一種基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路，采用雙橋結(jié)構(gòu)的主電路，所述的主電路包括2個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件和2個(gè)二極管：第一功率開(kāi)關(guān)器件(Q1)、第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)、第一二極管(D1)和第二二極管(D2)；第一功率開(kāi)關(guān)器件與第二二極管組成第一橋臂，第二功率開(kāi)關(guān)器件和第一二極管組成第二橋臂；該基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路安全性高，損耗低，且磁力脈動(dòng)幅度低。
【專利說(shuō)明】
一種基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路
技術(shù)領(lǐng)域
[OO01 ]本發(fā)明涉及一種本發(fā)明涉及一種P WM控制技術(shù)，特別涉及磁懸浮軸承電磁極的磁力控制方法，用于感性負(fù)載的電流驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1-2是一種感性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)的電路圖，MOSFET開(kāi)關(guān)信號(hào)LIN高電平則Q2導(dǎo)通，母線電壓加載在電磁極EMP的兩端，產(chǎn)生如圖1所示的驅(qū)動(dòng)電流i，LIN為低電平時(shí)Q2關(guān)閉，電流i如圖2所示經(jīng)二極管Dl續(xù)流，通過(guò)調(diào)整LIN的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電流的大小，這種控制方式導(dǎo)通損耗高，且開(kāi)關(guān)頻率受續(xù)流二極管Dl反向恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間及開(kāi)關(guān)損耗的制約，一般只適用于小功率場(chǎng)合。
[0003]圖3-4給出一種低電壓大電流的感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)控制方案，電路采用推挽式結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)控制時(shí)序如圖5所示，當(dāng)HIN為高電平，LIN為低電平時(shí)，Ql導(dǎo)通，Q2關(guān)閉，母線電壓VDD通過(guò)Ql加載在電磁極EMP兩側(cè)，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)流i如圖3所示；當(dāng)?shù)虷IN為電平，LIN為高電平時(shí)，Ql關(guān)閉，Q2導(dǎo)通，D2和Q2并聯(lián)為感性負(fù)載續(xù)流，此時(shí)電流走向如圖4所示。調(diào)整HIN、LIN在空比實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓U的大小控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁極EMP驅(qū)動(dòng)電流i的控制，Tl為開(kāi)關(guān)管Ql的通斷周期，Tl為EMP驅(qū)動(dòng)電壓U的周期，兩者之間的關(guān)系為:
[0004]TO = Tl
[0005]上式表明該控制方式PMW電壓U(或電流i)的頻率等于開(kāi)關(guān)管Ql、Q2的開(kāi)關(guān)頻率。
[0006]對(duì)于磁懸浮的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，電磁極驅(qū)動(dòng)電流脈動(dòng)，意味著的磁極吸力波動(dòng)，進(jìn)而弓I起磁懸浮轉(zhuǎn)子震動(dòng)，在Ql、Q2、D1、D2電氣特性允許的范圍內(nèi)，要求較高的PffM頻率。
[0007]從圖5可以看出，該驅(qū)動(dòng)方法的PffM開(kāi)關(guān)頻率等于Ql、Q2的開(kāi)關(guān)頻率，根據(jù)P麗控制理論，開(kāi)關(guān)器件的損耗正比于開(kāi)關(guān)頻率，高開(kāi)關(guān)頻則意味著高功耗，而磁懸浮系統(tǒng)一般安裝電機(jī)上，體積結(jié)構(gòu)要緊湊，要求工作過(guò)程中發(fā)熱量盡可能低。
[0008]從圖5可以看出，磁懸浮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，Ql及Q2總是工作在交替導(dǎo)通狀態(tài)，兩者之間在時(shí)間上必須保持一個(gè)死區(qū)間隔Td，以防止同時(shí)導(dǎo)通。磁懸浮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通常在I萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，安全性要求較高，而磁懸浮軸承的工作環(huán)境不可避免會(huì)有電磁污染，外界的干擾使開(kāi)關(guān)管Q1、Q2管存在著同時(shí)導(dǎo)通的危險(xiǎn)，從而引起母線電壓發(fā)生瞬間短路故障。
[0009]磁懸浮軸承一般有20路以上的輸入、10路以上的輸出，且實(shí)時(shí)性要求較高，目前產(chǎn)品都是用多個(gè)DSP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，控制電路復(fù)雜，針對(duì)上述磁懸浮系統(tǒng)高開(kāi)關(guān)頻率、低功耗及高可靠性要求，有必要發(fā)明一種用于電磁極控制電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路，該基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路安全性高，損耗低，且磁力脈動(dòng)幅度低。
[0011]發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0012]—種基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路，采用雙橋結(jié)構(gòu)的主電路，所述的主電路包括2個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件和2個(gè)二極管:第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)、第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)、第一二極管(Dl)和第二二極管(D2);
[0013]第一功率開(kāi)關(guān)器件與第二二極管組成第一橋臂，第二功率開(kāi)關(guān)器件和第一二極管組成第二橋臂；
[0014]所述的第一橋臂中，第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)的第一端接直流電源正極(VDD);第一功率開(kāi)關(guān)器件的第二端為控制端，接控制信號(hào)HIN，第一功率開(kāi)關(guān)器件的第三端接第二二極管的負(fù)極和電磁極的第一端;第二二極管的正極接地；
[0015]所述的第二橋臂中，第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)的第一端和第一二極管(Dl)的正極接電磁極的第二端;第一二極管的負(fù)極接直流電源正極(VDD);第二功率開(kāi)關(guān)器件的第二端為控制端，接控制信號(hào)LIN，第二功率開(kāi)關(guān)器件第三端接地；
[0016]依據(jù)功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，電磁極工作在以下模式:
[0017](I)PP 狀態(tài):
[0018]當(dāng)?shù)谝还β书_(kāi)關(guān)器件(Ql)和第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)均導(dǎo)通時(shí)，電流由直流電源正極(VDD)依次經(jīng)第一功率開(kāi)關(guān)器件(Q1)、電磁極和第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)到達(dá)接地端；
[0019](2)NP 狀態(tài):
[0020]當(dāng)?shù)谝还β书_(kāi)關(guān)器件(Ql)截止且第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)導(dǎo)通時(shí)，電磁極、第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)和第二二極管(D2)形成環(huán)路；
[0021](3)PN 狀態(tài):
[0022]當(dāng)?shù)谝还β书_(kāi)關(guān)器件(Ql)導(dǎo)通且第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)截止時(shí)，電磁極、第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)和第一二極管(Dl)形成環(huán)路。
[0023]所述的功率開(kāi)關(guān)器件為IGBT或N溝道MOSFET管;所述的功率開(kāi)關(guān)器件的第二端是指IGBT或N溝道MOSFET管的G極；所述的功率開(kāi)關(guān)器件的第一端是指IGBT的C極或N溝道MOSFET管的D極，所述的功率開(kāi)關(guān)器件的第三端是指IGBT的E極或N溝道MOSFET管的S極。
[0024]實(shí)現(xiàn)方式用FGPA/CPLD、DSP軟件或者數(shù)字電路；用于驅(qū)動(dòng)主電路的驅(qū)動(dòng)電路包括計(jì)數(shù)器(U1)、第一比較器(U2)、第二比較器(U3)、二輸入端的與門和二輸入端的或門；
[0025]計(jì)數(shù)器(Ul)、第一比較器(U2)、第二比較器(U3)的時(shí)鐘輸入端均與主時(shí)鐘信號(hào)Clk相接；
[0026](I)計(jì)數(shù)器
[0027]計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)端接使能信號(hào)En;第一比較器(U2)、第二比較器(U3)的第二輸入端均接計(jì)數(shù)器的輸出端Cnt;計(jì)數(shù)器的清零端接或門的輸出端;或門的兩個(gè)輸入端分別接清零信號(hào)Clear和第二比較器(U3)的輸出信號(hào)Carry;與門的兩個(gè)輸入端分別接使能信號(hào)En和第二比較器(U3)的輸出信號(hào)Carry ；與門的輸出信號(hào)為狀態(tài)機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)志信號(hào)Eno ；
[0028](2)第一比較器
[0029]第一比較器的第一輸入端接Pw信號(hào)，Pw信號(hào)的值為一個(gè)HVM周期內(nèi)的高電平所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)鐘數(shù);狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)控制PWM，狀態(tài)機(jī)受控于計(jì)數(shù)器、定時(shí)器，均可通過(guò)FPGA程序?qū)崿F(xiàn)或普通的數(shù)字電子電路實(shí)現(xiàn);第一比較器的輸出信號(hào)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移標(biāo)志信號(hào)Sw;
[0030](3)第二比較器
[0031]第二比較器的第一輸入端接Per1d信號(hào)，Per1d信號(hào)的值為一個(gè)HVM周期內(nèi)的系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)，第一比較器當(dāng)Pw>Cnt時(shí)輸出Sw = I，反之輸出Sw = O;第二比較器當(dāng)Cnt <Per1d時(shí)輸出 Carry = O，反之Carry = I。
[0032]電磁極還包括一個(gè)空閑狀態(tài)模式(Idle);各狀態(tài)模式切換過(guò)程如下:
[0033]空閑狀態(tài):電磁極初始化狀態(tài)，HIN、LIN保持上一個(gè)狀態(tài)的值或初始化狀態(tài)的值，第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)和第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)保持上一個(gè)狀態(tài)，當(dāng)Eno = I時(shí)轉(zhuǎn)移到PP狀態(tài)；
[0034]PP狀態(tài):輸入為Sw，輸出!11~=1丄1~=1(1表示高電平，0表示低電平)，此時(shí)第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)和第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)同時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)Sw=I時(shí)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，下一個(gè)狀態(tài)依據(jù)切換標(biāo)志位Flag確定，F(xiàn)lag= I則下一個(gè)狀態(tài)為NP狀態(tài)，同時(shí)將Flag置O;當(dāng)Flag = O，則下一個(gè)狀態(tài)為PN狀態(tài)，同時(shí)將Flag置I; flag的初值由人為設(shè)定，如O或I;
[0035]NP狀態(tài):狀態(tài)輸出HIN = O，LIN= I，此時(shí)第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)截止，第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)導(dǎo)通，電磁極(EMP)電流經(jīng)第一二極管(Dl)續(xù)流，下一個(gè)狀態(tài)是空閑狀態(tài)；
[0036]PN狀態(tài):狀態(tài)輸出HIN= I，LIN = 0，第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)導(dǎo)通，第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)截止，電磁極電流經(jīng)第二二極管(D2)續(xù)流，下一個(gè)狀態(tài)是空閑狀態(tài)。
[0037]母線電壓范圍為24V-260V之間，PWM頻率范圍在1kHz-1OOkHz之間，PffM占空比在20%-90% 之間。
[0038]驅(qū)動(dòng)電路采用FGPA/CPLD、DSP、單片機(jī)或者由分立器件構(gòu)成的數(shù)字電子電路實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選采用FGPA/CPL實(shí)現(xiàn)。
[0039]VDD又稱為直流母線電壓。
[0040]驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖6-9所示的雙橋結(jié)構(gòu)，左側(cè)橋由Ql和D2構(gòu)成，Ql漏極、D2的N極及電磁極EMP的一端構(gòu)成一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，右側(cè)橋由Q2和DI構(gòu)成，Q2源極、D2的P極及EMP的另一端構(gòu)成另外一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生EMP驅(qū)動(dòng)電壓U。
[0041 ] 控制方法是通過(guò)控制Ql、Q2導(dǎo)通時(shí)間寬度實(shí)現(xiàn)電磁極電流控制，Ql、Q2用PWM控制狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制狀態(tài)機(jī)有4個(gè)狀態(tài):IDLE、PP、PN、NP;
[0042]IDLE狀態(tài)(空閑狀態(tài)):此狀態(tài)中Ql、Q2保持上一個(gè)時(shí)刻的值，即磁軸承初始化狀態(tài)、PN或NP，Eno為高電平時(shí)產(chǎn)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移；
[0043]PP狀態(tài):Ql、Q2同時(shí)導(dǎo)通，直流母線電壓VDD經(jīng)Ql、EMP、Q2通道，為電磁極EMP提供驅(qū)動(dòng)電流，EMP驅(qū)動(dòng)電流i如圖7;
[0044]PN狀態(tài):Ql截止、Q2導(dǎo)通，電磁極EMP電流經(jīng)DI續(xù)流，EMP驅(qū)動(dòng)電流i流向如圖9所示；
[0045 ] NP狀態(tài):Q1導(dǎo)通、Q2截止，電磁極EMP電流經(jīng)D2續(xù)流，EMP驅(qū)動(dòng)電流i流向如圖8所示；PP表不尚尚(正正)意味著Ql、Q2同時(shí)導(dǎo)通，PN意味著尚低，Q1通，Q2關(guān)。
[0046]磁軸承系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，控制狀態(tài)機(jī)停止在IDLE狀態(tài)，此時(shí)電磁極僅有開(kāi)關(guān)管的漏電流電流流過(guò)EMP。
[0047]磁軸承系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，其狀態(tài)時(shí)序?yàn)镻P->PN->PP->NP_>PP方式循環(huán)切換，如圖10所示，Ql、Q2開(kāi)關(guān)時(shí)序見(jiàn)圖11，開(kāi)關(guān)管Ql、Q2的通斷周期為TO，EMP輸入電壓U的周期為Tl，兩者之間的關(guān)系為
[0048]T0 = 2T1
[0049 ]電磁極吸力是驅(qū)動(dòng)電流及定轉(zhuǎn)子之間氣隙的函數(shù)，在一定范圍內(nèi)正比于電流的平方，反比與氣隙的平方，軸承氣隙范圍由輔助軸承及軸承定子的相對(duì)距離限定。為保證電磁吸力的線性，軸承徑向安裝2-4對(duì)電磁極，采用差動(dòng)方式控制吸力，電磁驅(qū)動(dòng)電流的范圍受母線電壓、氣隙、溫度范圍、吸力范圍制約，高P麗頻率可以降低驅(qū)動(dòng)電流的脈動(dòng)，但是其范圍受制約IGBT或Mosfet器件開(kāi)關(guān)頻率限制。
[0050] 有益效果:
[0051 ]與圖3-4所對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)EMP驅(qū)動(dòng)控制方式相比，本發(fā)明的基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0052](I )Q1、Q2同時(shí)導(dǎo)通是控制狀態(tài)的一個(gè)正常狀態(tài)，在此狀態(tài)中直流母線電壓VDD對(duì)電磁極EMP產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流，從根本上解決了傳統(tǒng)控制方式存在的母線電壓瞬間短路故障隱患；
[0053 ] (2) U的輸出頻率相同的情況下，本發(fā)明中開(kāi)關(guān)管的頻率為PffM頻率的一半，理論上將開(kāi)關(guān)管的通斷損耗降低了 50%。
[0054](3)開(kāi)關(guān)管的通斷頻率一致(或者開(kāi)關(guān)損耗一只)的情況下，本發(fā)明的PffM輸出頻率是傳統(tǒng)控制方式的2倍，有效保證電磁極EMP驅(qū)動(dòng)電流平滑，大幅降低電磁極吸力脈動(dòng)幅度。
[0055]總而言之，本發(fā)明的電路構(gòu)思巧妙，控制可靠性高，能耗低，易于實(shí)施。
[0056]本專利中控制電路及狀態(tài)機(jī)都是優(yōu)選基于FPGA系統(tǒng)，也可以是通過(guò)數(shù)字電路控制，控制程序及接口通信程序都是在FPGA軟核處理器實(shí)現(xiàn)，單片實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、驅(qū)動(dòng)控制及系統(tǒng)控制。
【附圖說(shuō)明】
[0057]圖1為現(xiàn)有的單端變換驅(qū)動(dòng)電路在MOS管導(dǎo)通時(shí)的電流流向圖；
[0058]圖2為現(xiàn)有的單端變換驅(qū)動(dòng)電路在MOS管截止時(shí)的電流流向圖；
[0059]圖3為雙管推挽式變換驅(qū)動(dòng)電路在Ql導(dǎo)通、Q2截止時(shí)的電流示意圖；
[0060]圖4為雙管推挽式變換驅(qū)動(dòng)電路在Ql截止、Q2導(dǎo)通時(shí)的電流示意圖；
[0061 ]圖5為雙管推挽式變換PffM時(shí)序圖；
[0062]圖6為基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路圖；
[0063]圖7為圖6所不電路在PP狀態(tài)時(shí)的電流不意圖；
[0064]圖8為圖6所不電路在PN狀態(tài)時(shí)的電流不意圖；
[0065]圖9為圖6所不電路在NP狀態(tài)時(shí)的電流不意圖；
[0066]圖10本發(fā)明中變換驅(qū)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)；
[0067]圖11本發(fā)明中變換驅(qū)動(dòng)PffM波形圖；
[0068]圖12本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路示意圖；
[0069]圖13本發(fā)明PffM驅(qū)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)示意圖。
[0070]圖14電壓輸出實(shí)測(cè)波形圖；
[0071]圖15磁極電流實(shí)測(cè)波形圖。
[0072]圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明:
[0073]Clk:時(shí)鐘信號(hào)，周期為Tc;
[0074]Cnt:計(jì)數(shù)器Ul的輸出值；
[0075]Ul:計(jì)數(shù)器；
[0076]U2:比較器；
[0077]U3:比較器；
[0078]Per1d: PffM周期，Tpwm = Per1d X Tc ；
[0079]Pw: PffM脈寬，TO = Pw X Tc;
[0080]En:PffM使能信號(hào)，En = 0則HIN、LIN同為高阻態(tài)，En = l，Ql、Q2受控制HIN、LIN控制；
[0081]Clr:計(jì)數(shù)器清零信號(hào)；
[0082]Carry:U3 進(jìn)位信號(hào)；
[0083]Eno:狀態(tài)轉(zhuǎn)換標(biāo)志位；
[0084]Sw:計(jì)數(shù)器U2的輸出信號(hào)；
[0085]Flag:狀態(tài)轉(zhuǎn)換標(biāo)志位；
[0086]VDD:直流母線電壓；
[0087]Ql、Q2:功率開(kāi)關(guān)器件,MosfetSlGBT ；
[0088]Dl、D2:續(xù)流二極管，快恢復(fù)二極管或者肖特基二極管；
[0089]EMP:電磁極；
[0090]U:電磁極驅(qū)動(dòng)電壓；
[0091]1:電磁極驅(qū)動(dòng)電流；
[0092]T0:功率開(kāi)關(guān)器件(Mosfet/IGBT)的開(kāi)關(guān)周期；
[0093]T1:電磁極PMW輸出信號(hào)周期；
[0094]EMP:電磁極；
[0095]Dl續(xù)流二級(jí)管；
[0096]Idle:狀態(tài)O，HIN、LIN保持上一個(gè)狀態(tài)；
[0097]PN:狀態(tài)I，HIN為低電平、LIN為高電平；
[0098]PN:狀態(tài)2，HIN為高電平、LIN為低電平；
[0099]PP:狀態(tài)3，HIN、LIN同為高電平。
【具體實(shí)施方式】
[0100]以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明:
[0101 ]實(shí)施例1:如圖6，一種基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路，采用雙橋結(jié)構(gòu)的主電路，所述的主電路包括2個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件和2個(gè)二極管:第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)、第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)、第一二極管(Dl)和第二二極管(D2);
[0102]第一功率開(kāi)關(guān)器件與第二二極管組成第一橋臂，第二功率開(kāi)關(guān)器件和第一二極管組成第二橋臂；
[0103]所述的第一橋臂中，第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)的第一端接直流電源正極(VDD);第一功率開(kāi)關(guān)器件的第二端為控制端，接控制信號(hào)HIN，第一功率開(kāi)關(guān)器件的第三端接第二二極管的負(fù)極和電磁極的第一端;第二二極管的正極接地；
[0104]所述的第二橋臂中，第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)的第一端和第一二極管(Dl)的正極接電磁極的第二端;第一二極管的負(fù)極接直流電源正極(VDD);第二功率開(kāi)關(guān)器件的第二端為控制端，接控制信號(hào)LIN，第二功率開(kāi)關(guān)器件第三端接地；
[0105]依據(jù)功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，電磁極工作在以下模式:
[0106](I)PP 狀態(tài):
[0107]當(dāng)?shù)谝还β书_(kāi)關(guān)器件(Ql)和第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)均導(dǎo)通時(shí)，電流由直流電源正極(VDD)依次經(jīng)第一功率開(kāi)關(guān)器件(Q1)、電磁極和第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)到達(dá)接地端；
[0108](2)NP 狀態(tài):
[0109]當(dāng)?shù)谝还β书_(kāi)關(guān)器件(Ql)截止且第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)導(dǎo)通時(shí)，電磁極、第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)和第二二極管(D2)形成環(huán)路；
[0110](3)PN 狀態(tài):
[0111]當(dāng)?shù)谝还β书_(kāi)關(guān)器件(Ql)導(dǎo)通且第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)截止時(shí)，電磁極、第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)和第一二極管(Dl)形成環(huán)路。
[0112]所述的功率開(kāi)關(guān)器件為IGBT或N溝道MOSFET管;所述的功率開(kāi)關(guān)器件的第二端是指IGBT或N溝道MOSFET管的G極；所述的功率開(kāi)關(guān)器件的第一端是指IGBT的C極或N溝道MOSFET管的D極，所述的功率開(kāi)關(guān)器件的第三端是指IGBT的E極或N溝道MOSFET管的S極。
[0113]實(shí)現(xiàn)方式用FGPA/CPLD、DSP軟件或者數(shù)字電路；用于驅(qū)動(dòng)主電路的驅(qū)動(dòng)電路包括計(jì)數(shù)器(U1)、第一比較器(U2)、第二比較器(U3)、二輸入端的與門和二輸入端的或門；
[0114]計(jì)數(shù)器(Ul)、第一比較器(U2)、第二比較器(U3)的時(shí)鐘輸入端均與主時(shí)鐘信號(hào)Clk相接；
[0115](I)計(jì)數(shù)器
[0116]計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)端接使能信號(hào)En;第一比較器(U2)、第二比較器(U3)的第二輸入端均接計(jì)數(shù)器的輸出端Cnt;計(jì)數(shù)器的清零端接或門的輸出端;或門的兩個(gè)輸入端分別接清零信號(hào)Clear和第二比較器(U3)的輸出信號(hào)Carry;與門的兩個(gè)輸入端分別接使能信號(hào)En和第二比較器(U3)的輸出信號(hào)Carry ；與門的輸出信號(hào)為狀態(tài)機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)志信號(hào)Eno ；
[ΟΙ17] (2)第一比較器
[0118]第一比較器的第一輸入端接Pw信號(hào)，Pw信號(hào)的值為一個(gè)HVM周期內(nèi)的高電平所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)鐘數(shù);狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)控制PWM，狀態(tài)機(jī)受控于計(jì)數(shù)器、定時(shí)器，均可通過(guò)FPGA程序?qū)崿F(xiàn)或普通的數(shù)字電子電路實(shí)現(xiàn);第一比較器的輸出信號(hào)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移標(biāo)志信號(hào)Sw;
[0119](3)第二比較器
[0120]第二比較器的第一輸入端接Per1d信號(hào)，Per1d信號(hào)的值為一個(gè)HVM周期內(nèi)的系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)，第一比較器當(dāng)Pw>Cnt時(shí)輸出Sw = I，反之輸出Sw = O;第二比較器當(dāng)Cnt <Per1d時(shí)輸出 Carry = 0，反之Carry = I。
[0121]電磁極還包括一個(gè)空閑狀態(tài)模式(Idle);各狀態(tài)模式切換過(guò)程如下:
[0122]空閑狀態(tài):電磁極初始化狀態(tài)，HIN、LIN保持上一個(gè)狀態(tài)的值或初始化狀態(tài)的值，第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)和第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)保持上一個(gè)狀態(tài)，當(dāng)Eno = I時(shí)轉(zhuǎn)移到PP狀態(tài)；
[0123]PP狀態(tài):輸入為Sw，輸出!11~=1丄1~=1(1表示高電平，0表示低電平)，此時(shí)第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)和第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)同時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)Sw=I時(shí)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，下一個(gè)狀態(tài)依據(jù)切換標(biāo)志位Flag確定，F(xiàn)lag= I則下一個(gè)狀態(tài)為NP狀態(tài)，同時(shí)將Flag置O;當(dāng)Flag = O，則下一個(gè)狀態(tài)為PN狀態(tài)，同時(shí)將Flag置I; flag的初值由人為設(shè)定，如O或I;
[0124]NP狀態(tài):狀態(tài)輸出HIN = O，LIN= I，此時(shí)第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)截止，第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)導(dǎo)通，電磁極(EMP)電流經(jīng)第一二極管(Dl)續(xù)流，下一個(gè)狀態(tài)是空閑狀態(tài)；
[0125]PN狀態(tài):狀態(tài)輸出HIN= I，LIN = O，第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)導(dǎo)通，第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)截止，電磁極電流經(jīng)第二二極管(D2)續(xù)流，下一個(gè)狀態(tài)是空閑狀態(tài)。
[0126]母線電壓范圍為24V-260V之間，PWM頻率范圍在1kHz-1OOkHz之間，P麗占空比在20%-90% 之間。
[0127]EMP驅(qū)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)電路如圖12所示，En為低電平時(shí)，磁軸承處于停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)En= I時(shí)，使能狀態(tài)機(jī)，實(shí)施方式如下:
[0128]Clk是系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，計(jì)數(shù)器U1、比較器U2、比較器U3和狀態(tài)機(jī)受Clk時(shí)鐘同步驅(qū)動(dòng)，其周期用Tc來(lái)表示，En為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器Ul在Clk上升沿正向計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的輸出為Cnt0
[0129]Per i 0d值控制的是PffM周期，其值為一個(gè)PffM周期內(nèi)的系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)，PffM周期時(shí)間間隔 Tpwm = Per1d X Tc。
[0130]Pw值控制的是PWM脈寬，其值為一個(gè)PWM周期內(nèi)高電平所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)，PffM周期時(shí)間間隔Tw = Pw X Tc，調(diào)整Pw值即可控制PWM波形的占空比，占空比等于Pw/Per1d。
[0131]計(jì)數(shù)器Ul是一個(gè)計(jì)數(shù)器，En = O時(shí)計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù);En=I時(shí)，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，并輸出計(jì)數(shù)值Cnt。
[ΟΙ32] U2為比較器，當(dāng)Cnt值與Per1d相等時(shí)輸出Carry信號(hào)，并將計(jì)數(shù)器清零。Carry信號(hào)與En信號(hào)同時(shí)為高電平時(shí)Eno = I，Eno標(biāo)志位驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)從Idle狀態(tài)進(jìn)入Pmi狀態(tài)機(jī)循環(huán)。
[0133]U3是比較器，當(dāng)Cnt值與Pw值相等時(shí)，產(chǎn)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移標(biāo)志信號(hào)Sw，狀態(tài)機(jī)依據(jù)Flag標(biāo)志位，依照?qǐng)D8所示的準(zhǔn)則交替選擇PN或NP狀態(tài)為下一個(gè)狀態(tài)。
[0134]?麗控制狀態(tài)機(jī)見(jiàn)圖13，狀態(tài)有4個(gè)狀態(tài):101^、？？、？1冊(cè)；
[0135]IDLE狀態(tài):磁軸承初始化狀態(tài)，此狀態(tài)中狀態(tài)輸出HIN、LIN保持上一個(gè)狀態(tài)的值或初始化狀態(tài)的值，Ql、Q2狀態(tài)保持上一個(gè)狀態(tài)的值，當(dāng)Eno = I時(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到PP。
[0136]pp狀態(tài):輸入為Sw，輸出HIN= I，LIN= I，此時(shí)Ql、Q2同時(shí)導(dǎo)通，直流母線電壓VDD經(jīng)Q1、EMP、Q2通道，為電磁極EMP提供驅(qū)動(dòng)電流，EMP驅(qū)動(dòng)電流i如圖7，當(dāng)Sw = I時(shí)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，下一個(gè)狀態(tài)依據(jù)標(biāo)志位Flag,Flag= I則下一個(gè)狀態(tài)為NP，同時(shí)將Flag置O;當(dāng)Flag = O，則下一個(gè)狀態(tài)為PN，同時(shí)將Flag置I;
[0137]NP狀態(tài):狀態(tài)輸出HIN=0，LIN= I，此時(shí)Ql截止、Q2導(dǎo)通，電磁極EMP電流經(jīng)Dl續(xù)流，EMP驅(qū)動(dòng)電流i流向如圖9所示，狀態(tài)機(jī)下一個(gè)狀態(tài)是I die；
[0138]PN狀態(tài):狀態(tài)輸出HIN=1，LIN = 0，Q1導(dǎo)通、Q2截止，電磁極EMP電流經(jīng)D2續(xù)流，EMP驅(qū)動(dòng)電流i流向如圖8所示，狀態(tài)機(jī)下一個(gè)狀態(tài)是Idle。
[0139]狀態(tài)機(jī)的控制過(guò)程為，當(dāng)En使能時(shí)，PWM狀態(tài)機(jī)將按圖10的方式進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的PWM波形如圖11所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電壓波形參見(jiàn)圖14，驅(qū)動(dòng)電流波形見(jiàn)圖15。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路，其特征在于，采用雙橋結(jié)構(gòu)的主電路，所述的主電路包括2個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件和2個(gè)二極管:第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)、第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)、第一二極管(Dl)和第二二極管(D2); 第一功率開(kāi)關(guān)器件與第二二極管組成第一橋臂，第二功率開(kāi)關(guān)器件和第一二極管組成第二橋臂； 所述的第一橋臂中，第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)的第一端接直流電源正極(VDD);第一功率開(kāi)關(guān)器件的第二端為控制端，接控制信號(hào)HIN，第一功率開(kāi)關(guān)器件的第三端接第二二極管的負(fù)極和電磁極的第一端;第二二極管的正極接地； 所述的第二橋臂中，第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)的第一端和第一二極管(Dl)的正極接電磁極的第二端;第一二極管的負(fù)極接直流電源正極(VDD);第二功率開(kāi)關(guān)器件的第二端為控制端，接控制信號(hào)LIN，第二功率開(kāi)關(guān)器件第三端接地； 依據(jù)功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，電磁極工作在以下模式: (1)PP狀態(tài): 當(dāng)?shù)谝还β书_(kāi)關(guān)器件(Ql)和第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)均導(dǎo)通時(shí)，電流由直流電源正極(VDD)依次經(jīng)第一功率開(kāi)關(guān)器件(Q1)、電磁極和第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)到達(dá)接地端； (2)NP狀態(tài): 當(dāng)?shù)谝还β书_(kāi)關(guān)器件(Ql)截止且第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)導(dǎo)通時(shí)，電磁極、第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)和第二二極管(D2)形成環(huán)路； (3)PN狀態(tài): 當(dāng)?shù)谝还β书_(kāi)關(guān)器件(Ql)導(dǎo)通且第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)截止時(shí)，電磁極、第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)和第一二極管(Dl)形成環(huán)路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路，其特征在于， 所述的功率開(kāi)關(guān)器件為IGBT或N溝道MOSFET管；所述的功率開(kāi)關(guān)器件的第二端是指IGBT或N溝道MOSFET管的G極;所述的功率開(kāi)關(guān)器件的第一端是指IGBT的C極或N溝道MOSFET管的D極，所述的功率開(kāi)關(guān)器件的第三端是指IGBT的E極或N溝道MOSFET管的S極。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路，其特征在于，用于驅(qū)動(dòng)主電路的驅(qū)動(dòng)電路包括計(jì)數(shù)器(Ul)、第一比較器(U2)、第二比較器(U3)、二輸入端的與門和二輸入端的或門； 計(jì)數(shù)器(Ul)、第一比較器(U2)、第二比較器(U3)的時(shí)鐘輸入端均與主時(shí)鐘信號(hào)Clk相接； (1)計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)端接使能信號(hào)En;第一比較器(U2)、第二比較器(U3)的第二輸入端均接計(jì)數(shù)器的輸出端Cnt;計(jì)數(shù)器的清零端接或門的輸出端;或門的兩個(gè)輸入端分別接清零信號(hào)Clear和第二比較器(U3)的輸出信號(hào)Carry;與門的兩個(gè)輸入端分別接使能信號(hào)En和第二比較器(U3)的輸出信號(hào)Carry ；與門的輸出信號(hào)為狀態(tài)機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)志信號(hào)Eno ； (2)第一比較器的第一輸入端接Pw信號(hào)，Pw信號(hào)的值為一個(gè)PWM周期內(nèi)的高電平所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)鐘數(shù);第一比較器的輸出信號(hào)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移標(biāo)志信號(hào)Sw; (3)第二比較器的第一輸入端接Per1d信號(hào)，Per1d信號(hào)的值為一個(gè)PffM周期內(nèi)的系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)，第一比較器當(dāng)Pw> Cnt時(shí)輸出Sw = I，反之輸出Sw = O ;第二比較器當(dāng)Cnt <Per1d時(shí)輸出 Carry = O，反之Carry = I。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路，其特征在于，電磁極還包括一個(gè)空閑狀態(tài)模式(Idle);各狀態(tài)模式切換過(guò)程如下: 空閑狀態(tài):電磁極初始化狀態(tài)，HIN、LIN保持上一個(gè)狀態(tài)的值或初始化狀態(tài)的值，第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)和第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)保持上一個(gè)狀態(tài)，當(dāng)Eno = I時(shí)轉(zhuǎn)移到PP狀態(tài)； PP狀態(tài):輸入為Sw，輸出HIN= I，LIN= I (I表示高電平，O表示低電平)，此時(shí)第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)和第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)同時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)Sw=I時(shí)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，下一個(gè)狀態(tài)依據(jù)切換標(biāo)志位Flag確定，F(xiàn)lag = I則下一個(gè)狀態(tài)為NP狀態(tài)，同時(shí)將Flag置O;當(dāng)Flag = O,則下一個(gè)狀態(tài)為PN狀態(tài)，同時(shí)將Flag置I; NP狀態(tài):狀態(tài)輸出HIN = 0，LIN= I，此時(shí)第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)截止，第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)導(dǎo)通，電磁極(EMP)電流經(jīng)第一二極管(Dl)續(xù)流，下一個(gè)狀態(tài)是空閑狀態(tài)； PN狀態(tài):狀態(tài)輸出HIN= I，LIN = 0，第一功率開(kāi)關(guān)器件(Ql)導(dǎo)通，第二功率開(kāi)關(guān)器件(Q2)截止，電磁極電流經(jīng)第二二極管(D2)續(xù)流，下一個(gè)狀態(tài)是空閑狀態(tài)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路，其特征在于，母線電壓范圍為24V-260V之間，P麗頻率范圍在1kHz-1OOkHz之間，P麗占空比在20%-90%之間。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙橋結(jié)構(gòu)的磁懸浮軸承電磁極磁力控制電路，其特征在于，驅(qū)動(dòng)電路采用FGPA/CPLD、DSP、單片機(jī)或者由分立器件構(gòu)成的數(shù)字電子電路實(shí)現(xiàn)。
【文檔編號(hào)】H02M1/088GK105896947SQ201610351893
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日
【發(fā)明人】張義兵, 殷理杰, 劉旺
【申請(qǐng)人】湘潭大學(xué)