阅读说明：本技术 一种用于磁悬浮电机的开关功率放大器 (A kind of switch power amplifier for magnetic suspension motor ) 是由 杨东升 孙维东 马占超 王昕� 邢文超 熊浩杰 张佳男 朱叶盛 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于磁悬浮电机的开关功率放大器,涉及磁悬浮电机技术领域。本发明包括控制电路、驱动电路、两相三桥臂主电路、采样电路、滤波电路；控制电路包括DSP中央处理模块、FPGA模块；所述DSP中央处理模块包括AD转换器、控制算法模块；AD转换器与控制算法模块相连接；控制算法模块与FPGA模块相连接；FPGA模块包括数据锁存模块和n个PWM模块,数据锁存模块与n个PWM模块的输入端相连接；PWM模块的输出端与驱动电路的输入端相连接；驱动电路与两相三桥臂主电路相连接；两相三桥臂主电路与采样电路相连接；采样电路与滤波电路相连接；所述滤波电路的输出端与DSP控制器的AD转换接口相连接。该发明集成度更高、体积小、重量轻,实现了低能耗的要求。(The present invention provides a kind of switch power amplifier for magnetic suspension motor, is related to magnetic suspension motor technical field.The present invention includes control circuit, driving circuit, three bridge arm main circuit of two-phase, sample circuit, filter circuit；Control circuit includes DSP central processing module, FPGA module；The DSP central processing module includes converter, control algolithm module；Converter is connected with control algolithm module；Control algolithm module is connected with FPGA module；FPGA module includes data latch module and n PWM module, and data latch module is connected with the input terminal of n PWM module；The output end of PWM module is connected with the input terminal of driving circuit；Driving circuit is connected with three bridge arm main circuit of two-phase；Three bridge arm main circuit of two-phase is connected with sample circuit；Sample circuit is connected with filter circuit；The output end of the filter circuit is connected with the AD conversion interface of dsp controller.The invention integrated level is higher, small in size, light-weight, realizes the requirement of low energy consumption.)

一种用于磁悬浮电机的开关功率放大器

技术领域

本发明涉及磁悬浮电机技术领域，尤其涉及一种用于对磁悬浮电机的磁轴承电磁线圈的控制电流进行主动控制的数字开关功率放大器。

背景技术

磁悬浮电机是一种利用磁场力将转子无机械摩擦地悬浮在空中的一种高性能电机，具有无摩擦、无磨损、无需润滑、损耗少及寿命长等优点，无论是在高速运动场合还是低速洁净场合都有广阔的应用前景。在一系列透平机中，极大地发挥了其无摩擦的超高转速特性。由于其高精度的主动控制性能，很大程度提高了电机转子运转性能。国外已将其广泛应用于传统鼓风机、压缩机、分子泵和医疗设备等工业领域。开关功率放大器是磁悬浮电机的重要组成部分，功率放大器的作用是向电磁铁线圈提供相应的控制电流以产生所需要的电磁力，因此耗能在整个系统中占比很高。不仅如此，磁悬浮电机在高速运转时传统的开关功率放大器输出电流纹波较大会在电磁轴承中产生铜耗和铁耗，电机转子因为铜耗产生的热量而发生膨胀，导致设备的损坏。

功率放大器主要采用的是线性功放，然而线性功放虽然结构简单、易实现，但其动态性能较差，且效率低、发热严重，一定程度上限制了磁悬浮电机功率等级的提升。为了提高功率放大器的效率，传统磁悬浮电机控制系统的开关功率放大器主电路电流响应速度慢，性能较差的缺点；现有的用于磁悬浮电机控制系统的开关功率放大器主电路有采用单臂式开关功放拓扑，该拓扑结构电磁线圈电流可以快速增加，但是减小的过程比较缓慢，电流下降时，线圈两端的电压只能为0，不能出现反相电压，且该拓扑结构只能通过单极性电流，电流响应速度慢，性能较差的缺陷。此外，磁轴承电机电磁线圈数量多，为避免相互耦合的影响，提高系统的控制精度，每一组线圈都需要独立的驱动电路。但这不仅增加了整个磁悬浮电机控制系统的驱动电路数量，势必同时增加整体电路的体积和重量，从而降低控制系统的可靠性。磁悬浮电机的转子在工作过程中需要悬浮在空中，因此轻微的扰动就会导致转子位置的巨大偏移。现有的磁悬浮电机控制系统大多数采用模拟器件或者DSP作为主要控制芯片，模拟信号总是受到杂讯(信号中不希望得到的随机变化值)的影响。信号被多次复制，或进行长距离传输之后，这些随机噪声的影响可能会变得十分显著，噪声效应会使信号产生有损。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于磁悬浮电机的开关功率放大器，本发明克服传统磁悬浮电机控制系统的开关功率放大器主电路电流响应速度慢，性能较差的缺点；设计一种体积小、器件少、高度集成化的磁悬浮电机控制系统的驱动电路，增强系统的可靠性；提供一种精度高的电流反馈检测电路，提高磁悬浮电机开关功率放大器的效率和稳定性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

本发明提供一种用于磁悬浮电机的开关功率放大器，包括控制电路、驱动电路、两相三桥臂主电路、采样电路、滤波电路；

所述控制电路包括DSP中央处理模块、FPGA模块；所述DSP中央处理模块包括AD转换器、控制算法模块；所述AD转换器用于对电磁线圈的电流信号和轴承的位移信号进行采样，并将转子位移信号和电流反馈信号进行数模转换生成转子位移模拟信号和电流反馈模拟信号，AD转换器的输出端与控制算法模块的输入端相连接；所述控制算法模块用于通过将转子位移信号与参考位置做差得到轴承偏移量，根据偏移量得到相应的控制电流信号；控制算法模块输出端与FPGA模块的输入端相连接；

所述FPGA模块包括数据锁存模块和n个PWM模块，所述数据锁存模块用于储存DSP中央处理模块传输过来的控制电流信号，其输出端分别与n个PWM模块的输入端相连接；所述PWM模块的输出端与驱动电路的输入端相连接；

所述驱动电路包括集成芯片UC1、集成芯片UC2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、二极管D1、开关管VT、变压器T，所述电阻R1的一端与集成芯片UC1相连接，电容C1的一端与集成芯片UC1相连接，电阻R1和电容C1接地，变压器T输入端与集成芯片UC1相连接，输出端与电阻R3并联后与集成芯片UC2相连接；集成芯片UC2与电阻R2相连接，D1与R2并联后连接在开关管VT栅极；驱动电路的输出端与两相三桥臂主电路相连接；

所述两相三桥臂主电路包括6个开关管VT1-VT6、6个续流二极管D21-D26、电磁线圈X、电磁线圈Y；所述开关管VT1与D21并联，VT2与D22并联，VT3与D23并联，VT4与D24并联，VT5与D25并联，VT6与D26并联；电磁线圈X的一端分别与VT1的源极和VT4的漏极相连接，另一端分别与VT2的源极和VT5的漏极相连接，电磁线圈Y的一端分别与VT2的源极和VT5的漏极相连接，另一端分别与VT3的源极和VT6的漏极相连接；电磁线圈X和电磁线圈Y分别与采样电路相连接；

所述采样电路包括霍尔传感器、LM393比较器、电阻R11、电阻R12、电容C11、电容C12、电容C13、电感L11；霍尔传感器的一端分别与两相三桥臂主电路的电磁线圈X和电磁线圈Y相连接，另一端与LM393比较器相连接、电阻R11与电阻R12串联后与LM393比较器并联，电阻R11的一端接电，电阻R12的一端接地，电容C13的一端与LM393比较器相连接，另一端接地，电容C11的一端与LM393比较器相连接，另一端接地，电感L11与电容C12串联，电感L11的另一端与LM393比较器相连接，电容C12的另一端接地；采样电路与滤波电路相连接；

所述滤波电路的输出端与DSP控制器的AD转换接口相连接。

所述两相三桥臂主电路中VT1与VT4构成第一桥臂S1，VT2与VT5构成第二桥臂S2，VT3与VT6构成第三桥臂S3，磁悬浮电机的电磁线圈接在第一桥臂和第二桥臂、第二桥臂和第三桥臂之间。

所述开关功率放大器的工作过程为：AD转换器对电磁线圈X和电磁线圈Y的电流信号和以及电机轴承的位移传感器输出的轴承位移信号进行采样，将采集到的位移反馈信号与电机固定的轴承位置参考信号做差得到轴承偏移量，通过计算得到电磁线圈电流期望值，再通过滤波电路反馈回来的电流信号与控制电流期望值做差，将得到差值记作控制电流真实值，计算公式如下：

i_x＝i-i_f

其中，k为线性刚度系数，k_s为轴承负刚度，k_i为力-电流系数，x为轴承偏移量，d为阻尼系数，为轴承偏移量对时间的倒数，i为控制电流期望值，i_x为控制电流真实值，i_f为反馈电流值；

将电流控制值进行储存后输出至n个PWM模块，每个模块输出两路互补的PWM信号，记作

将每个PWM模块输出两路互补的PWM信号输出至驱动电路，生成控制两相三桥臂主电路开关管导通和关断的栅极驱动信号，通过对两相三桥臂主电路桥臂上的六个开关管导通和关断顺序的控制，使电磁线圈两端加载+U_dc、0、-U_dc三种状态电压；从而在电磁线圈中产生电流以及与电流量成正相关的电磁力，电磁力用于悬浮磁悬浮电机的转子轴承；不同电压状态下的开关管导通情况如下表1所示；

表1不同电压状态下的开关管导通情况

其中当下半桥臂导通时，SF＝1；当上半桥臂导通时，SF＝0，F＝1，2，3；

采样电路采集两相三桥臂主电路的电磁线圈X和电磁线圈Y的电流反馈信号，将得到的电磁线圈的电流信号通过滤波电路滤除电压、电流反馈信号中的噪声后传输至AD转换器。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种用于磁悬浮电机的开关功率放大器，与传统的数字开关功率放大器相比，本发明有如下优势：

(1)集成度更高、体积小、重量轻，实现了低能耗的要求；

(2)与单一使用DSP的数字开关功率放大器不同，本发明采用DSP与FPGA相结合的方法，由DSP实现信号的采集和AD转换，FPGA实现PWM信号的生成与输出，不仅如此，FPGA还可以实现多路PWM信号的输出，大大降低了芯片的使用数量，降低了成本，提高系统工作稳定性；

(3)采用以集成芯片为核心的驱动电路，驱动延时小，器件发热情况得到了很好的解决，抗干扰能力强；

(4)主电路采用两相三桥臂电路，相比于单臂式和半桥式电路，主电路体积减小、质量降低，性能更加优越；

(5)本发明提出的采样电路，不仅可以检测电流的幅值，还可以检测电流的相位，速度快，精度高，较小的电流波动都可以准确地检测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的磁悬浮电机控制系统数字开关功率放大器整体结构图；

图2为本发明实施例提供的控制电路原理图；

图3为本发明实施例提供的PWM信号模块结构示意图；

图4为本发明实施例提供的驱动电路的电路图；

图5为本发明实施例提供的两相三桥臂主电路的电路图；

图6为本发明实施例提供的采样电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的方法如下所述。

本发明提供一种用于磁悬浮电机的开关功率放大器，包括控制电路、驱动电路、两相三桥臂主电路、采样电路、滤波电路；

所述控制电路如图2所示，包括DSP中央处理模块、FPGA模块；所述DSP中央处理模块包括AD转换器、控制算法模块；所述AD转换器用于对电磁线圈的电流信号和轴承的位移信号进行采样，并将转子位移信号和电流反馈信号进行数模转换生成转子位移模拟信号和电流反馈模拟信号，AD转换器的输出端分别与控制算法模块的输入端相连接；所述控制算法模块用于通过将转子位移信号与参考位置做差得到轴承偏移量，根据偏移量得到相应的控制电流信号；控制算法模块输出端与FPGA模块的输入端相连接；

本实施例中DSP中央处理模块采用TMS320F28335，FPGA模块采用Altera CycloneIV EP4CE10F17C8；

所述FPGA模块((Field-Programmable Gate Array))如图3所示，包括数据锁存模块和n个PWM模块，所述数据锁存模块用于储存DSP中央处理模块传输过来的控制电流信号，其输出端分别与n个PWM模块的输入端相连接；所述每个PWM模块都包括时钟模块、计数比较模块、动作限定模块、死区模块，所述时钟模块用于产生时钟频率，确定PWM波形的周期，以及产生时钟计数器的数值，时钟模块输出端分别与计数比较模块的输入端和动作限定模块的输入端相连接；所述计数比较模块包括两个相互独立的寄存器计数比较寄存器1和计数比较寄存器2，用于根据数据锁存模块输出的控制电流信号将时钟计数器的数值分别与计数比较寄存器1和计数比较寄存器2内的数值进行比较，两项数值相等时输出PWM波，通过改变两个计数比较寄存器的值来改变输出PWM信号的占空比，计数比较模块产生两路信号传递给动作限定模块，两路信号彼此独立、互不干扰；计数比较模块的输出端与动作限定模块的输入端相连接；所述动作限定模块用于接收来自时钟模块和计数比较模块的信号，根据是否有激励信号确定动作限定模块的动作方式(所述动作方式包括置高或拉低)，根据动作方式改变PWM波信号，动作限定模块输出两路PWM波形(PWMA、PWMB)，动作限定模块的输出端与死区模块的输入端相连接；所述死区模块用于产生死区时间，通过内部模式选择位IS(IN_SELECT)选择输入的PWM信号，通过内部模式选择位OS(OUT_SELECT)选择输出的PWM信号，极性选择位P(POSEL)控制输出PWM信号的极性，通过设置各个控制位的值，输出两路互补的PWM信号(PWM1、PWM2)，死区模块的输出端与驱动电路的输入端相连接；

本发明的每一个PWM信号模块都配有独立的时钟模块，各时钟模块可以产生不同的时钟频率，从而设置不同的时序来实现更多的功能；每个PWM信号产生模块可以通过各自的时钟模块实现同步触发，达到PWM信号的输出同步；本发明的时钟计数器可以实现三种计数模式：上升计数模式、下降计数模式和增减计数模式；通过软件编程可以实现输出对称的PWM信号，也可以输出非对称的PWM信号；

所述驱动电路如图4所示，用于接收控制电路输出的PWM信号，并生成驱动信号，包括集成芯片UC1、集成芯片UC2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、二极管D1、开关管VT、变压器T，所述电阻R1的一端与集成芯片UC1的引脚8相连接，电容C1的一端与集成芯片UC1的引脚1相连接，电阻R1和电容C1接地，变压器T用作电磁隔离，输入端与集成芯片UC1的引脚4和引脚6相连接，输出端与电阻R3并联后与集成芯片UC2的引脚7和引脚8相连接；集成芯片UC2的引脚2与电阻R2和二极管D1相连接，D1与R2并联后连接在开关管VT栅极；驱动电路有两个集成芯片，可以产生高达100KHZ的开关频率信号，电路的输入端与控制电路FPGA模块产生的PWM信号输出端相连接，驱动电路的输出端与两相三桥臂主电路开关管的栅极相连接；

本实施例中两个集成芯片采用UC3724和UC3725，其中UC3724用来产生高频载波信号，通过选择电容C1和电阻R1的值来决定载波频率的大小，通过4、6引脚产生高频调制波，调制波经过变压器隔离后将信号输出至UC3725芯片的7、8引脚，再经过UC3725调制后生成驱动信号。同时UC3725的内部肖特基整流桥将7、8引脚的高频调制波整流成直流电压为芯片供电。隔离变压的磁化电感很大，可以减小磁化电流，降低UC3724的发热。该驱动电路仅需要单电源就可以进行工作，实现了控制信号与驱动信号的隔离，体积小，适用于磁悬浮电机。

所述两相三桥臂主电路包括6个开关管VT1-VT6、6个续流二极管D21-D26、电磁线圈X、电磁线圈Y；所述开关管VT1与D21并联，VT2与D22并联，VT3与D23并联，VT4与D24并联，VT5与D25并联，VT6与D26并联；电磁线圈X的一端分别与VT1的源极和VT4的漏极相连接，另一端分别与VT2的源极和VT5的漏极相连接，电磁线圈Y的一端分别与VT2的源极和VT5的漏极相连接，另一端分别与VT3的源极和VT6的漏极相连接；为防止产生直通，VT1与VT4不能同时导通，VT2与VT5不能同时导通，VT3与VT6不能同时导通；其中，VT2与VT5构成的第二桥臂为公共桥臂。驱动电路产生的栅极驱动信号控制开关管的导通与关断，从而在电磁线圈中产生转子悬浮所需的电磁力，磁悬浮电机的电磁线圈接在第一桥臂和公共桥臂、公共桥臂和第三桥臂之间；电磁线圈X和电磁线圈Y分别与采样电路相连接；如图5所示，其中将电阻R21与电感L1等效于电磁线圈X，将电阻R22与电感L2等效于电磁线圈Y；

本实施例中开关管采用IRF4868；

所述采样电路包括霍尔传感器、LM393比较器、电阻R11、电阻R12、电容C11、电容C12、电容C13、电感L11；霍尔传感器的一端分别与两相三桥臂主电路的电磁线圈X和电磁线圈Y相连接，另一端与LM393比较器相连接、电阻R11与电阻R12串联后与LM393比较器并联，电阻R11的一端接电，电阻R12的一端接地，电容C13的一端与LM393比较器相连接，另一端接地，电容C11的一端与LM393比较器相连接，另一端接地，电感L11与电容C12串联，电感L11的另一端与LM393比较器相连接，电容C12的另一端接地；采样电路与滤波电路相连接；如图6所示；

霍耳传感器和LM393比较器，霍尔传感器与两相三桥臂主电路的两个电磁线圈相连接，输出端与LM393比较器输入端相连接，LM393比较器的输出与滤波电路相连接，电路主要的功能是检测两相三桥臂主电路中电磁线圈的电流反馈信号，通过上拉电阻提高电流反馈信号的准确性；

用于输入与霍尔传感器的输出和电磁线圈的端点相连接，输出接滤波电路，电路主要的功能是检测两相三桥臂主电路中电磁线圈的电流反馈信号，通过上拉电阻提高电流反馈信号的准确性；

所述滤波电路包括电压跟随器、反向放大器、二阶低通滤波器；所述电压跟随器与采样电路的输出端通过电阻相连接，电阻将采集的电流信号转为电压信号，电压跟随器起到稳定信号和降低输入阻抗的作用；所述反向放大器的输入端与电压跟随器输出端相连接，用于放大采样信号；所述二阶低通滤波器的输入端与反向放大器输出端相连接，滤除信号中的噪声得到稳定的输出信号；滤波电路的输出端与DSP控制器的AD转换接口相连接。

所述两相三桥臂主电路中VT1与VT4构成第一桥臂，VT2与VT5构成第二桥臂(即为公共桥臂)，VT3与VT6构成第三桥臂，磁悬浮电机的电磁线圈接在第一桥臂和第二桥臂、第二桥臂和第三桥臂之间。

所述开关功率放大器的工作过程为：AD转换器对电磁线圈X和电磁线圈Y的电流信号和以及电机轴承的位移传感器输出的轴承位移信号进行采样，将采集到的位移反馈信号与电机固定的轴承位置参考信号做差得到轴承偏移量，通过计算得到电磁线圈电流期望值，再通过滤波电路反馈回来的电流信号与控制电流期望值做差，将得到差值记作控制电流真实值，计算公式如下：

i_x＝i-i_f

其中，k为线性刚度系数，k_s为轴承负刚度，k_i为力-电流系数，x为轴承偏移量，d为阻尼系数，为轴承偏移量对时间的倒数，i为控制电流期望值，i_x为控制电流真实值，i_f为反馈电流值；

将电流控制值进行储存后输出至n个PWM模块，每个模块输出两路互补的PWM信号，记作结合脉宽调制技术由FPGA产生PWM信号输出到驱动电路，输出的PWM信号分别由两路互补的PWM信号组成，通过驱动电路输出至两相三桥臂主电路的六个开关管的栅极。

每个PWM模块具体计算方法如下：

根据时钟频率确定PWM波形的周期和时钟计数器的数值，将时钟计数器的数值的数值分别与计数比较寄存器1和计数比较寄存器2的值进行判断，根据比较结果改变PWM信号的占空比，当比较的数值相等时，则输出该PWM信号，根据时钟模块和计数比较模块输出的数据，判断是否有激励信号确定动作限定模块的动作方式(所述动作方式包括置高或拉低)，根据动作方式改变PWM波信号，动作限定模块输出两路PWM波形(PWMA、PWMB)，产生死区时间，通过内部模式选择位IS(IN_SELECT)选择输入的PWM信号，通过内部模式选择位OS(OUT_SELECT)选择输出的PWM信号，极性选择位P(POSEL)控制输出PWM信号的极性，通过配置各个控制位的值，输出两路互补的PWM信号(PWM1、PWM2)；

将每个PWM模块输出两路互补的PWM信号输出至驱动电路，生成控制两相三桥臂主电路开关管(VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6)导通和关断的栅极驱动信号，通过对两相三桥臂主电路桥臂上的六个开关管导通和关断顺序的控制，使电磁线圈两端加载+U_dc、0、-U_dc三种状态电压；从而在电磁线圈中产生电流以及与电流量成正相关的电磁力，电磁力用于悬浮磁悬浮电机的转子轴承；为更加清楚地介绍开关管的导通与关断顺序，引入开关函数S1、S2和S3。其中当下半桥臂导通时，SF＝1；当上半桥臂导通时，SF＝0，F＝1，2，3；不同电压状态下的开关管导通情况如下表1所示；

表1不同电压状态下的开关管导通情况

三电平电路中每个功率器件所承受的关断电压，仅为直流侧电压的50％，且dv/dt减小了50％。这样,在同等直流电压情况下，对功率器件的耐压值要求就降低了50％，这对降低成本，提高输出容量均具有重大意义。

采样电路采集两相三桥臂主电路的电磁线圈X和电磁线圈Y的电流反馈信号，将得到的电磁线圈的电流信号通过滤波电路滤除电压、电流反馈信号中的噪声后传输至AD转换器。

本实施例中采样电路主要的功能是检测两相三桥臂主电路中电磁线圈的电流反馈信号，通过上拉电阻提高电流反馈信号的准确性。在采集电流信号时，用DL-CT03C1.0穿线式霍尔传感器进行电流采样，电流幅值通过霍尔传感器从而获得。为防止短路事故发生，在运放芯片的电源端配一个0.1uF的解耦电容C13，以消除电源噪声干扰，提高采样可靠性。相位采样采用通用型LM393双电压比较器集成电路。电流相位采集选用LM393比较器，将相位比较器的正端4引脚接地，则可以得到过零比较的电流相位信息。为避免零点漂移等因素的干扰，在信号输入比较时采用R11与R12将电流信号的正负端输入同时抬高芯片电源的1/2，以确保过零点的可靠性。采样电路的输出端与滤波电路相连接，通过滤波电路滤除电压、电流反馈信号中的噪声，为控制电路提供精准的反馈信号。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。