磁懸浮軸承功率放大器的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

張廣明，陳 淳，梅 磊，季文娟

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京 211816)

0 引 言

磁懸浮軸承技術(shù)利用磁力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子無(wú)機(jī)械接觸懸浮，具有高承載轉(zhuǎn)速、低摩擦損耗、無(wú)需潤(rùn)滑、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、真空超凈和機(jī)械加工等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。磁懸浮軸承系統(tǒng)通常由磁軸承本體、位移傳感器、控制器和功率放大器等幾部分組成［1，2］。

磁懸浮軸承系統(tǒng)中功率放大器的作用是根據(jù)控制器的輸出信號(hào)在控制繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的電流，從而產(chǎn)生一定的懸浮力，使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在平衡位置。其性能直接影響系統(tǒng)的控制性能，因此如何提高功率放大器的性能、降低功耗、提高效率已成為磁懸浮軸承技術(shù)中的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 功率放大器的性能參數(shù)

1.1 磁懸浮軸承功放的效率

磁懸浮軸承系統(tǒng)中，功放的負(fù)載是感性負(fù)載。效率計(jì)算公式如下:

式中:η為功放效率;U為功放電源電壓;I為磁懸浮軸承線圈中的電流;Pt為功放損耗。早期使用的線性功放效率在5% ～30%之間，目前普遍使用的開關(guān)功放效率則可達(dá)60%～90%。

1.2 磁懸浮軸承功放的輸出電流紋波

磁懸浮軸承功放的輸出電流紋波是評(píng)價(jià)功率放大器性能的另一個(gè)重要參數(shù)。電磁力是電流的函數(shù)，輸出電流的波形直接影響轉(zhuǎn)子的控制性能。一方面，較大的輸出電流紋波會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生振動(dòng);另一方面，電流紋波會(huì)帶來(lái)噪聲以及額外的鐵耗和銅耗等不良影響，造成定子和轉(zhuǎn)子溫度升高，繼而影響磁懸浮軸承的性能。

文獻(xiàn)［3］給出了兩電平、三電平PWM開關(guān)功放的電流紋波近似計(jì)算式:

比較兩電平和三電平電流紋波近似計(jì)算公式可知，在開關(guān)頻率L和輸出平均電流值相同的情況下，采用三電平PWM技術(shù)可以大大降低輸出電流紋波。

1.3 電流響應(yīng)速度和控制力響應(yīng)速度［4］

磁懸浮軸承功放的負(fù)載是電磁鐵線圈，是一個(gè)大電感和小電阻的感性負(fù)載，用電流響應(yīng)速度來(lái)評(píng)價(jià)其性能。忽略其他環(huán)節(jié)壓降，則電磁鐵中電流的最大變化率:

可以看出，電流響應(yīng)速度的大小取決于功放電源電壓Ud和線圈電感L。

由于線圈中的電流發(fā)生變化，電磁鐵對(duì)轉(zhuǎn)子的吸力隨之變化，因此控制力響應(yīng)速度也是磁懸浮軸承的一個(gè)重要性能指標(biāo)。定義控制力響應(yīng)速度:

可以看出，通過(guò)增大電流I和功放電源電壓Ud、減小間隙δ可以提高電磁力的響應(yīng)速度。

2 磁懸浮軸承功率放大器的分類

按器件和工作原理不同，功率放大器可分為線性功率放大器和開關(guān)功率放大器。20世紀(jì)60年代末到80年代末主要采用線性功放，之后隨著電力電子技術(shù)和磁懸浮軸承技術(shù)的發(fā)展，在第二屆國(guó)際磁懸浮軸承會(huì)議上F.J.Keith等人首次提出了開關(guān)功放［5］。

按功放受控變量的不同可分為:電壓控制型(輸入是電壓信號(hào)，輸出也是電壓信號(hào))和電流控制型(輸入是電壓信號(hào)，輸出是電流信號(hào))。電壓控制型和電流控制型功放的模型結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 功放模型結(jié)構(gòu)框圖

與電壓控制型功放相比，電流控制型功放的模型相對(duì)簡(jiǎn)單一些。由于采用了電流反饋，可直接輸出電流信號(hào)到電磁鐵線圈，在線性范圍內(nèi)，由電磁鐵電感帶來(lái)的電流滯后影響降到最小，可以忽略。因此對(duì)于中小功率的磁懸浮軸承系統(tǒng)，普遍采用的還是電流控制型功放。

2.1 線性功率放大器

早期的磁懸浮軸承系統(tǒng)大多采用線性功放?，F(xiàn)在一般系統(tǒng)功率小于0.5 kW且要求靈敏性較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的場(chǎng)合，選用線性功率放大器，其原理如圖3所示。線性功放具有輸出紋波小、瞬態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好及電流噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是效率太低，功耗大，因此高電壓下給系統(tǒng)散熱帶來(lái)很大壓力［6］。

線性功放一般分為集電極輸出型和發(fā)射極輸出型。一般集電極輸出型功放由于其時(shí)間常數(shù)小、響應(yīng)速度快而在磁懸浮軸承中應(yīng)用較多。

如圖2所示，給定信號(hào)和反饋信號(hào)做比較后，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)作為功放的控制信號(hào)，控制功放電源電壓和功率管發(fā)射極之間的電勢(shì)之差，從而控制磁軸承線圈中電流的大小。根據(jù)式(1)可得線性功放的效率近似:

圖2 發(fā)射極輸出型線性功放原理圖

可見通過(guò)減小功放電源電壓Ud，可提高功放的效率。但根據(jù)文獻(xiàn)［4］可知，減小功放電源電壓將導(dǎo)致磁軸承電流響應(yīng)速度和控制力的響應(yīng)速度降低，使得磁軸承系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性不好。

2.2 開關(guān)功率放大器

當(dāng)系統(tǒng)功率大于0.5 kW時(shí)，一般采用開關(guān)功率放大器。開關(guān)功放與線性功放最大的區(qū)別在于:線性功放的輸出電壓(或者電流)是連續(xù)型的，因此有的文獻(xiàn)中也稱線性功放為連續(xù)型功放;而開關(guān)功放的輸出電壓(或者電流)是被限制在兩個(gè)或多個(gè)電壓值之間。

開關(guān)功放的優(yōu)點(diǎn)是效率高、功耗低以及動(dòng)態(tài)特性好。但是開關(guān)功放的高頻開關(guān)信號(hào)會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)電磁干擾(包括輻射噪聲和傳導(dǎo)噪聲)，此外，開關(guān)功放的輸出電流常含有較大的紋波，會(huì)對(duì)磁軸承的懸浮性能產(chǎn)生一定的影響。為了減少電流失真，采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略成了目前磁懸浮軸承開關(guān)功放的研究熱點(diǎn)之一［7］。

2.2.1 換能電路

開關(guān)功放中換能電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有單臂式、半橋式和全橋式［8］以及它們的改進(jìn)形式，如圖3所示。

圖3 換能電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)合。對(duì)于單臂式電路，功率管的數(shù)量比全橋或半橋電路減少一半，但是功率管散熱設(shè)計(jì)要求較高;半橋電路不僅可以工作在兩電平狀態(tài)，也可以工作在三電平狀態(tài)。但無(wú)論單臂式還是半橋式，只能輸出單極性電流。而全橋式電路的輸出電流是雙極性的，從而驅(qū)動(dòng)功率管器件數(shù)量減小，功率管散熱也大大降低，這是全橋電路特有的優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2 開關(guān)功放的控制策略

具體實(shí)現(xiàn)磁懸浮軸承開關(guān)功放的控制方法有很多，按其輸出電壓的狀態(tài)則可分為:電流兩態(tài)調(diào)制和電流三態(tài)調(diào)制。

傳統(tǒng)磁懸浮軸承開關(guān)功放所用的控制方式，如脈寬調(diào)制(PWM)、滯環(huán)比較(Hysteresis)、采樣－保持(Sample－Hold)及最小脈寬調(diào)制(MPW)均屬于兩態(tài)調(diào)制。所謂兩態(tài)(兩電平)調(diào)制，即線圈內(nèi)的電流只存在能量吸收狀態(tài)和能量回饋狀態(tài)。線圈內(nèi)的電流隨之快速增加和減小，從而不斷逼近給定電流。兩態(tài)調(diào)制技術(shù)輸出電流紋波比較大，且隨著電源電壓的增加而增大，不利于功放動(dòng)態(tài)性能的提高。

自從1994年Zhangjing提出三態(tài)(三電平)磁懸浮軸承開關(guān)功放理論，出現(xiàn)了多種三態(tài)開關(guān)型功率放大器［9，10］，如三態(tài) PWM 功率放大器［11］、三態(tài)采樣－保持功率放大器、三態(tài)滯環(huán)比較功率放大器等。所謂三態(tài)調(diào)制(三電平)調(diào)制，即線圈內(nèi)的電流存在能量吸收、自然續(xù)流和能量回饋三種狀態(tài)。三態(tài)調(diào)制技術(shù)的提出不但很好地解決了兩態(tài)調(diào)制技術(shù)中難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低電流紋波和良好動(dòng)態(tài)特性的問(wèn)題，而且基于三態(tài)調(diào)制技術(shù)的開關(guān)功放還具有開關(guān)損耗小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)。

北京航空航天大學(xué)的田希暉博士等人提出了基于空間矢量PWM［12］(SVPWM)的三態(tài)開關(guān)功放，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明該功放可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)自由度的線圈，且具有輸出電流紋波、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)［13］。南京航空航天大學(xué)的臧曉敏提出了一種改進(jìn)的基于采樣－保持策略的電流三態(tài)調(diào)制開關(guān)功放，它既保留了采樣－保持策略開關(guān)功放控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又降低了電流紋波和損耗，提高了功放的效率［14］。

2.3 其他功率放大器

2.3.1 混合型功放

磁懸浮軸承功放的負(fù)載是一個(gè)大電感小電阻的感性負(fù)載。穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于負(fù)載的等效電阻很小，從降低功耗的角度考慮，線圈兩端電壓不需要太高。動(dòng)態(tài)時(shí)，要在線圈中獲得足夠大的電流變化率，因而需要較高的電源電壓。因此，減小電源電壓、降低功耗、提高電源電壓提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)是矛盾的。為了解決兩者之間的矛盾，可以通過(guò)線性功放和開關(guān)功放的組合來(lái)解決該問(wèn)題，即混合型功率放大器［15］。

如圖4所示，穩(wěn)態(tài)時(shí)，由線性功放對(duì)磁懸浮軸承線圈供電，此時(shí)電流紋波小，損耗低;動(dòng)態(tài)時(shí)，由 UH對(duì)磁懸浮軸承線圈進(jìn)行供電，產(chǎn)生足夠大的電流變化率，動(dòng)態(tài)特性好;給定電流與反饋電流相比較后，經(jīng)邏輯控制器輸出信號(hào)來(lái)分配開關(guān) S1、S2、S3。

但其復(fù)雜的控制電路會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)可靠性不高的影響，因此在目前磁懸浮軸承功放的研究中并沒(méi)有廣泛應(yīng)用。

圖4 混合型功率放大器

2.3.2 集成化功放

用分立元器件制作的開關(guān)功率放大器體積一般較大，國(guó)外已經(jīng)利用脈寬調(diào)制技術(shù)制造出了集成的開關(guān)功放。比如美國(guó)的德州儀器推出的PWM型音頻功放用的集成功放，效率可以達(dá)到97%;美國(guó)A-pex公司推出的大功率脈寬調(diào)制型功放SA60，具有體積小、效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，集成化功放的研究非常有利于磁懸浮軸承功放向小型化發(fā)展［16］。

2.3.3 G 類功放

G類功放的原理圖如圖5所示。G類功放的特點(diǎn)是由兩個(gè)不同大小的電源對(duì)其供電。當(dāng)控制器的輸入信號(hào)較小時(shí)，磁懸浮軸承線圈受場(chǎng)效應(yīng)管T2控制，由低電壓電源對(duì)負(fù)載進(jìn)行控制，可獲得較高的效率;當(dāng)控制器的輸入信號(hào)較大時(shí)，磁懸浮軸承線圈受T1控制，由高電壓電源對(duì)負(fù)載進(jìn)行控制，可獲得較好的動(dòng)態(tài)特性。

文獻(xiàn)［17］提出了一種應(yīng)用于磁懸浮軸承的改進(jìn)型G類功率放大器。這種新型的G類功放包含三個(gè)功率晶體管，其中兩個(gè)晶體管由不同的電源供電，另外一個(gè)晶體管接地，有效地降低了功耗。

圖5 G類功率放大器

3 結(jié) 語(yǔ)

磁懸浮軸承的應(yīng)用前景非常廣泛，研制出低成本、高性能的功率放大器對(duì)磁懸浮軸承的推廣有著深遠(yuǎn)的意義。本文對(duì)磁懸浮軸承功放的性能參數(shù)和分類進(jìn)行了研究，然后比較了每一類功率放大器的優(yōu)缺點(diǎn)，并分析了開關(guān)功放的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略以及研究現(xiàn)狀。從近年發(fā)表的論文和技術(shù)特征來(lái)看，采用三態(tài)調(diào)制技術(shù)的磁懸浮軸承開關(guān)功放憑借電流紋波小、開關(guān)損耗低、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，得到了磁懸浮軸承功放研究者的青睞。隨著電力電子技術(shù)和制造工藝的發(fā)展，磁懸浮軸承系統(tǒng)向小型化方面發(fā)展，集成化的開關(guān)功放更加成為今后磁懸浮軸承功率放大器的研究熱點(diǎn)之一。

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