一种三电平功率放大器控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于开关功率放大器领域，具体涉及一种三电平功率放大器控制方法。
【背景技术】
[0002]传统的机械式推力轴承具有摩擦、磨损及由此产生的温升等缺陷，影响旋转机械的速度和精度。而磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中，然后将转子以旋转电机驱动，使其绕特定轴线旋转，转子与定子之间无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑、高精度的一种新型、高性能轴承。
[0003]在五自由度磁悬浮轴承控制系统中，功率放大器是磁悬浮轴承控制系统中非常重要的一部分。电磁轴承系统在早期多采用线性功率放大器，由于线性功放的效率较低、体积相对较大、功率适应范围小等不足，现在电磁轴承系统中几乎都采用效率高、动态特性好的开关功率放大器。较早的磁悬浮轴承开关功放大都采用电流两电平调制技术，存在电流纹波大、动态特性受限等缺点，而三电平调制技术能有效地降低电流纹波，减小电磁噪声，同时减小了线圈的铜损耗，此外还有利于提高开关功放的电流响应速度和控制力响应速度，进而提高系统的整体性能。
[0004]中国专利授权号为CN100461627C的专利文件公开了一种三电平开关功率放大器，包括信号混合处理电路、脉宽调制电路、保护和光耦隔离驱动电路，以及将来自控制器的信号进行处理得到相应的电压信号驱动桥式电路，从而控制负载的电流大小。该放大器的信号混合处理电路是将功率开关桥式电路的电磁线圈中反馈回来的感性负载的电流信号和静态电流调节的电压定好及PID控制器的信号相加处理，输出信号通过脉宽条值电路和光耦隔离驱动电路后直接驱动功率开关管。该控制方式是采用一个反相器对PID信号进行反向来分别实现上、下开关管的控制，本发明提供了一种与上述方式完全不同的控制方式。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种三电平功率放大器控制方法，能够提高开关功放的电流响应速度和控制力响应速度。
[0006]为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是:一种三电平功率放大器控制方法，该功率放大器包括具有上桥开关管和下桥开关管的功率开关桥式电路以及连接于两开关管之间的电磁轴承线圈Lm，该控制方法包括如下步骤:
[0007](I)充电时，上桥开关管在对应驱动信号的控制下进行开通与关断，下桥开关管保持开通状态，当上桥开关管开通时，上桥开关管、电磁轴承线圈Lm和下桥开关管构成充电回路，当上桥开关管关断时，电磁轴承线圈Lm和下桥开关管构成续流回路；
[0008](2)放电时，下桥开关管在对应驱动信号的控制下开通与关断，上桥开关管保持关断状态，当下桥开关管开通时，电磁轴承线圈Lm和下桥开关管构成续流回路，当下桥开关管关断时，电磁轴承线圈Lm处于放电状态。
[0009]上、下桥开关管的驱动信号由开关管控制电路产生，该开关管控制电路包括脉宽调制电路、隔离驱动电路和控制调节电路，所述控制调节电路的输出信号通过脉宽调制电路、隔离驱动电路后驱动功率开关桥式电路的对应开关管，所述控制调节电路用于将功率开关桥式电路的电磁线圈电流反馈信号和给定信号进行处理，且控制调节电路包括上桥开关管驱动信号产生电路和下桥开关管驱动信号产生电路，上桥开关管驱动信号产生电路包括用于将电流反馈信号和给定信号进行处理的PI调节电路和PWM控制器，所述下桥开关管驱动信号产生电路包括用于将电流反馈信号和给定信号进行处理的比较电路。
[0010]所述下桥开关管驱动信号产生电路还包括用于对给定信号进行抬升的信号抬升电路，所述比较电路用于对电流反馈信号和经信号抬升电路调理后的给定信号进行比较处理后输出下桥开关管的驱动信号。
[0011 ] 所述信号抬升电路包括运放U5A，U5A的反相输入端用于通过并联的电阻R41和电阻R42与给定信号连接，U5A的输出端通过电阻R43与其反相输入端连接。
[0012]所述控制调节电路还包括用于对电流反馈信号进行放大、滤波及调理的信号调理电路。
[0013]所述PI调节电路包括运放U4A，U4A的同相输入端用于连接给定信号，其反相输入端用于与电流反馈信号连接。
[0014]所述比较电路包括比较器U6A，U6A的同相输入端用于通过电阻R48与给定信号连接，其反相输入端用于与电流反馈信号连接，其输出端通过电阻R50与其同相输入端连接。
[0015]所述PffM调节器采用占空比0%?100%可调的芯片。
[0016]本发明三电平功率放大器的控制方法采用对上桥开关管和下桥开关管不同的调节方式实现对电磁轴承线圈电流的控制，改变了传统利用反相器对上、下开关管进行控制的方式，控制方式更为简单，且放大器由模拟电路组成，结构简单，具有有效地降低电流纹波，减小电磁噪声，减小线圈的铜损耗，提高电流响应速度和控制力响应速度的优点，实现了低纹波电流输出。
[0017]控制调节电路包括上桥开关管驱动信号产生电路和下桥开关管驱动信号产生电路，轴承线圈的电流反馈信号一方面与给定信号经PI调节电路得到误差信号，再进入PWM调节器形成上桥开关管的驱动信号；一方面与给定信号经比较电路形成下桥开关管的驱动信号，然后将驱动信号经脉冲调制电路和驱动隔离电路直接控制功率开关桥式电路中功率管的开通与关断，从而达到控制电磁轴承线圈电流的目的。
【附图说明】
[0018]图1为本发明三电平功率放大器的原理结构示意图；
[0019]图2为控制调节电路中上桥开关管驱动信号产生的电路原理图；
[0020]图3控制调节电路中下桥开关管驱动信号产生的电路原理图；
[0021]图4为全桥电路原理图；
[0022]图5为开关管控制电路的另一种实施例的电路原理图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
[0024]如图1所示为本发明三电平功率放大器实施例的原理图，由图可知，该放大器包括功率开关桥式电路以及连接于两开关管之间的电磁轴承线圈Lm，本实施例的功率开关桥式电路为半桥主回路，包括上桥开关管Ql和下桥开关管Q2，Q1和Q2为MOSFET或者IGBT，Dl和D2为功率二极管，电解电容El和无感电容Cl为支撑母线电压和吸收功率管的尖峰的作用，Rm为电磁轴线线圈的电阻，电流互感器串联在回路中用于采样电感电流，其电流反馈信号为ILF。该三电平功率放大器控制方法，包括如下步骤:
[0025](I)充电时，上桥开关管Ql在对应驱动信号的控制下开通与关断，下桥开关管Q2保持开通状态，当Ql开通时，Q1、电流互感器、Rm、Ln^P Q2构成充电回路，当Ql关断时，D2、电流互感器、Rm、Lm和Q2构成续流回路；
[0026](2)放电时，下桥开关管Q2在对应驱动信号的控制下开通与关断，上桥开关管Ql保持关断状态，当Q2开通时，D2、电流互感器、Rm, Lm和Q2构成续流回路，当Q2关断时，Lm处于放电状态，构成由D2、电流互感器、Rm、Lm和Dl组成的放电回路。
[0027]本实施例功率开关桥式电路中上、下开关管驱动信号由开关管控制电路产生，该开关管控制电路包括控制调节电路、脉宽调制电路和隔离驱动电路，控制调节电路的输出信号通过脉宽调制电路、隔离驱动电路后驱动功率开关桥式电路的对应开关管，控制调节电路用于将功率开关桥式电路的电磁线圈电流反馈信号和给定信号进行处理，且控制调节电路包括上桥开关管驱动信号产生电路和下桥开关管驱动信号产生电路，上桥开关管驱动信号产生电路包括用于将电流反馈信号和给定信号进行处理的PI调节电路和PWM控制器，下桥开关管驱动信号产生电路包括用于将电流反馈信号和给定信号进行处理的比较电路。
[0028]Ql的G极通过电阻Rll与驱动信号DRV1_G连接，Rll两端并联有电阻RlO和二极管Dll的串联支路，Ql的S极与驱动信号DRV1_E连接，且G极与S极之间连接有电阻R12 ;Q2的G极通过电阻R21与驱动信号DRV2_G连接，R21两端并联有电阻R20和二极管D5的串联支路，Q2的S极与驱动信号DRV2_E连接，且G极与S极之间连接有电阻R22。
[0029]该控制调节电路还包括用于对电流反馈信号进行放大、滤波及调理的信号调理电路和用于对给定信号进行处理的调理电路，电流反馈信号的调理电路如图2的前半部分所示