优点，驱动电路如图５所示。 １Ｏ Ｈｎ ＶＣＣ Ｄ １ｌ 一 ＳＤ Ｖ＋ １２ —— ＬＩＮ ＶＢ ４ Ｃ ｆｌ Ｄ。３ ｌ — ＮＣ Ｈ０ ８ — ＮＣ ＶＳ １４ —— ＮＣ Ｌｏ 垡 ２ Ｃ０Ｍ Ｖ— １３ ＩＲ２１１Ｏ芯片 ， 图５ ＩＲ２１１０驱动电路图 ２．２隔离电路 由于主电路端路电压最高可达３００ Ｖ，为了隔 离强电和弱电，防止主电路干扰通过地线窜到控制 磁悬浮轴承功率放大器设计 电工电气（２０１０ Ｎｏ．１） 电路，主电路与驱动电路之间需采用隔离手段。本 设计选用高速光耦ＨＣＰＬ４５０４，该款光耦ＴＴＬ兼容，瞬 时共模为１５ ｋＶ Ｓ，内部集成了高灵敏度的光传感 器，隔离电路如图６所示。 图７ ＰＷＭ电路图 图６光耦隔离电路图 ３ 结语 与普通的两电平ＰＷＭ开关功放比较，三电平ＰＷＭ 开关功放仅增加了续流状态，但是却能够有效地减 ２．３三电平ＰＷＭ波形产生电路 本设计采用两路信号控制Ｔ 和Ｔ，，一路为ＰＷＭ调 制信号，另一路为方向信号。其中ＰＷＭ调制信号决 定主电路的３种状态，即充电、续流、放电状态，方 少电流纹波，并且减少了开关管的开关次数，降低 了开关损耗，提高了功放的效率。以上电路结构简 单可靠、成本低，经过调试和测试，完全能够达到 向信号决定电磁线圈中的电流是增加还是减小。根 据图３及控制要求，可得到ＰｗＭ信号、方向信号、元 器件与电路状态，见表１。 表１ ＰＷＭ信号、方向信号、元器件与电路状态 磁悬浮轴承对控制精度的要求，效果比较理想。 参考文献 高电平 高电平 低电平 低电平 高电平 开 开 关 关 关 关 开 开 充电 续流 续流 ［１］曾励，陈飞，宋爱平．动力磁悬浮轴承的研究现状 及关键技术［Ｊ］．中国机械工程，２００１，１２（１１）：１３２０— １３２２． 低电平 高电平 低电平 关 关 关 开 开 关 开 开 放电 根据表１设计逻辑电路，ＰＷＭ１和ＰＷＭ２信号由 ［２］王君．磁悬浮轴承开关功率放大器的研究［Ｄ］．济 南：山东大学，２００８． ［３］陈立群，谢友柏．电磁轴承开关功放设计［Ｊ］．机电 工程，１９９８（２）：５０—５２． ［４］Ｚｈａｎｇ Ｊｉｎｇ．Ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌ ｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ｍａｇｎｅｔｉＣ ｂｅａｍｉｎｇｓ［Ｄ］．Ｓｗｉｔｚｅｒ１ａｎｄ：Ｓｗｉ ＳＳ Ｆｅｄｅｒａｌ Ｉｎｓｔ ｉ ｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９５． ＴＬ４９４产生，方向信号由比较器ＬＭ３３９Ｎ产生。 根据设计要求，本文采用美国德州仪器公司生 产的ＴＬ４９４ ＰＷＭ调制器模块构成ＰＷＭ电路。ＴＬ４９４是 一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路，内部包含 了完成ＰＷＭ功能所必须的各种基本电路，电路图如 图７所示。 收稿日期：２００９—０７—１４ 本刊加入“中国期刊全文数据库＂的声明 为适应我国信息化建设，扩大本刊及作者知识信息交流渠道，本刊已于２００３年６月被ＣＮＫＩ中国 期刊全文数据库收录，其作者文章著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。免费提供作者文章引用 统计分析资料。如作者不同意被收录，请在来稿时向本刊声明，本刊将做适当处理。 《电工电气》编辑部 ２０１０年１月 一０一
