单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种三电平开关功率放大器，适用于机电系统中需要高频小信号 注入实现无传感器运行的场合，例如适宜于自传感主动电磁轴承。
【背景技术】
[0002] 主动电磁轴承具有无摩擦、无需润滑、无污染、转速高等优点，近年来在航空航天、 飞轮储能、涡轮透平机械、高速机床等领域发展很快。在有传感器主动电磁轴承系统中，为 了实现系统的闭环反馈控制，必须在转子的各个自由度分别装配独立的位移传感器进行转 子位置信号的实时检测。位移传感器的昂贵价格使得系统的成本难以降低，也增加了装配、 维护的成本。此外，安装位移传感器所需的空间要求制约了电磁轴承尺寸的优化，传感器和 执行器的位置不同也使得控制更为复杂。
[0003] 自传感主动电磁轴承是近年来为解决上述问题而提出的新型电磁轴承。通过利用 电磁轴承的电磁线圈的电感大小随转子位置改变而变化的特性，可以使得电磁线圈本身产 生电磁力的同时实现位置传感器的功能，从而避免独立位置传感器的使用，实现主动电磁 轴承的自传感运行。目前实现自传感主动电磁轴承的主要方法可分为电流斜率法和高频小 信号注入法。其中，电流斜率法的动态特性好，但对系统硬件要求高且易受电流噪声影响。 高频小信号注入法的精度高、可靠性好但需要额外的高频小信号源，利用传统的两电平PffM 开关功放输出电流纹波中幅值相对较高的一次谐波分量可替代高频小信号源，但其整体高 纹波特性会在电磁轴承中产生较大的损耗，且一次谐波的幅值不够稳定。传统三电平PWM 开关功放输出的纹波含量显著低于两电平开关功放，但纹波中各谐波分量的幅值均达不到 实现主动电磁轴承自传感运行的技术要求，故传统的两电平PWM开关功放和传统的三电平 PWM开关功放均不能用于自传感主动电磁轴承。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的是提供一种单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器，以克 服现有技术的全部或部分缺陷。
[0005] 本实用新型的实用新型构思是：在保持功放输出整体低纹波特性的同时，通过单 独提高功放输出纹波中二次谐波分量的幅值，产生可用于主动电磁轴承等机电系统的自传 感运行的高频小信号源。从而在降低系统损耗的同时实现磁轴承的自传感运行，进一步提 高系统的性能、降低系统成本。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：本实用新型单侧桥臂倍频驱 动的三电平开关功率放大器包括光耦隔离及驱动电路、功率变换电路、电流检测电路和能 够用于将外部电流给定信号和来自电流检测电路的电流反馈信号转换成相应的开关逻辑 信号的控制器，所述电流反馈信号与电流检测电路检测到的电磁线圈负载的实际电流值成 正比；所述功率变换电路包括H桥电路；光耦隔离及驱动电路的输入端与控制器的输出端 对应连接，所述H桥电路的各全控型开关器件的控制端与光耦隔离及驱动电路的输出端对 应连接。
[0007] 进一步地，本实用新型所述光耦隔离及驱动电路输出的驱动信号对各所述H桥电 路的第一个桥臂上的全控型开关器件以可变脉冲宽度的方式进行调制，所述光耦隔离及驱 动电路输出的驱动信号对第二个桥臂上的全控型开关器件以固定脉冲宽度的方式进行调 制；第二个桥臂上的全控型开关器件完成一个导通、关断动作的时间周期是第一个桥臂上 的全控型开关器件完成一个导通、关断动作的时间周期的一半。
[0008] 进一步地，本实用新型所述控制器包括电流控制模块、PWM信号产生模块、上升沿 触发模块、方波产生模块和A/D转换模块，所述A/D转换模块用于接收外部电流给定信号和 电流反馈信号，A/D转换模块的输出端与电流控制模块的输入端相连，电流控制模块的输出 端与PWM信号产生模块的输入端相连，上升沿触发模块的输入端与PWM信号产生模块的其 中一个输出端相连，上升沿触发模块的输出端与方波产生模块的输入端相连，方波产生模 块的每个输出端和PWM信号产生模块的每个输出端各与光親隔离及驱动电路的一个输入 端连接。
[0009] 进一步地，本实用新型所述电流检测电路包括电流传感器和电平转换电路，电流 传感器的原边与所述电磁线圈负载串联，电流传感器的副边与电平转换电路的输入端连 接，电平转换电路的输出端与控制器的输入端连接。
[0010] 进一步地，本实用新型还包括缓冲电路，所述光耦隔离及驱动电路的输入端经缓 冲电路与控制器的输出端对应连接。
[0011] 本实用新型单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器（以下也可以简称为"功 放"）与传统的两电平开关功率放大器相比，其优点在于：通过使用不同开关频率、不同形式 的驱动信号控制功放中的H桥电路的不同桥臂上的全控型开关器件的导通、关断，选择性 提高了功放输出纹波中的二次谐波分量的幅值，在形成类似于两电平功放输出中的高频小 信号源的同时，也实现了功放三电平运行以降低功放输出整体纹波含量，进而降低了损耗； 此外，H桥电路中的一个桥臂始终由两倍频方波形式的开关逻辑信号控制，保证了高频小信 号的稳定输出，而高频小信号的频率提高了一倍，远离功放输出中控制电流分量所在的频 域，也有利于信号的提取和处理。本实用新型功放与传统三电平开关功率放大器相比的优 点在于：在功放内部集成了高频小信号源，利于简化自传感主动电磁轴承等机电系统的复 杂度，提高可靠性。
【附图说明】
[0012] 图1为本实用新型的单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器的电路原理框 图；
[0013] 图2为缓冲电路和光耦隔离及驱动电路的电路原理图；
[0014] 图3为功率变换电路和电流检测电路的电路原理图；
[0015] 图4为本实用新型中的控制器输出的开关逻辑信号和功放输出的电压电流波形 示意图。
【具体实施方式】
[0016] 本实用新型单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器主要包括控制器1、光耦 隔离及驱动路3、功率变换电路4和电流检测电路5,功率变换电路4包括H桥电路4-1。其 中，控制器1能够用于将外部电流给定信号和来自电流检测电路5的电流反馈信号转换成 相应的开关逻辑信号，电流反馈信号与电流检测电路5检测到的电磁线圈负载的实际电流 值成正比。光耦隔离及驱动电路3的输入端与控制器1的输出端对应连接，用于将来自控 制器1的各路开关逻辑信号隔离放大，从而形成用于驱动H桥电路4-1的各全控型开关器 件的驱动信号；H桥电路4-1的各全控型开关器件的控制端与光耦隔离及驱动电路3的输 出端对应连接。
[0017] 本实用新型还可进一步包括缓冲电路2,使光耦隔离及驱动电路3的输入端经缓 冲电路2与控制器1的输出端对应连接，从而提高控制器1所输出的开关逻辑信号的稳定 性。
[0018] 在本实用新型中，外部电流给定信号是指来自上一级控制设备的决定功放需要输 出的电流值的参考信号；电磁线圈负载是指机电设备中的用于产生电磁力的绕组线圈，如 电磁轴承定子绕组线圈。
[0019] 以下结合附图，以具体的实施例对本实用新型作进一步描述。
[0020] 在图1所示的实施例中，本实用新型单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器 包括控制器1、缓冲电路2、光耦隔离及开关驱动电路3、功率变换电路4和电流检测电路5。 其中，功率变换电路4含有H桥电路4-1。
[0021] 控制器1接收外部设备提供的电流给定信号iraf和电流检测电路5输出的电流反 馈信号i_，其中，电流反馈信号i_是电流检测电路5对检测到的电磁线圈L(即电磁线圈 负载）的实际电流进行正比例放大或缩小而得到与控制器1的输入电平相匹配的信号，使 得其与控制器1。
[0022] 控制器1根据接收到的电流给定信号i"f和电流反馈信号i_产生相应的四路开 关逻辑信号ugl~ug4，并将四路开关逻辑信号ugl~ug4输出后经缓冲电路2发送给光耦隔 离及驱动电路3,光耦隔离及驱动电路3对输入的四路开关逻辑信号ugl~ug4进行放大、 隔离，产生四路全控型开关器件的驱动信号udl~ud4并发送到功率变换电路4,功率变换电 路4中的H桥电路的四个全控型开关器件在驱动信号udl~ud4的控制下完成相应的导通、 关断动作，实现功率变换电路4的电磁线圈L中的电流的上升、不变或下降，电磁线圈L的 实际电流值经电流检测电路5的测量、放大而生成实时更新的电流反馈信号1_并发送给 控制器1，由此形成一个反馈控制回路。
[0023] 作为本实用新型的一种实施方式，控制器1可通过单片FPGA数字电路实现，利用 VHDL、Verilog等硬件描述语言编程实现控制器功能；此外，控制器1也可使用DSP数字控 制器实现。
[0024] 作为本实用新型的另一种实施方式，控制器1也可使用能够实现相应功能的模拟 电路。作为其中的一种具体的示例，控制器1可以包括电流控制模块1-1、PWM信号产生模 块1-2、上升沿触发模块1-3、方波产生模块1-4和A/D转换模块1-5。其中，A/D转换模块 1-5同时接收来自上一级控制设备的外部电流给定信号iraf和由电流检测电路5输出的电 流反馈信号i_，并对这两路信号进行采样、保持和A/D转换而生成数字形式的电流给定信 号iraf(k)和电流反馈信号i_(k)发送至电流控制模块1-1，其中k表示当前采样时刻。电