[发明专利]一种基于空间矢量的纯电磁磁轴承系统开关功率放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关功率放大器，是一种基于空间矢量的纯电磁磁轴承系统的开关功率放大器，用于对纯电磁磁轴承线圈的输出电流进行主动控制。

背景技术

高速磁悬浮电动机由于采用磁悬浮轴承代替传统的机械轴承，具有转速高、无摩擦、无需润滑、能量密度高、尺寸小等优点具有广阔的应用前景。功率放大器作为高速磁悬浮电动机磁轴承控制系统的执行器，其能量消耗最大，减小功率放大器的能量损耗、提高集成度、增加可靠性是功率放大器设计的最主要目的之一。

为了提高功率放大器的效率，高速磁悬浮电动机磁轴承控制系统普遍采用开关功率放大器。根据脉冲宽度调制信号产生电路的实现方式不同，磁轴承用开关功率放大器分为模拟器件实现和数字实现两种。现有的磁轴承控制系统功率放大器多采用图1所示的全桥拓扑结构，采用传统的两电平PWM脉宽调制方法输出电流纹波很大，在电磁轴承中产生较大的铁耗和铜耗。由于纯电磁磁轴承的电流单向流动，全桥拓扑结构中有一个半桥是多余的，增加了功率放大器的体积和成本。

在中国专利“ZL200510012131.2”公开的“一种用于永磁偏置电磁轴承的低纹波开关功率放大器”中，采用模拟器件实现了三电平PWM脉宽调制的功能，降低了纹波损耗；但是采用模拟器件搭建的功率放大器损耗较大、体积较大，同时若要改变PWM调制方式必须进行硬件调整，使用不方便。

在中国专利“200610114390.0”公开的“一种用于磁悬浮飞轮磁轴承系统的开关功率放大器”中，采用FPGA+DSP为控制器，采用三态PWM调制方式，数据处理能力强，电流纹波小；但其需要在下桥两个功率开关管源极和参考地之间分别串接无感功率电阻，通过FPGA控制在回路续流时对电流信号进行采样，控制方式复杂，编程实现困难。

上述两个专利均采用全桥结构，控制一个线圈均需要4个可控功率开关管，要实现具有10个线圈的纯电磁磁轴承控制，需要40个可控功率开关管，造成体积和损耗均有所增加。

在曾学明、徐龙祥、刘正埙的文章“电磁轴承三电平PWM功率放大器研究”中提出一种图2所示的半桥式结构的三电平开关功率放大器，控制一个线圈只需要两个可控功率管和两个不可控的二极管，能够克服两电平PWM脉宽调制方法输出电流纹波很大的缺点，有效降低纹波和开关损耗，但是其只能控制一路线圈，如要控制具有10个线圈的纯电磁磁轴承系统则需要20个可控功率开关管，体积和损耗均有所增加。

在中国专利“200710120705.7”公开的“一种用于磁轴承系统基于空间矢量的开关功率放大器”中，采用图3所示的三桥臂结构作为主电路，采用FPGA+DSP作为控制器，利用二维空间矢量调制方法，大大降低了电流纹波损耗，而且中间桥臂被两个磁轴承线圈所公用，减少了功率开关管的数量，减小了功放电路的体积；利用此结构控制具有10路线圈的纯电磁磁轴承系统则需要30个可控功率开关管，并且该结构的本质还是全桥结构，对电流单向流动纯电磁轴承而言，功放电路体积和功耗仍较大。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术存在的不足，提供一种基于空间矢量的纯电磁磁轴承系统开关功率放大器，采用基于空间矢量的调制方式，减少了功率开关管的数量和功放电路的体积，降低了纹波的幅值，降低了磁轴承系统的损耗，同时具有响应速度快，编程灵活的特点；采用高精度的电流互感器作为电流反馈检测电路，将控制电和功率电有效结合，安全性高，检测精度高，抗干扰性强、响应带宽高，易于实现。

本发明的技术解决方案：一种基于空间矢量的纯电磁磁轴承系统开关功率放大器，主要包括控制器、隔离驱动电路、四桥臂功率主电路、电流反馈检测电路、信号调理电路、信号滤波电路，其中：

控制器：通过控制器内部AD转换接口对位移传感器的位移信号和按照规定极性接入的磁轴承三个线圈的电流反馈信号进行采样，利用采集到的位移信号和磁轴承转子参考位移信号做差，对磁轴承位置误差信号按照控制算法计算，生成电流期望信号值，并将电流期望信号值与电流反馈信号值进行做差，根据误差信号大小利用空间矢量算法进行PWM调制，输出四路PWM信号(PWM1～PWM4)，送至隔离驱动电路；

隔离驱动电路：输入与控制器输出的PWM信号相连，输出与四桥臂功率主电路相接，用于生成四桥臂功率主电路中四个可控功率开关管的栅极驱动信号；

四桥臂功率主电路：由隔离驱动电路输出的栅极驱动信号控制上、下桥臂四个可控功率开关管的导通与关断，从而在三个磁轴承线圈中生成与控制器计算的期望电流控制量成比例的电流输出；