用于磁懸浮系統的新型混合功率放大器的設計

1 引言

磁懸浮技術(shù)由于其無(wú)接觸的特點(diǎn)，避免了物體之間的摩擦和磨損，能延長(cháng)設備的使用壽命，改善設備的運行條件，因而在交通、冶金、機械、電器、材料等各個(gè)方面有著(zhù)廣闊的應用前景。功率放大器作為磁懸浮控制系統的重要組成部分，其作用是控制電磁鐵中電流產(chǎn)生電磁力。其性能優(yōu)劣對磁懸浮控制系統有著(zhù)顯著(zhù)的影響。

用于磁懸浮控制系統的功率放大器主要有線(xiàn)性功率放大器和開(kāi)關(guān)型功率放大器，前者是指功率器件工作在放大區的功率放大器，其優(yōu)點(diǎn)是低噪音、結構簡(jiǎn)單、易于調試、對給定信號跟隨特性好，但功率消耗大，效率不高，發(fā)熱大;后者的功率器件只工作在飽和區和截止區，即只有開(kāi)、斷兩種狀態(tài)，通過(guò)控制器調節PWM信號的占空比進(jìn)而調節流過(guò)線(xiàn)圈的電流大小。由于功率器件上只有開(kāi)關(guān)損失以及傳導損失，因此開(kāi)關(guān)功放的效率很高，但由于繞組兩端電壓在若干電壓等級之間切換，會(huì )導致電流波形失真。

本文介紹的新型混合功率放大器則集合了線(xiàn)性功放以及開(kāi)關(guān)型功放的優(yōu)點(diǎn)，效率高、速度快、電流脈動(dòng)小、系統運行穩定。

2 新型混合功率大器的原理

本文介紹的新型混合功率放大器的原理如圖1所示：

圖1 新型混合功率放大器的原理

為了降低功率放大器的損耗，利用電壓環(huán)使晶體管電壓穩定。先檢測出晶體管集電極電壓，使之與給定電壓做比較，得到的偏差信號經(jīng)過(guò)控制器，通過(guò)某種控制策略，產(chǎn)生控制信號，之后經(jīng)PWM環(huán)節得到一定占空比的脈沖信號，改變電源電壓U，使其在動(dòng)態(tài)時(shí)提高功率放大器的電源電壓，提高動(dòng)態(tài)響應;在穩態(tài)時(shí)降低功率放大器的電源電壓，降低放大器自身?yè)p耗。電流環(huán)則起到控制線(xiàn)圈電流的作用。給定值來(lái)自位置傳感器，與反饋電流比較后，產(chǎn)生的偏差信號被送入控制器，得到晶體管的控制信號，從而控制線(xiàn)圈電流，進(jìn)而控制電磁鐵的電磁力。

當系統處于穩態(tài)時(shí)，線(xiàn)圈中電流變化小，可忽略電感電壓，此時(shí)電源電壓為：

U = iRl+ uT

其中i為線(xiàn)圈電流，Rl為線(xiàn)圈電阻，uT為功率管電壓。

當系統處于動(dòng)態(tài)時(shí)，位置傳感器檢測到位置的變化而引起i r的變化，通過(guò)與 if比較，從而使晶體管電壓uT變化，從而使線(xiàn)圈中的電流跟隨給定值變化。而的變化將通過(guò)電壓環(huán)調節功率放大器電源電壓，使其保持恒定。此時(shí)的電源電壓為：

U = iRi+ uT+ Ldi/dt

這種混合型功率放大器采用斬波器控制線(xiàn)性放大器電源電壓，而放大器的主體采用線(xiàn)性功放，既保留了線(xiàn)性功放噪聲低、穩定性好的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其損耗大的不足，將改善整個(gè)磁懸浮控制系統的性能。

3 控制電路拓撲

磁懸浮軸承上應用的繞組控制電路拓撲結構主要以橋式電路為主，而橋式電路又分為半橋式電路和全橋式電路。半橋式電路原理如圖2所示。

圖2 半橋式電路原理

圖3 全橋式電路原理

圖4 基于Multisim的混合功率放大器仿真電路

圖5 混合功率放大器的階躍響應

圖6 混合功率放大器跟蹤特性仿真波形

功率管VT1、VT2同時(shí)導通，電路處于充電狀態(tài)，線(xiàn)圈兩端電壓為+U，電流增大;VT1、VT2一通一斷，則電路處于續流狀態(tài);VT1、VT2同時(shí)關(guān)斷，電流經(jīng)過(guò)VD1、VD2回饋電源。

由電路的運行狀態(tài)可知，半橋式控制電路中，經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈的電流是單向的，這顯然是不適合應用于磁懸浮控制系統的。全橋式電路原理如圖3所示。

T1、T2、T3、T4分別為四個(gè)功率管，其中T1、T3工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，T2、T4工作在放大狀態(tài)。T2、T3導通，T1、T4截止時(shí)，電流正向流過(guò)線(xiàn)圈，電流大小通過(guò)T2控制;當T1、T4導通，T2、T3截止時(shí)，電流逆向流過(guò)線(xiàn)圈，電流大小通過(guò)T4控制。

四個(gè)功率管截止時(shí)，電流通過(guò)二極管進(jìn)行續流。由電路的運行狀態(tài)可知，全橋式電路可以實(shí)現電流的雙向流動(dòng)，滿(mǎn)足磁懸浮控制系統的要求。因此選擇全橋式電路拓撲結構。

4 混合功率放大器的性能分析

系統的Multisim仿真電路如圖4所示，L2、C1、D1、V2構成了BUCK變換器，電壓環(huán)控制采用了滯環(huán)控制。V2為電流傳感器，XSC1為示波器，A5、A6、A8則構成了PID調節器。功率管集電極反饋電壓輸入電壓滯回模塊，控制模擬開(kāi)關(guān)開(kāi)斷，調節占空比，從而達到控制電源電壓的目的。直流電源VCC、二極管D4是為了解決BUCK電路占空比低所引起的電壓波形變差的問(wèn)題。當電源電壓低于8V，由8V直流電源直接供電。

當給定信號為階躍信號時(shí)，混合功率放大器的仿真如圖5所示。其中圖(a)、(b)分別為電源電壓在300V與400V時(shí)的階躍響應，由圖可以清晰地看出，電流的跟蹤速度與放大器的電源電壓有著(zhù)密切的關(guān)系，電壓越高，響應速度越快。

由于復雜的電流波形可以通過(guò)不同頻率的正弦波疊加而成，因此，將給定的電流信號設定為正弦信號，頻率值為1500Hz，電源電壓設為300V。系統的仿真波形如圖6所示。A曲線(xiàn)為給定值曲線(xiàn)，B曲線(xiàn)為電流傳感器測得的實(shí)際值曲線(xiàn)，由此可知，實(shí)際電流值很好地跟隨了給定電流的變化。

結束語(yǔ)

對新型混合功率放大器的原理、拓撲進(jìn)行了介紹，并通過(guò)Multisim仿真，對其特性進(jìn)行了分析。結果表明，新型混合功率放大器效率高、響應速度快，能夠滿(mǎn)足磁懸浮控制系統的要求。