單側(cè)橋臂倍頻驅(qū)動的三電平開關功率放大器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種三電平開關功率放大器，適用于機電系統(tǒng)中需要高頻小信號 注入實現(xiàn)無傳感器運行的場合，例如適宜于自傳感主動電磁軸承。
【背景技術】
[0002] 主動電磁軸承具有無摩擦、無需潤滑、無污染、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點，近年來在航空航天、 飛輪儲能、渦輪透平機械、高速機床等領域發(fā)展很快。在有傳感器主動電磁軸承系統(tǒng)中，為 了實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制，必須在轉(zhuǎn)子的各個自由度分別裝配獨立的位移傳感器進行轉(zhuǎn) 子位置信號的實時檢測。位移傳感器的昂貴價格使得系統(tǒng)的成本難以降低，也增加了裝配、 維護的成本。此外，安裝位移傳感器所需的空間要求制約了電磁軸承尺寸的優(yōu)化，傳感器和 執(zhí)行器的位置不同也使得控制更為復雜。
[0003] 自傳感主動電磁軸承是近年來為解決上述問題而提出的新型電磁軸承。通過利用 電磁軸承的電磁線圈的電感大小隨轉(zhuǎn)子位置改變而變化的特性，可以使得電磁線圈本身產(chǎn) 生電磁力的同時實現(xiàn)位置傳感器的功能，從而避免獨立位置傳感器的使用，實現(xiàn)主動電磁 軸承的自傳感運行。目前實現(xiàn)自傳感主動電磁軸承的主要方法可分為電流斜率法和高頻小 信號注入法。其中，電流斜率法的動態(tài)特性好，但對系統(tǒng)硬件要求高且易受電流噪聲影響。 高頻小信號注入法的精度高、可靠性好但需要額外的高頻小信號源，利用傳統(tǒng)的兩電平PffM 開關功放輸出電流紋波中幅值相對較高的一次諧波分量可替代高頻小信號源，但其整體高 紋波特性會在電磁軸承中產(chǎn)生較大的損耗，且一次諧波的幅值不夠穩(wěn)定。傳統(tǒng)三電平PWM 開關功放輸出的紋波含量顯著低于兩電平開關功放，但紋波中各諧波分量的幅值均達不到 實現(xiàn)主動電磁軸承自傳感運行的技術要求，故傳統(tǒng)的兩電平PWM開關功放和傳統(tǒng)的三電平 PWM開關功放均不能用于自傳感主動電磁軸承。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型的目的是提供一種單側(cè)橋臂倍頻驅(qū)動的三電平開關功率放大器，以克 服現(xiàn)有技術的全部或部分缺陷。
[0005] 本實用新型的實用新型構思是：在保持功放輸出整體低紋波特性的同時，通過單 獨提高功放輸出紋波中二次諧波分量的幅值，產(chǎn)生可用于主動電磁軸承等機電系統(tǒng)的自傳 感運行的高頻小信號源。從而在降低系統(tǒng)損耗的同時實現(xiàn)磁軸承的自傳感運行，進一步提 高系統(tǒng)的性能、降低系統(tǒng)成本。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所采取的技術方案是：本實用新型單側(cè)橋臂倍頻驅(qū) 動的三電平開關功率放大器包括光耦隔離及驅(qū)動電路、功率變換電路、電流檢測電路和能 夠用于將外部電流給定信號和來自電流檢測電路的電流反饋信號轉(zhuǎn)換成相應的開關邏輯 信號的控制器，所述電流反饋信號與電流檢測電路檢測到的電磁線圈負載的實際電流值成 正比；所述功率變換電路包括H橋電路；光耦隔離及驅(qū)動電路的輸入端與控制器的輸出端 對應連接，所述H橋電路的各全控型開關器件的控制端與光耦隔離及驅(qū)動電路的輸出端對 應連接。
[0007] 進一步地，本實用新型所述光耦隔離及驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動信號對各所述H橋電 路的第一個橋臂上的全控型開關器件以可變脈沖寬度的方式進行調(diào)制，所述光耦隔離及驅(qū) 動電路輸出的驅(qū)動信號對第二個橋臂上的全控型開關器件以固定脈沖寬度的方式進行調(diào) 制；第二個橋臂上的全控型開關器件完成一個導通、關斷動作的時間周期是第一個橋臂上 的全控型開關器件完成一個導通、關斷動作的時間周期的一半。
[0008] 進一步地，本實用新型所述控制器包括電流控制模塊、PWM信號產(chǎn)生模塊、上升沿 觸發(fā)模塊、方波產(chǎn)生模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于接收外部電流給定信號和 電流反饋信號，A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與電流控制模塊的輸入端相連，電流控制模塊的輸出 端與PWM信號產(chǎn)生模塊的輸入端相連，上升沿觸發(fā)模塊的輸入端與PWM信號產(chǎn)生模塊的其 中一個輸出端相連，上升沿觸發(fā)模塊的輸出端與方波產(chǎn)生模塊的輸入端相連，方波產(chǎn)生模 塊的每個輸出端和PWM信號產(chǎn)生模塊的每個輸出端各與光親隔離及驅(qū)動電路的一個輸入 端連接。
[0009] 進一步地，本實用新型所述電流檢測電路包括電流傳感器和電平轉(zhuǎn)換電路，電流 傳感器的原邊與所述電磁線圈負載串聯(lián)，電流傳感器的副邊與電平轉(zhuǎn)換電路的輸入端連 接，電平轉(zhuǎn)換電路的輸出端與控制器的輸入端連接。
[0010] 進一步地，本實用新型還包括緩沖電路，所述光耦隔離及驅(qū)動電路的輸入端經(jīng)緩 沖電路與控制器的輸出端對應連接。
[0011] 本實用新型單側(cè)橋臂倍頻驅(qū)動的三電平開關功率放大器（以下也可以簡稱為"功 放"）與傳統(tǒng)的兩電平開關功率放大器相比，其優(yōu)點在于：通過使用不同開關頻率、不同形式 的驅(qū)動信號控制功放中的H橋電路的不同橋臂上的全控型開關器件的導通、關斷，選擇性 提高了功放輸出紋波中的二次諧波分量的幅值，在形成類似于兩電平功放輸出中的高頻小 信號源的同時，也實現(xiàn)了功放三電平運行以降低功放輸出整體紋波含量，進而降低了損耗； 此外，H橋電路中的一個橋臂始終由兩倍頻方波形式的開關邏輯信號控制，保證了高頻小信 號的穩(wěn)定輸出，而高頻小信號的頻率提高了一倍，遠離功放輸出中控制電流分量所在的頻 域，也有利于信號的提取和處理。本實用新型功放與傳統(tǒng)三電平開關功率放大器相比的優(yōu) 點在于：在功放內(nèi)部集成了高頻小信號源，利于簡化自傳感主動電磁軸承等機電系統(tǒng)的復 雜度，提高可靠性。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本實用新型的單側(cè)橋臂倍頻驅(qū)動的三電平開關功率放大器的電路原理框 圖；
[0013] 圖2為緩沖電路和光耦隔離及驅(qū)動電路的電路原理圖；
[0014] 圖3為功率變換電路和電流檢測電路的電路原理圖；
[0015] 圖4為本實用新型中的控制器輸出的開關邏輯信號和功放輸出的電壓電流波形 示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 本實用新型單側(cè)橋臂倍頻驅(qū)動的三電平開關功率放大器主要包括控制器1、光耦 隔離及驅(qū)動路3、功率變換電路4和電流檢測電路5,功率變換電路4包括H橋電路4-1。其 中，控制器1能夠用于將外部電流給定信號和來自電流檢測電路5的電流反饋信號轉(zhuǎn)換成 相應的開關邏輯信號，電流反饋信號與電流檢測電路5檢測到的電磁線圈負載的實際電流 值成正比。光耦隔離及驅(qū)動電路3的輸入端與控制器1的輸出端對應連接，用于將來自控 制器1的各路開關邏輯信號隔離放大，從而形成用于驅(qū)動H橋電路4-1的各全控型開關器 件的驅(qū)動信號；H橋電路4-1的各全控型開關器件的控制端與光耦隔離及驅(qū)動電路3的輸 出端對應連接。
[0017] 本實用新型還可進一步包括緩沖電路2,使光耦隔離及驅(qū)動電路3的輸入端經(jīng)緩 沖電路2與控制器1的輸出端對應連接，從而提高控制器1所輸出的開關邏輯信號的穩(wěn)定 性。
[0018] 在本實用新型中，外部電流給定信號是指來自上一級控制設備的決定功放需要輸 出的電流值的參考信號；電磁線圈負載是指機電設備中的用于產(chǎn)生電磁力的繞組線圈，如 電磁軸承定子繞組線圈。
[0019] 以下結(jié)合附圖，以具體的實施例對本實用新型作進一步描述。
[0020] 在圖1所示的實施例中，本實用新型單側(cè)橋臂倍頻驅(qū)動的三電平開關功率放大器 包括控制器1、緩沖電路2、光耦隔離及開關驅(qū)動電路3、功率變換電路4和電流檢測電路5。 其中，功率變換電路4含有H橋電路4-1。
[0021] 控制器1接收外部設備提供的電流給定信號iraf和電流檢測電路5輸出的電流反 饋信號i_，其中，電流反饋信號i_是電流檢測電路5對檢測到的電磁線圈L(即電磁線圈 負載）的實際電流進行正比例放大或縮小而得到與控制器1的輸入電平相匹配的信號，使 得其與控制器1。
[0022] 控制器1根據(jù)接收到的電流給定信號i"f和電流反饋信號i_產(chǎn)生相應的四路開 關邏輯信號ugl~ug4，并將四路開關邏輯信號ugl~ug4輸出后經(jīng)緩沖電路2發(fā)送給光耦隔 離及驅(qū)動電路3,光耦隔離及驅(qū)動電路3對輸入的四路開關邏輯信號ugl~ug4進行放大、 隔離，產(chǎn)生四路全控型開關器件的驅(qū)動信號udl~ud4并發(fā)送到功率變換電路4,功率變換電 路4中的H橋電路的四個全控型開關器件在驅(qū)動信號udl~ud4的控制下完成相應的導通、 關斷動作，實現(xiàn)功率變換電路4的電磁線圈L中的電流的上升、不變或下降，電磁線圈L的 實際電流值經(jīng)電流檢測電路5的測量、放大而生成實時更新的電流反饋信號1_并發(fā)送給 控制器1，由此形成一個反饋控制回路。
[0023] 作為本實用新型的一種實施方式，控制器1可通過單片F(xiàn)PGA數(shù)字電路實現(xiàn)，利用 VHDL、Verilog等硬件描述語言編程實現(xiàn)控制器功能；此外，控制器1也可使用DSP數(shù)字控 制器實現(xiàn)。
[0024] 作為本實用新型的另一種實施方式，控制器1也可使用能夠?qū)崿F(xiàn)相應功能的模擬 電路。作為其中的一種具體的示例，控制器1可以包括電流控制模塊1-1、PWM信號產(chǎn)生模 塊1-2、上升沿觸發(fā)模塊1-3、方波產(chǎn)生模塊1-4和A/D轉(zhuǎn)換模塊1-5。其中，A/D轉(zhuǎn)換模塊 1-5同時接收來自上一級控制設備的外部電流給定信號iraf和由電流檢測電路5輸出的電 流反饋信號i_，并對這兩路信號進行采樣、保持和A/D轉(zhuǎn)換而生成數(shù)字形式的電流給定信 號iraf(k)和電流反饋信號i_(k)發(fā)送至電流控制模塊1-1，其中k表示當前采樣時刻。電