专利名称：一种基于三维空间矢量的磁轴承系统开关功率放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关功率放大器，是一种基于三维空间矢量的磁轴承系统的开关功率放大器，用于对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I所示的全桥结构，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。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. O”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个功率开关管，要实现5个线圈的磁轴承控制，需要20个功放管，造成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2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；但是其开关管数量仍较多，功放电路体积仍较大，如果要进一步减小开关管的数量和功放电路的体积，该方法将受到限制，并且该方法只能实现二维空间内的矢量调整，同时其利用采样电阻进行电流采样，当供电电压较高时隔离效果弱，安全性不高，抗干扰性亦不强。同时上述几个专利均未考虑PWM死区对磁轴承电压造成的影响，当死区时间较大，调制频率比较高时，死区造成的电压差值积累将不容忽视。
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，提供一种基于三维空间矢量的磁轴承系统开关功率放大器，采用基于三维空间矢量的调制方式，减少了功率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PWM死区实时补偿的方法提高了控制精度；采用高精度的电流互感器作为电流反馈检测电路，控制电(弱电)和功率电(强电)隔离效果好，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三维空间矢量的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，其中控制器通过内部AD转换接口对位移传感器的位移信号和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，将电流期望信号值与电流反馈信号值进行做差，得到误差大小，同时利用死区补偿算法计算PWM死区时间积累导致的磁轴承线圈电压上升值或者下降值，并将该上升值或者下降值转换成电流修正值，用此电流修·正值对得到的误差信号进行修正，对修正之后的误差信号利用空间矢量算法进行PWM调制，输出八路PWM信号(PWM1 PWM8)，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、下桥臂八个功率开关管的导通与关断，从而在磁轴承的三个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；三个电流反馈检测电路输入与四桥臂功率主电路相接，输出与调理电路相接，分别用于检测四桥臂功率主电路的磁轴承的三个线圈电流反馈信号；信号调理电路输出与信号滤波电路相接，用于对三个电流反馈检测电路输出的电流反馈信号进行电平偏移、放大或者缩小；信号滤波电路输入与信号调理电路调理之后的信号进行连接，用于滤除输入信号中的噪声信号，输出与控制器的AD转换接口相接，在主控制器DSP的控制下，对信号滤波电路输出的三个电流反馈信号进行采样。所述的控制器由DSP和FPGA组成，其中DSP作为主控制器，主要负责完成磁轴承转子位置信号控制算法、死区补偿算法和三维空间矢量算法，FPGA作为DSP外围的接口芯片，用作辅助控制器，主要用来接收DSP的命令，产生需要的PWM信号。DSP应用三维空间矢量法计算出四桥臂主电路上桥臂四个功率开关管期望的导通时间，并利用该导通时间计算出导通触发时刻和关断触发时刻，并将关断触发时刻作为相应的比较值送至FPGA用来生成PWM信号，FPGA产生周期为T的三角载波计数，同时接受DSP送来的四个比较值分别与三角载波计数值进行比较得到上桥臂四个功率开关管的PWM信号PWMl PWM4，下桥臂四个功率开关管的信号PWM5 PWM8由PWMl PWM4经FPGA产生的死区逻辑和反相逻辑后得到。所述的死区补偿算法步骤为①规定电流正方向从左至右，根据A、B、C、D四点的电流方向来计算各点补偿前后的电压差值Λ UA、Δ Ub, Δ Uc, Δ Ud,每个点电压补偿值的幅度均为Λ U=NX Tdead timeX T/U,其中N代表一个调制周期内载波的个数，随着转速的增加而减小，Tdead tiffle代表死区时间，U代表供电直流电压的幅值，T代表载波周期。②流过A、B、C、D四点的电流分别为I” I2-I1' 13_12、-I3,当流过A、B、C、D四点的电流方向为正时，电压补偿值为正，当电流方向为负时，电压补偿值为负。所以A、B、C、D 四点的电压补偿值分别为 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分别代表流过线圈I、线圈2、线圈3的电流，sign表示符号 函数。③根据各点的电压补偿值计算三个线圈的电压补偿值分别为=AU1 =AUa-AUb,Δ U2= Δ Ub- Δ Uc^AU3= Λ Uc- Λ Ud，Λ UpA U2、Λ U3分别代表三个线圈的电压补偿值，并将三个电压补偿值分别除以线圈电阻值转换成三个线圈的电流修正值Λ ΙρΛ Ι2、Λ 13。所述的三维空间矢量算法步骤为①主控制器DSP实时计算并利用死区补偿算法进行死区修正得到磁轴承三个线圈的修正电流误差值；②利用三个修正电流误差值进行PID运算得到三维空间矢量期望的电压调节量；③DSP根据得到的三维空间矢量期望的电压调节量的大小和方向，确定输出电压矢量所处的区间；④根据所处的区间计算得到四桥臂主电路上桥臂四个功率管期望的导通时间，进而计算得到功率开关管的导通触发时刻和关断触发时刻；⑤将得到的四个关断触发时刻送入辅助控制器FPGA，与FPGA的三角载波计数值进行比较得到上桥臂四路PWM信号，同时对上桥臂四路PWM信号添加反相逻辑和死区逻辑，得到下桥臂四路PWM信号；本发明的控制原理对磁轴承开关功率放大器而言，通过对四个桥臂上的八个功率开关管VTl VT8的导通和关断进行控制，可以同时控制磁轴承的线圈I、线圈2和线圈3的导通与关断，同时为了避免同一个桥臂的上下功率开关管直通，必须要求四桥臂上下功率开关管对应的信号反相并且添加死区延时，即VTl VT8对应的信号S1与S5、S2与S6、S3与S7、S4与S8反相且带有死区延时。如图3和图5所示，其中图5箭头所指的虚线区域代表死区，死区时间根据器件的开通时间和关断时间确定出和L分别代表四桥臂功率主电路中任意一个桥臂的上下两个开关管未加死区时的PWM信号，Hl和LI分别代表四桥臂功率主电路中任意一个桥臂的上下两个开关管添加死区时的PWM信号。通过控制上桥臂四个功率开关管栅极驱动信号(S1S2S3S4)取不同的逻辑值(O或1)，可以组合成十六种状态，其中包括十四个非零基本矢量和两个零基本矢量，每个开关状态对应的空间电压矢量由同一个区间三个线圈电压矢量合成。其空间分布如图6所示。由于采用四桥臂结构，所以将整个电压矢量的区域分为24 (4的阶乘)个区间，二十四个区间的划分原则是根据16个基本矢量按照保证相邻两次切换过程中最少的开关管参与导通和关断的原则依次确定的，即四个桥臂中只有一个半桥参与导通和关断，即产生最小的开关损耗；同时为了使产生的空间矢量谐波最小，各路电压矢量在每个开关周期内采用对称式分布结构，将每个开关周期分为五个组成部分，其中三个组成部分是三个非零基本电压矢量的导通时间，如果这三部分时间之和小于开关周期，则将此差值平均分配给两个零基本矢量。采用对称的九段式空间矢量算法，在每个开关周期的开始和结束阶段是两个零基本矢量的作用时间，另外三个非零基本电压矢量要平均分成两部分对称地分布在零基本矢量的左右两侧，即按照零基本矢量I —非零基本矢量I —非零基本矢量2 —非零基本矢量3 —零基本矢量2 —非零基本矢量3 —非零基本矢量2 —非零基本矢量I—零基本矢量I所示的九段式顺序作用。各个区间对应的基本电压矢量、基本电压矢量作用顺序以及各个区间的判断条件如表I所示。表I中Ux、Uy、Uz分别代表三维空间矢量中三个线圈期望的参考电压调节量，Vi (i=0，l，2··· 15)分别代表16个基本矢量。二十四个区间的划分原则是根据16个基本矢量按照保证相邻两次切换过程中最少的开关管参与导通和关断的原则依次确定的。Ti(i=0，l，2…15)分别代表16个基本矢量的作用时间，T代表载波周期，U是供电直流电压的幅值，所属区间的判断条件按照区间的各个基本向量的导通时间大于等于零，以参考电压矢量Vref落在第5区间为例进行说明该区间的基本电压矢量是V14、V6和V4，其基本作用时间分别为T14、T6和T4，即(SI S2 S3 S4)取(1110)的时间为T14，即三个线圈电压是(OOU)的时间是T14，(SIS2 S3 S4)取(0110)的时间为T6，即三个线圈电压是(-U0U)的时间是T6，(SI S2 S3 S4)取(0100)的时间为T4，即三个线圈电压是(-UUO)的时间是T4，根据矢量等效方程VrefXT=T14XV14+T10XV6+T8XV4，可以转化为如下方程组
OxxT = T14xO+T6x(-U) + T4x(-U)^ UyxT = T 14xO+T6xO +T4 X U ^UzxT-T14xU+T6x U+14x0解方程组得
T14 = (Ux+Uy+Uz)xT/U]T6 = -(Ux+Uy)xT/U
14 = Uy X T/U根据T14彡O、T6彡O和T4彡O得到参考电压矢量Vref落在第5区间时的区间判断条件
Oy > O- Ux+Uy < O
Ux^Uy + Uz > O其他23个所属区间的判断条件可以类似依次得到。表I区间电压作用顺序以及区间判断条件
所域区_判断条件
VI S^v 14^ V12^￥8^￥0^V8^￥ 12^￥ 14
1V14.V12.V8Ux>0.Uy>0.Uz>0
￥15+
V15^V14^V12—V4—vo—V4—V i2^V14 Ux<0,Ux+Uy>0,
2￥14,V12,V4
—V15Uz>0
V15~Λ, 14—10—>V8—*V0^V2— V 10^V14 Ux^-U Y>(),UyiO,
3V14,V105￥8
'-^￥15Uy^L/>()
..................................
4V14,V10,V2
^￥15Uy^t；/>0
权利要求
1.一种基于三维空间矢量的磁轴承系统开关功率放大器，其特征在于包括控制器(I)、隔离驱动电路(2)、四桥臂功率主电路(3)、电流反馈检测电路(4)、信号调理电路(5)、信号滤波电路(6),其中 控制器(I):通过控制器内部AD转换接口对位移传感器的位移信号和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，将电流期望信号值与电流反馈信号值进行做差，得到误差大小，同时利用死区补偿算法计算PWM死区时间积累导致的磁轴承线圈电压上升值或者下降值，并将该上升值或者下降值转换成电流修正值，用此电流修正值对得到的误差信号进行修正，对修正之后的误差信号利用空间矢量算法进行PWM调制，输出八路PWM信号(PWM1 PWM8)，送至隔离驱动电路(2)； 隔离驱动电路(2):输入与控制器(I)输出的PWMl PWM8信号相连，输出四桥臂功率主电路(3)中功率开关管VTl VT8的栅极驱动信号SI S8 ; 四桥臂功率主电路(3):采用八个功率开关管独立控制三个线圈的拓扑结构，其中VTl与VT5构成第一桥臂；VT2与VT6构成第二桥臂；VT3与VT7构成第三桥臂；VT4与VT8构成第四桥臂，磁轴承线圈I接在第一桥臂与第二桥臂之间，线圈两端点分别为A和B，线圈两端电压为Uab ;磁轴承线圈2接在第二桥臂与第三桥臂之间，线圈两端点分别为B和C，线圈两端电压为U B。；磁轴承线圈3接在第三桥臂与第四桥臂之间，线圈两端点分别为C和D，线圈 两端电压为Um，上桥臂功率开关管的驱动信号(S1、S2、S3、S4)分别与下桥臂功率开关管的驱动信号(S5、S6、S7、S8)反相并添加死区逻辑以防止上下桥臂直通； 电流反馈检测电路(4):输入接四桥臂功率主电路(3)，输出接信号调理电路(5)，用于检测四桥臂功率主电路(3)的磁轴承的三个线圈电流反馈信号； 调理电路(5):与信号滤波电路(6)相接，用于对三个电流反馈检测电路(4)输出的电流反馈信号进行电平偏移、放大或者缩小； 信号滤波电路(6):与信号调理电路(5)调理之后的信号相连接，用于滤除输入信号中的噪声信号，输出的三个电流反馈信号接至控制器(I)的AD转换口进行采集。
2.根据权利要求I所述的一种基于三维空间矢量的磁轴承系统开关功率放大器，其特征在于所述的控制器(I)由DSP和FPGA组成，其中DSP作为主控制器，主要负责完成磁轴承转子位置信号控制算法、死区补偿算法和三维空间矢量算法，FPGA作为DSP外围的接口芯片，用作辅助控制器，主要用来接收DSP的命令，产生需要的PWM信号。DSP利用死区补偿算法和三维空间矢量法计算出四桥臂主电路上桥臂四个功率开关管期望的导通时间，并利用该导通时间计算出导通触发时刻和关断触发时刻，并将关断触发时刻作为相应的比较值送至FPGA用来生成PWM信号，FPGA产生周期为T的三角载波计数，同时接受DSP送来的四个比较值分别与三角载波计数值进行比较得到上桥臂四个功率开关管的PWM信号PWMl PWM4,下桥臂四个功率开关管的信号PWM5 PWM8由PWMl PWM4经FPGA产生的死区逻辑和反相逻辑后得到。
3.根据权利要求I或2所述的一种基于三维空间矢量的磁轴承系统开关功率放大器，其特征在于所述的死区补偿算法步骤为 ①规定电流正方向从左至右，根据A、B、C、D四点的电流方向来计算各点补偿前后的电压差值Λ UA, Δ UB，Λ U。，Λ UD，每个点电压补偿值的幅度均为Λ U=NXTdead—timeXT/U，其中N代表一个调制周期内载波的个数，随着转速的增加而减小，Tdeadtiffle代表死区时间，U代表供电直流电压的幅值，T代表载波周期； ②流过A、B、C、D四点的电流分别为IpI2-IpW-I3，当流过A、B、C、D四点的电流方向为正时，电压补偿值为正，当电流方向为负时，电压补偿值为负。所以A、B、C、D四点的电压补偿值分别为 sign(I1) X AlKsign(I2-I1) X AU、sign(I3_I2) X ΔU>sign(-I3) X AU,其中Ip 12、I3分别代表流过线圈I、线圈2、线圈3的电流，sign表示符号函数；③根据各点的电压补偿值计算三个线圈的电压补偿值分别为=AU1=AUa-AUb,Δ U2= Δ Ub- Δ Uc^AU3= Λ Uc- Λ Ud，Λ UpA U2、Λ U3分别代表三个线圈的电压补偿值，并将三个电压补偿值分别除以线圈电阻值转换成三个线圈的电流修正值Λ ΙρΛ Ι2、Λ 13。
4.根据权利要求I或2所述的一种基于三维空间矢量的磁轴承系统开关功率放大器，其特征在于所述的三维空间矢量算法步骤为 ①主控制器DSP实时计算并利用死区补偿算法进行死区修正得到磁轴承三个线圈的修正电流误差值； ②利用三个修正电流误差值进行PID运算得到三维空间矢量期望的电压调节量； ③DSP根据得到的三维空间矢量期望的电压调节量的大小和方向，确定输出电压矢量所处的区间； ④根据所处的区间计算得到四桥臂主电路上桥臂四个功率管期望的导通时间，进而计算得到功率开关管的导通触发时刻和关断触发时刻； ⑤将得到的四个关断触发时刻送入辅助控制器FPGA，与FPGA的三角载波计数值进行比较得到上桥臂四路PWM信号，同时对上桥臂四路PWM信号添加反相逻辑和死区逻辑，得到下桥臂四路PWM信号。
全文摘要
一种基于三维空间矢量的磁轴承系统开关功率放大器，是一种用来对磁轴承线圈中的电流进行主动控制的装置，其主要包括控制器、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。该数字开关功率放大器由控制器计算电流采样值与电流期望值的误差并进行死区实时修正之后进行基于三维空间矢量的PWM调制，再将调制完成的PWM信号经隔离驱动电路控制四桥臂功率主电路中功率开关管的导通与关断，从而达到控制磁轴承线圈电流的目的。本发明实现了一种适用于磁轴承控制系统的数字开关功率放大器，减少了功率开关管的数量和输出纹波电流的幅值，降低了电磁轴承的损耗。
文档编号F16C32/04GK102843053SQ20121028494
公开日2012年12月26日 申请日期2012年8月10日 优先权日2012年8月10日
发明者刘刚, 崔臣君, 房建成, 孙津济, 郑世强, 郭研歧 申请人:北京航空航天大学