磁悬浮轴承开关功率放大器的制造方法
磁悬浮轴承开关功率放大器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及开关功率放大器技术领域，特别是涉及一种磁悬浮轴承开关功率放大器。
【背景技术】
[0002]磁悬浮轴承控制系统普遍采用开关功率放大器，一般采用H桥拓扑结构。而在纯电磁轴承系统中，线圈中的电流是单向流动的，其H桥拓扑结构形式为半桥结构，半桥结构由2个桥臂组成，每个桥臂由I个可控开关管和I个二极管组成。一个半桥式H桥控制一个线圈，在一个5自由度磁悬浮轴承系统中，共有10个轴承线圈，故需要10个半桥式H桥，即需要20个可控开关管和20 二极管，因此该方案所需的功率器件较多，硬件成本较高，且硬件体积较大。
[0003]现有技术公开了一种全桥式三桥臂功率放大器方案，三个桥臂控制两个线圈，采用空间矢量法对6个开关管进行PWM调制。这种方式虽然通过共用一个桥臂来控制两个线圈，减少了功率器件的使用，但是其是通过空间矢量技术控制6个开关管的占空比，控制方法较为复杂，且开关功耗较大。
【实用新型内容】
[0004]鉴于现有技术的现状，本实用新型的目的在于提供一种磁悬浮轴承开关功率放大器，减小了开关功率放大器的体积，降低了成本，且开关损耗较低，控制方法简单可靠。
[0005]为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0006]一种磁悬浮轴承开关功率放大器，包括主控电路、驱动电路、三桥臂功率主电路和电流采样电路，所述主控电路、所述驱动电路、所述三桥臂功率主电路和所述电流采样电路依次循环电连接；
[0007]所述三桥臂功率主电路包括三个桥臂和两个轴承线圈，两个所述轴承线圈分别为第一轴承线圈LI和第二轴承线圈L2，三个桥臂分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一轴承线圈LI设置在所述第一桥臂和所述第二桥臂之间，所述第二轴承线圈L2设置在所述第二桥臂和所述第三桥臂之间，所述第一轴承线圈LI和所述第二轴承线圈L2共用所述第二桥臂；
[0008]所述第一桥臂和所述第三桥臂的上桥臂上设置有开关管，共用的所述第二桥臂的下桥臂上设置有开关管，或者所述第一桥臂和所述第三桥臂的下桥臂上设置有开关管，共用的所述第二桥臂的上桥臂上设置有开关管，且共用的所述第二桥臂上开关管的驱动信号具有固定的占空比。
[0009]在其中一个实施例中，所述第一桥臂包括第一开关管Tl和第一二极管Dl，所述第二桥臂包括第二开关管T2和第二二极管D2，所述第三桥臂包括第三开关管T3和第三二极管D3 ；
[0010]所述第一开关管Tl的基极连接所述驱动电路，适用于输入第一驱动信号gl，所述第一开关管Tl的发射极连接所述第一二极管Dl的阴极，所述第一二极管Dl的阳极连接所述第二开关管T2的发射极，所述第一开关管Tl的集电极连接所述第二二极管D2的阴极，所述第二二极管D2的阳极连接所述第二开关管T2的集电极，所述第二开关管T2的基极连接所述驱动电路，适用于输入第二驱动信号g2 ;
[0011]所述第三开关管T3的集电极连接所述第二二极管D2的阴极，所述第三开关管T3的基极连接所述驱动电路，适用于输入第三驱动信号g3，所述第三开关管T3的发射极连接所述第三二极管D3的阴极，所述第三二极管D3的阳极连接所述第二开关管T2的发射极；
[0012]所述第一轴承线圈LI的一端连接所述第一开关管Tl的发射极，所述第一轴承线圈LI的另一端连接所述第二开关管T2的集电极，所述第二轴承线圈L2的一端连接所述第二开关管T2的集电极，所述第二轴承线圈L2的另一端连接所述第三开关管T3的发射极。
[0013]在其中一个实施例中，所述第一桥臂包括第一开关管Tl和第一二极管Dl，所述第二桥臂包括第二开关管T2和第二二极管D2，所述第三桥臂包括第三开关管T3和第三二极管D3 ；
[0014]所述第一二极管Dl的阴极连接所述第二开关管T2的集电极，所述第一二极管Dl的阳极连接所述第一开关管Tl的集电极，所述第一开关管Tl的基极连接所述驱动电路，适用于输入第一驱动信号gl，所述第一开关管Tl的发射极连接所述第二二极管D2的阳极，所述第二二极管D2的阴极连接所述第二开关管T2的发射极，所述第二开关管T2的基极连接所述驱动电路，适用于输入第二驱动信号g2 ;
[0015]所述第三二极管D3的阴极连接所述第二开关管T2的集电极，所述第三二极管D3的阳极连接所述第三开关管T3的集电极，所述第三开关管T3的发射极连接所述第二二极管D2的阳极，所述第三开关管T3的基极连接所述驱动电路，适用于输入第三驱动信号g3 ;
[0016]所述第一轴承线圈LI的一端连接所述第一开关管Tl的集电极，所述第一轴承线圈LI的另一端连接所述第二开关管T2的发射极，所述第二轴承线圈L2的一端连接所述第二开关管T2的发射极，所述第二轴承线圈L2的另一端连接所述第三开关管T3的集电极。
[0017]在其中一个实施例中，所述主控电路包括预设模块、PI控制模块和PWM生成模块；
[0018]所述预设模块适用于预设第一参考电流IMfl和第二参考电流I Mf2，并预设所述第二桥臂上开关管对应的PWM2信号的占空比；
[0019]所述PI控制模块适用于根据所述第一轴承线圈的实际电流1_与预设的第一参考电流Irefl的误差进行PI调节，根据所述第二轴承线圈的实际电流I _2与预设的第二参考电流Id2的误差进行PI调节；
[0020]所述PWM生成模块适用于生成并输出PWMl信号?PWM3信号。
[0021]在其中一个实施例中，所述PWMl信号和所述PWM3信号与所述PWM2信号反相，且所述PWMl信号和所述PWM3信号的低电平中心与所述PWM2信号的高电平中心对齐。
[0022]在其中一个实施例中，所述电流米样电路包括第一电流米样电路和第二电流米样电路，所述第一电流采样电路与所述第一轴承线圈LI连接，适用于采集所述第一轴承线圈LI的实际电流；所述第二电流采样电路与所述第二轴承线圈L2连接，适用于采集所述第二轴承线圈L2的实际电流。
[0023]在其中一个实施例中，所述电流采样电路还包括第一 A/D转换模块和第二 A/D转换模块，所述第一 A/D转换模块设置在所述第一电流采样电路和所述主控电路之间，所述第二 A/D转换模块设置在所述第二电流采样电路和所述主控电路之间。
[0024]在其中一个实施例中，所述第一 A/D转换模块和所述第二 A/D转换模块为A/D转换器或运算放大器。
[0025]在其中一个实施例中，所述三桥臂功率主电路还包括第一电阻Rl和第二电阻R2，所述第一电阻Rl与所述第一轴承线圈LI串联设置，所述第二电阻R2与所述第二轴承线圈L2串联设置。
[0026]本实用新型的有益效果是:
[0027]本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器，通过采用两个轴承线圈共用H桥的第二桥臂，实现了三个桥臂控制主动式磁悬浮轴承的两个轴承线圈的电流，且第二桥臂上开关管采用固定占空比的PWM2信号作为驱动信号，使得控制方式简单便捷。而且，本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器在实现5自由度的悬浮控制时，仅需要5个半桥式三桥臂功率主电路，即共需要15个可控开关管和15个二极管，减小了放大器的体积，降低了放大器的成本，降低了放大器的开关损耗。
【附图说明】
[0028]图1为本实用新型的磁悬浮轴承开关功率 放大器一实施例的示意图；
[0029]图2为本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器另一实施例的示意图；
[0030]图3为本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器的硬件控制框图；
[0031]图4为本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器中轴承线圈I的电流控制流程图；
[0032]图5为本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器中轴承线圈2的电流控制流程图；
[0033]图6为本实用新型中PWM2信号的占空比为50%时的控制波形图；
[0034]图7为本实用新型中PWM2信号的占空比为40%时的控制波形图；
[0035]图8为本实用新型中PWM2信号的占空比为60%时的控制波形图。
【具体实施方式】
[0036]为了使本实用新型的技术方案更加清楚，以下结合附图，对本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型并不用于限定本实用新型。
[0037]参见图1至图8，如图1所示，本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器包括主控电路100、驱动电路200、三桥臂功率主电路300和电流采样电路400，主控电路100、驱动电路200、三桥臂功率主电路300和电流采样电路400依次循环电连接。
[0038]其中，三桥臂功率主电路300包括三个桥臂和两个轴承线圈，两个轴承线圈分别为第一轴承线圈LI和第二轴承线圈L2，三个桥臂分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，第一轴承线圈LI设置在第一桥臂和第二桥臂之间，第二轴承线圈L2设置在第二桥臂和第三桥臂之间，即第一轴承线圈LI和第二轴承线圈L2共用H桥的第二桥臂，实现了三个桥臂来控制主动式磁悬浮轴承的两个轴承线圈的电流。
[0039]每个桥臂的上桥臂或下桥臂上设置有开关管，具体地，第一桥臂和第三桥臂的上桥臂上设置有开关管，共用的第二桥臂的下桥臂上设置有开关管。或者第一桥臂和第三桥臂的下桥臂上设置有开关管，共用的第二桥臂的上桥臂上设置有开关管，且共用的所述第二桥臂上开关管的驱动信号具有固定的占空比。这样，通过控制第一桥臂上开关管的驱动信号的占空比可以实现第一轴承线圈LI的电流的控制，通过控制第三桥臂上开关管的驱动信号的占空比可以实现对第二轴承线圈L2的电流的控制，使得控制方法简单，易于实现。
[0040]电流采样电路400适用于采集两个轴承线圈的实际电流，并将采集到的两个轴承线圈的实际电流传送至主控电路100。较优地，电流采样电路400包括第一电流采样电路401和第二电流采样电路402。第一电流采样电路401与第一轴承线圈LI连接，适用于采集第一轴承线圈LI的实际电流，并将第一轴承线圈LI的实际电流传送给主控电路100。第二电流采样电路402与第二轴承线圈L2连接，适用于采集第二轴承线圈L2的实际电流，并将采集到的第二轴承线圈L2的实际电流传送给主控电路100。
[0041 ] 较优地，电流采样电路400还包括第一 A/D转换模块和第二 A/D转换模块，第一 A/D转换模块设置在第一电流采样电路401和主控电路100之间，适用于将第一电流采样电路401采集到的第一轴承线圈LI的实际电流转化为主控电路100能够识别的数字信号。第二 A/D转换模块设置在第二电流采样电路402和主控电路100之间，适用于将第二电流采样电路402采集到的第二轴承线圈L2的实际电流转化为主控电路100能够识别的数字信号。较优地，本实施例中的第一 A/D转换模块和第二 A/D转换模块可以采用A/D转换器或运算放大器实现。
[0042]主控电路100适用于输出PWMl信号?PWM3信号，具体地，主控电路100适用于预设第二桥臂上开关管T2对应的PWM2信号的占空比，即第一轴承线圈LI和第二轴承线圈L2共用的第二桥臂上开关管T2对应的PWM2信号的占空比固定，以使得第二驱动信号g2的占空比固定。同时，主控电路100适用于根据第一轴承线圈LI的实际电流Ifdbl与预设的第一参考电流Irefl输出PWMl信号，以控制第一驱动信号gl的占空比。主控电路100根据第二轴承线圈L2的实际电流1_与预设的第二参考电流I Mf2输出PWM3信号，以控制第三驱动信号g3的占空比。这样使得该磁悬浮轴承开关功率放大器的控制方法简单可靠，便于实现。
[0043]驱动电路200适用于将PWMl信号?PWM3信号转化为三桥臂功率主电路300的第一驱动信号gl?第三驱动信号g3，三桥臂功率主电路300根据第一驱动信号gl?第三驱动信号g3控制三个桥臂上对应开关管的导通或关断。
[0044]作为一种可实施方式，第一桥臂包括第一开关管Tl和第一二极管Dl，第二桥臂包括第二开关管T2和第二二极管D2，第三桥臂包括第三开关管T3和第三二极管D3。如图2所示，第一开关管Tl设置在第一桥臂的上桥臂上，第二开关管T2设置在第二桥臂的下桥臂上，第三开关管T3设置在第三桥臂的上桥臂上。具体地，第一开关管Tl的基极连接驱动电路200，适用于输入第一驱动信号gl，第一开关管Tl的发射极连接第一二极管Dl的阴极，第一二极管Dl的阳极连接第二开关管T2的发射极，第一开关管Tl的集电极连接第二二极管D2的阴极。
[0045]第二二极管D2的阳极连接第二开关管T2的集电极，第二开关管T2的基极连接驱动电路200，适用于输入第二驱动信号g2。第三开关管T3的集电极连接第二二极管D2的阴极，第三开关管T3的基极连接驱动电路200，适用于输入第三驱动信号g3，第三开关管T3的发射极连接第三二极管D3的阴极，第三二极管D3的阳极连接第二开关管T2的发射极。本实施例中的第一开关管Tl、第二开关管T2和第三开关管T3均采用NPN型晶体三极管。在其他实施例中，第一开关管Tl、第二开关管T2和第三开关管还可以采用MOS管或IGBT管等。
[0046]第一轴承线圈LI的一端连接第一开关管Tl的发射极，第一轴承线圈LI的另一端连接第二开关管T2的集电极，即第一轴承线圈LI的一端连接至第一开关管Tl与第一二极管Dl的相应公共端，第一轴承线圈LI的另一端连接至第二开关管T2与第二二极管D2的相应公共端。第二轴承线圈L2的一端连接第二开关管T2的集电极，第二轴承线圈L2的另一端连接第三开关管T3的发射极，即第二轴承线圈L2的一端连接至第二开关管T2与第二二极管D2的相应公共端，第二轴承线圈L2的另一端连接至第三开关管T3与第三二极管D3的相应公共端。
[0047]作为另一种可实施方式，第一桥臂包括第一开关管Tl和第一二极管Dl，第二桥臂包括第二开关管T2和第二二极管D2，第三桥臂包括第三开关管T3和第三二极管D3。如图3所示，第一开关管Tl设置在第一桥臂的下桥臂上，第二开关管T2设置在第二桥臂的上桥臂上，第三开关管T3设置在第三桥臂的下桥臂上。具体地，第一二极管Dl的阴极连接第二开关管T2的集电极，第一二极管Dl的阳极连接第一开关管Tl的集电极，第一开关管Tl的基极连接驱动电路200，适用于输入第一驱动信号gl。
[0048]第一开关管Tl的发射极连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极连接第二开关管T2的发射极，第二开关管T2的基极连接驱动电路200，适用于输入第二驱动信号g2o第三二极管D3的阴极连接第二开关管T2的集电极，第三二极管D3的阳极连接第三开关管T3的集电极，第三开关管T3的发射极连接第二二极管D2的阳极，第三开关管T3的基极连接驱动电路200 ，适用于输入第三驱动信号g3。本实施例中的第一开关管Tl、第二开关管T2和第三开关管T3均采用NPN型晶体三极管。在其他实施例中，第一开关管Tl、第二开关管T2和第三开关管还可以采用MOS管或IGBT管等。
[0049]第一轴承线圈LI的一端连接第一开关管Tl的集电极，第一轴承线圈LI的另一端连接第二开关管T2的发射极，第二轴承线圈L2的一端连接第二开关管T2的发射极，第二轴承线圈L2的另一端连接第三开关管T3的集电极。
[0050]为了防止开关管Tl?T3被击穿，提高该磁悬浮轴承开关功率放大器的稳定性及可靠性，每个桥臂上开关管的发射极和集电极之间均串接有第四二极管，第四二极管的数量为三个。即第一开关管的发射极连接其中一个第四二极管的阳极，第一开关管的集电极对应的连接该第四二极管的阴极。第二开关管的发射极连接其中一个第四二极管的阳极，第二开关管的集电极对应的连接该第四二极管的阴极。第三开关管的发射极连接一个第四二极管的阳极，第三开关管的集电极对应的连接该第四二极管的阴极。
[0051]本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器，在实现5自由度的悬浮控制时，仅需要5个半桥式三桥臂功率主电路，即需要15个开关管和15个二极管。因此，相对于现有技术而言，本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器的体积较小，成本较低，且开关损耗较低，节约了资源。
[0052]较优地，三桥臂功率主电路300还包括第一电阻Rl和第二电阻R2，第一电阻Rl与第一轴承线圈LI串联设置，第一电流采样电路401连接至第一电阻Rl与第一轴承线圈LI的相应公共端。第二电阻R2与第二轴承线圈L2串联设置，第二电流采样电路402连接至第二电阻R2与第二轴承线圈L2的相应公共端。第一电阻Rl和第二电阻R2起到了限流的作用，保护了第一轴承线圈LI和第二轴承线圈L2不被损坏。
[0053]作为一种可实施方式，主控电路100包括预设模块、PI控制模块和PWM生成模块。本实施例中的主控电路可以采用DSP(digital signal processor，数字信号处理器)、FPGA(Field 一 Programmable Gate Array，可编程门阵列)、单片机或工控机等处理器中的一种或多种的组合。其中，预设模块适用于预设第一参考电流IMfjP第二参考电流I Mf2，并预设第二桥臂上开关管对应的PWM2信号的占空比，以控制第二驱动信号g2的占空比，使得第二桥臂上的开关管T2对应的PWM2信号的占空比固定。PWM生成模块适用于生成并输出PWMl信号?PWM3信号。
[0054]PI控制模块适用于根据第一轴承线圈LI的实际电流。《与预设的第一参考电流Irefl的误差进行PI调节，并将PI调节后的结果传送给PWM生成模块，PWM生成模块生成并输出PWMl信号，以控制第一驱动信号gl的占空比，从而实现对第一轴承线圈LI的实际电流的调节，使得第一轴承线圈LI的实际电流接近预设的第一参考电流IMfl。同时，PI控制模块根据第二轴承线圈L2的实际电流1_2与预设的第二参考电流I Mf2的误差进行PI调节，并将PI调节后的结果传送至PWM生成模块，PWM生成模块生成并输出PWM3信号，以控制第三驱动信号g3的占空比，从而实现对第二轴承线圈L2的实际电流的调节，使得第二轴承线圈L2的实际电流接近预设的第二参考电流IMf2。
[0055]较优地，PWMl信号和PWM3信号与PWM2信号反相，以防止直通。且PWMl信号和PWM3信号的低电平中心与PWM2信号的高电平中心对齐，S卩PWMl信号和PWM3信号均以PWM2
信号为参考信号。
[0056]参见图4和图5所示，本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器的控制方法，包括如下步骤:
[0057]预设第一参考电流UP第二参考电流I raf2;
[0058]预设三桥臂功率主电路300中的第二桥臂上开关管T2对应的PWM2信号的占空比，使得第二驱动信号g2的占空比为定值；
[0059]主控电路100将第一电流采样电路401传送的第一轴承线圈LI的实际电流Ifdbl与预设的第一参考电流Irefl的误差经PI调节后输出PWMl信号，以控制第一驱动信号gl的占空比。从而调节流经第一轴承线圈LI的实际电流，使得第一轴承线圈LI的实际电流Ifdbl与预设的第一参考电流IMfl的偏差接近为O。
[0060]主控电路100将第二电流采样电路402传送的第二轴承线圈L2的实际电流Ifdb2与预设的第二参考电流Iref2的误差经PI调节后输出PWM3信号，以控制第三驱动信号g3的占空比。从而调节流经第二轴承线圈L2的实际电流，使得第二轴承线圈L2的实际电流Ifdb2与预设的第二参考电流IMf2的偏差接近为O。
[0061]如图4所示，下面以第一轴承线圈LI为例说明电流调节过程:
[0062]当第一轴承线圈的实际电流Ifdbl小于第一参考电流Irefl时，主控电路100经过PI调节后使得第一开关管Tl对应的PWMl信号的占空比增大，从而使得第一轴承线圈LI的实际电流上升。当第一轴承线圈LI的实际电流大于第一参考电流IMfl时，主控电路经过PI调节后使得第一开关管对应的PWMl信号的占空比减小，从而使得第一轴承线圈LI的实际电流下降，直至第一轴承线圈LI的实际电流接近第一参考电流IMfl。第二轴承线圈L2的电流调节过程与上述过程相同，此处不再赘述。
[0063]如图6所示，第二开关管T2对应的PWM2信号的占空比为50 %，此时若第一开关管Tl对应的PWMl信号与第三开关管T3对应的PWM3信号的占空比大于50%时，两个轴承线圈有充电和续流两种状态，轴承线圈的实际电流才有可能上升，且PWMl信号和PWM3信号的占空比越大，轴承线圈的实际电流上升越多。否则，两个轴承线圈有放电和续流两种状态，轴承线圈的实际电流将下降，且PWMl信号和PWM3信号的占空比越小，轴承线圈的实际电流下降越多，轴承线圈的实际电流的最小值为O。
[0064]如图7所示，第二开关管T2对应的PWM2信号的占空比小于50%，以PWM2信号的占空比为40 %时为例，此时若第一开关管Tl对应的PWMl信号与第三开关管T3对应的PWM3信号的占空比大于60%，两个轴承线圈有充电和续流两种状态，轴承线圈的实际电流才有可能上升，且PWMl信号和PWM3信号的占空比越大，轴承线圈的实际电流上升越多。否则，两个轴承线圈有放电和续流两种状态，轴承线圈的实际电流将下降，且PWMl信号和PWM3信号的占空比越小，轴承线圈的实际电流下降越多，轴承线圈的实际电流的最小值为O。
[0065]如图8所示，第二开关管T2对应的PWM2信号的占空比大于50%，以PWM2信号的占空比为60 %时为例，此时若第一开关管Tl对应的PWMl信号与第三开关管T3对应的PWM3信号的占空比大于40%，两个轴承线圈有充电和续流两种状态，轴承线圈的实际电流才有可能上升，且PWMl信号和PWM3信号的占空比越大，轴承线圈的实际电流上升越多。否则，两个轴承线圈有放电和续流两种状态，轴承线圈的实际电流将下降，且PWMl信号和PWM3信号的占空比越小，轴承线圈的实际电流下降越多，轴承线圈的实际电流的最小值为O。
[0066]本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器，通过采用两个轴承线圈共用H桥的第二桥臂，实现了三个桥臂控制主动式磁悬浮轴承的两个轴承线圈的电流，且第二桥臂上开关管采用固定占空比 的PWM信号作为驱动信号，不仅使得控制方式简单便捷，而且，本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器在实现5自由度的悬浮控制时，仅需要5个半桥式三桥臂功率主电路，即共需要15个可控开关管和15个二极管，减小了放大器的体积，降低了放大器的成本，降低了放大器的开关损耗。
[0067]以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，包括主控电路(100)、驱动电路(200)、三桥臂功率主电路(300)和电流采样电路(400)，所述主控电路(100)、所述驱动电路(200)、所述三桥臂功率主电路(300)和所述电流采样电路(400)依次循环电连接； 所述三桥臂功率主电路(300)包括三个桥臂和两个轴承线圈，两个所述轴承线圈分别为第一轴承线圈LI和第二轴承线圈L2，三个桥臂分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一轴承线圈LI设置在所述第一桥臂和所述第二桥臂之间，所述第二轴承线圈L2设置在所述第二桥臂和所述第三桥臂之间，所述第一轴承线圈LI和所述第二轴承线圈L2共用所述第二桥臂； 所述第一桥臂和所述第三桥臂的上桥臂上设置有开关管，共用的所述第二桥臂的下桥臂上设置有开关管，或者所述第一桥臂和所述第三桥臂的下桥臂上设置有开关管，共用的所述第二桥臂的上桥臂上设置有开关管，且共用的所述第二桥臂上开关管的驱动信号具有固定的占空比。2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述第一桥臂包括第一开关管Tl和第一二极管D1，所述第二桥臂包括第二开关管T2和第二二极管D2，所述第三桥臂包括第三开关管T3和第三二极管D3 ； 所述第一开关管Tl的基极连接所述驱动电路(200)，适用于输入第一驱动信号gl，所述第一开关管Tl的发射极连接所述第一二极管Dl的阴极，所述第一二极管Dl的阳极连接所述第二开关管T2的发射极，所述第一开关管Tl的集电极连接所述第二二极管D2的阴极，所述第二二极管D2的阳极连接所述第二开关管T2的集电极，所述第二开关管T2的基极连接所述驱动电路(200)，适用于输入第二驱动信号g2 ; 所述第三开关管T3的集电极连接所述第二二极管D2的阴极，所述第三开关管T3的基极连接所述驱动电路(200)，适用于输入第三驱动信号g3，所述第三开关管T3的发射极连接所述第三二极管D3的阴极，所述第三二极管D3的阳极连接所述第二开关管T2的发射极； 所述第一轴承线圈LI的一端连接所述第一开关管Tl的发射极，所述第一轴承线圈LI的另一端连接所述第二开关管T2的集电极，所述第二轴承线圈L2的一端连接所述第二开关管T2的集电极，所述第二轴承线圈L2的另一端连接所述第三开关管T3的发射极。3.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述第一桥臂包括第一开关管Tl和第一二极管D1，所述第二桥臂包括第二开关管T2和第二二极管D2，所述第三桥臂包括第三开关管T3和第三二极管D3 ； 所述第一二极管Dl的阴极连接所述第二开关管T2的集电极，所述第一二极管Dl的阳极连接所述第一开关管Tl的集电极，所述第一开关管Tl的基极连接所述驱动电路(200)，适用于输入第一驱动信号gl，所述第一开关管Tl的发射极连接所述第二二极管D2的阳极，所述第二二极管D2的阴极连接所述第二开关管T2的发射极，所述第二开关管T2的基极连接所述驱动电路(200)，适用于输入第二驱动信号g2 ; 所述第三二极管D3的阴极连接所述第二开关管T2的集电极，所述第三二极管D3的阳极连接所述第三开关管T3的集电极，所述第三开关管T3的发射极连接所述第二二极管D2的阳极，所述第三开关管T3的基极连接所述驱动电路(200)，适用于输入第三驱动信号g3 ； 所述第一轴承线圈LI的一端连接所述第一开关管Tl的集电极，所述第一轴承线圈LI的另一端连接所述第二开关管T2的发射极，所述第二轴承线圈L2的一端连接所述第二开关管T2的发射极，所述第二轴承线圈L2的另一端连接所述第三开关管T3的集电极。4.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述主控电路(100)包括预设模块、PI控制模块和PWM生成模块； 所述预设模块适用于预设第一参考电流Irefl和第二参考电流I ref2，并预设所述第二桥臂上开关管对应的PWM2信号的占空比； 所述PI控制模块适用于根据所述第一轴承线圈的实际电流Ifdbl与预设的第一参考电流IMfl的误差进行PI调节，根据所述第二轴承线圈的实际电流I fdb2与预设的第二参考电流IMf2的误差进行PI调节； 所述PWM生成模块适用于生成并输出PWMl信号?PWM3信号。5.根据权利要求4所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述PWMl信号和所述PWM3信号与所述PWM2信号反相，且所述PWMl信号和所述PWM3信号的低电平中心与所述PWM2信号的高电平中心对齐。6.根据要求1-5任一项所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述电流采样电路(400)包括第一电流米样电路(401)和第二电流米样电路(402)，所述第一电流米样电路(401)与所述第一轴承线圈LI连接，适用于采集所述第一轴承线圈LI的实际电流；所述第二电流采样电路(402)与所述第二轴承线圈L2连接，适用于采集所述第二轴承线圈L2的实际电流。7.根据权利要求6所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述电流采样电路(400)还包括第一 A/D转换模块和第二 A/D转换模块，所述第一 A/D转换模块设置在所述第一电流采样电路(401)和所述主控电路(100)之间，所述第二 A/D转换模块设置在所述第二电流采样电路(402)和所述主控电路(100)之间。8.根据权利要求7所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述第一A/D转换模块和所述第二 A/D转换模块为A/D转换器或运算放大器。9.根据权利要求1-5任一项所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述三桥臂功率主电路(300)还包括第一电阻Rl和第二电阻R2，所述第一电阻Rl与所述第一轴承线圈LI串联设置，所述第二电阻R2与所述第二轴承线圈L2串联设置。
【专利摘要】本实用新型提供了一种磁悬浮轴承开关功率放大器，包括主控电路、驱动电路、三桥臂功率主电路和电流采样电路；三桥臂功率主电路包括三个桥臂和两个轴承线圈，第一桥臂和第三桥臂的上桥臂上设置有开关管，共用的第二桥臂的下桥臂上设置有开关管，或者第一桥臂和第三桥臂的下桥臂上设置有开关管，共用的第二桥臂的上桥臂上设置有开关管，且共用的第二桥臂上开关管的驱动信号具有固定的占空比。本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器减小了放大器的体积，降低了放大器的开关损耗，而且控制方式简单便捷。
【IPC分类】H02M7/5395, F16C32/04, H02M7/48
【公开号】CN204696950
【申请号】CN201520353093
【发明人】黄辉, 胡余生, 郭伟林, 贺永玲, 李燕, 胡叨福
【申请人】珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年5月27日
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及开关功率放大器技术领域，特别是涉及一种磁悬浮轴承开关功率放大器。
【背景技术】
[0002]磁悬浮轴承控制系统普遍采用开关功率放大器，一般采用H桥拓扑结构。而在纯电磁轴承系统中，线圈中的电流是单向流动的，其H桥拓扑结构形式为半桥结构，半桥结构由2个桥臂组成，每个桥臂由I个可控开关管和I个二极管组成。一个半桥式H桥控制一个线圈，在一个5自由度磁悬浮轴承系统中，共有10个轴承线圈，故需要10个半桥式H桥，即需要20个可控开关管和20 二极管，因此该方案所需的功率器件较多，硬件成本较高，且硬件体积较大。
[0003]现有技术公开了一种全桥式三桥臂功率放大器方案，三个桥臂控制两个线圈，采用空间矢量法对6个开关管进行PWM调制。这种方式虽然通过共用一个桥臂来控制两个线圈，减少了功率器件的使用，但是其是通过空间矢量技术控制6个开关管的占空比，控制方法较为复杂，且开关功耗较大。
【实用新型内容】
[0004]鉴于现有技术的现状，本实用新型的目的在于提供一种磁悬浮轴承开关功率放大器，减小了开关功率放大器的体积，降低了成本，且开关损耗较低，控制方法简单可靠。
[0005]为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0006]一种磁悬浮轴承开关功率放大器，包括主控电路、驱动电路、三桥臂功率主电路和电流采样电路，所述主控电路、所述驱动电路、所述三桥臂功率主电路和所述电流采样电路依次循环电连接；
[0007]所述三桥臂功率主电路包括三个桥臂和两个轴承线圈，两个所述轴承线圈分别为第一轴承线圈LI和第二轴承线圈L2，三个桥臂分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一轴承线圈LI设置在所述第一桥臂和所述第二桥臂之间，所述第二轴承线圈L2设置在所述第二桥臂和所述第三桥臂之间，所述第一轴承线圈LI和所述第二轴承线圈L2共用所述第二桥臂；
[0008]所述第一桥臂和所述第三桥臂的上桥臂上设置有开关管，共用的所述第二桥臂的下桥臂上设置有开关管，或者所述第一桥臂和所述第三桥臂的下桥臂上设置有开关管，共用的所述第二桥臂的上桥臂上设置有开关管，且共用的所述第二桥臂上开关管的驱动信号具有固定的占空比。
[0009]在其中一个实施例中，所述第一桥臂包括第一开关管Tl和第一二极管Dl，所述第二桥臂包括第二开关管T2和第二二极管D2，所述第三桥臂包括第三开关管T3和第三二极管D3 ；
[0010]所述第一开关管Tl的基极连接所述驱动电路，适用于输入第一驱动信号gl，所述第一开关管Tl的发射极连接所述第一二极管Dl的阴极，所述第一二极管Dl的阳极连接所述第二开关管T2的发射极，所述第一开关管Tl的集电极连接所述第二二极管D2的阴极，所述第二二极管D2的阳极连接所述第二开关管T2的集电极，所述第二开关管T2的基极连接所述驱动电路，适用于输入第二驱动信号g2 ;
[0011]所述第三开关管T3的集电极连接所述第二二极管D2的阴极，所述第三开关管T3的基极连接所述驱动电路，适用于输入第三驱动信号g3，所述第三开关管T3的发射极连接所述第三二极管D3的阴极，所述第三二极管D3的阳极连接所述第二开关管T2的发射极；
[0012]所述第一轴承线圈LI的一端连接所述第一开关管Tl的发射极，所述第一轴承线圈LI的另一端连接所述第二开关管T2的集电极，所述第二轴承线圈L2的一端连接所述第二开关管T2的集电极，所述第二轴承线圈L2的另一端连接所述第三开关管T3的发射极。
[0013]在其中一个实施例中，所述第一桥臂包括第一开关管Tl和第一二极管Dl，所述第二桥臂包括第二开关管T2和第二二极管D2，所述第三桥臂包括第三开关管T3和第三二极管D3 ；
[0014]所述第一二极管Dl的阴极连接所述第二开关管T2的集电极，所述第一二极管Dl的阳极连接所述第一开关管Tl的集电极，所述第一开关管Tl的基极连接所述驱动电路，适用于输入第一驱动信号gl，所述第一开关管Tl的发射极连接所述第二二极管D2的阳极，所述第二二极管D2的阴极连接所述第二开关管T2的发射极，所述第二开关管T2的基极连接所述驱动电路，适用于输入第二驱动信号g2 ;
[0015]所述第三二极管D3的阴极连接所述第二开关管T2的集电极，所述第三二极管D3的阳极连接所述第三开关管T3的集电极，所述第三开关管T3的发射极连接所述第二二极管D2的阳极，所述第三开关管T3的基极连接所述驱动电路，适用于输入第三驱动信号g3 ;
[0016]所述第一轴承线圈LI的一端连接所述第一开关管Tl的集电极，所述第一轴承线圈LI的另一端连接所述第二开关管T2的发射极，所述第二轴承线圈L2的一端连接所述第二开关管T2的发射极，所述第二轴承线圈L2的另一端连接所述第三开关管T3的集电极。
[0017]在其中一个实施例中，所述主控电路包括预设模块、PI控制模块和PWM生成模块；
[0018]所述预设模块适用于预设第一参考电流IMfl和第二参考电流I Mf2，并预设所述第二桥臂上开关管对应的PWM2信号的占空比；
[0019]所述PI控制模块适用于根据所述第一轴承线圈的实际电流1_与预设的第一参考电流Irefl的误差进行PI调节，根据所述第二轴承线圈的实际电流I _2与预设的第二参考电流Id2的误差进行PI调节；
[0020]所述PWM生成模块适用于生成并输出PWMl信号?PWM3信号。
[0021]在其中一个实施例中，所述PWMl信号和所述PWM3信号与所述PWM2信号反相，且所述PWMl信号和所述PWM3信号的低电平中心与所述PWM2信号的高电平中心对齐。
[0022]在其中一个实施例中，所述电流米样电路包括第一电流米样电路和第二电流米样电路，所述第一电流采样电路与所述第一轴承线圈LI连接，适用于采集所述第一轴承线圈LI的实际电流；所述第二电流采样电路与所述第二轴承线圈L2连接，适用于采集所述第二轴承线圈L2的实际电流。
[0023]在其中一个实施例中，所述电流采样电路还包括第一 A/D转换模块和第二 A/D转换模块，所述第一 A/D转换模块设置在所述第一电流采样电路和所述主控电路之间，所述第二 A/D转换模块设置在所述第二电流采样电路和所述主控电路之间。
[0024]在其中一个实施例中，所述第一 A/D转换模块和所述第二 A/D转换模块为A/D转换器或运算放大器。
[0025]在其中一个实施例中，所述三桥臂功率主电路还包括第一电阻Rl和第二电阻R2，所述第一电阻Rl与所述第一轴承线圈LI串联设置，所述第二电阻R2与所述第二轴承线圈L2串联设置。
[0026]本实用新型的有益效果是:
[0027]本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器，通过采用两个轴承线圈共用H桥的第二桥臂，实现了三个桥臂控制主动式磁悬浮轴承的两个轴承线圈的电流，且第二桥臂上开关管采用固定占空比的PWM2信号作为驱动信号，使得控制方式简单便捷。而且，本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器在实现5自由度的悬浮控制时，仅需要5个半桥式三桥臂功率主电路，即共需要15个可控开关管和15个二极管，减小了放大器的体积，降低了放大器的成本，降低了放大器的开关损耗。
【附图说明】
[0028]图1为本实用新型的磁悬浮轴承开关功率 放大器一实施例的示意图；
[0029]图2为本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器另一实施例的示意图；
[0030]图3为本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器的硬件控制框图；
[0031]图4为本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器中轴承线圈I的电流控制流程图；
[0032]图5为本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器中轴承线圈2的电流控制流程图；
[0033]图6为本实用新型中PWM2信号的占空比为50%时的控制波形图；
[0034]图7为本实用新型中PWM2信号的占空比为40%时的控制波形图；
[0035]图8为本实用新型中PWM2信号的占空比为60%时的控制波形图。
【具体实施方式】
[0036]为了使本实用新型的技术方案更加清楚，以下结合附图，对本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型并不用于限定本实用新型。
[0037]参见图1至图8，如图1所示，本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器包括主控电路100、驱动电路200、三桥臂功率主电路300和电流采样电路400，主控电路100、驱动电路200、三桥臂功率主电路300和电流采样电路400依次循环电连接。
[0038]其中，三桥臂功率主电路300包括三个桥臂和两个轴承线圈，两个轴承线圈分别为第一轴承线圈LI和第二轴承线圈L2，三个桥臂分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，第一轴承线圈LI设置在第一桥臂和第二桥臂之间，第二轴承线圈L2设置在第二桥臂和第三桥臂之间，即第一轴承线圈LI和第二轴承线圈L2共用H桥的第二桥臂，实现了三个桥臂来控制主动式磁悬浮轴承的两个轴承线圈的电流。
[0039]每个桥臂的上桥臂或下桥臂上设置有开关管，具体地，第一桥臂和第三桥臂的上桥臂上设置有开关管，共用的第二桥臂的下桥臂上设置有开关管。或者第一桥臂和第三桥臂的下桥臂上设置有开关管，共用的第二桥臂的上桥臂上设置有开关管，且共用的所述第二桥臂上开关管的驱动信号具有固定的占空比。这样，通过控制第一桥臂上开关管的驱动信号的占空比可以实现第一轴承线圈LI的电流的控制，通过控制第三桥臂上开关管的驱动信号的占空比可以实现对第二轴承线圈L2的电流的控制，使得控制方法简单，易于实现。
[0040]电流采样电路400适用于采集两个轴承线圈的实际电流，并将采集到的两个轴承线圈的实际电流传送至主控电路100。较优地，电流采样电路400包括第一电流采样电路401和第二电流采样电路402。第一电流采样电路401与第一轴承线圈LI连接，适用于采集第一轴承线圈LI的实际电流，并将第一轴承线圈LI的实际电流传送给主控电路100。第二电流采样电路402与第二轴承线圈L2连接，适用于采集第二轴承线圈L2的实际电流，并将采集到的第二轴承线圈L2的实际电流传送给主控电路100。
[0041 ] 较优地，电流采样电路400还包括第一 A/D转换模块和第二 A/D转换模块，第一 A/D转换模块设置在第一电流采样电路401和主控电路100之间，适用于将第一电流采样电路401采集到的第一轴承线圈LI的实际电流转化为主控电路100能够识别的数字信号。第二 A/D转换模块设置在第二电流采样电路402和主控电路100之间，适用于将第二电流采样电路402采集到的第二轴承线圈L2的实际电流转化为主控电路100能够识别的数字信号。较优地，本实施例中的第一 A/D转换模块和第二 A/D转换模块可以采用A/D转换器或运算放大器实现。
[0042]主控电路100适用于输出PWMl信号?PWM3信号，具体地，主控电路100适用于预设第二桥臂上开关管T2对应的PWM2信号的占空比，即第一轴承线圈LI和第二轴承线圈L2共用的第二桥臂上开关管T2对应的PWM2信号的占空比固定，以使得第二驱动信号g2的占空比固定。同时，主控电路100适用于根据第一轴承线圈LI的实际电流Ifdbl与预设的第一参考电流Irefl输出PWMl信号，以控制第一驱动信号gl的占空比。主控电路100根据第二轴承线圈L2的实际电流1_与预设的第二参考电流I Mf2输出PWM3信号，以控制第三驱动信号g3的占空比。这样使得该磁悬浮轴承开关功率放大器的控制方法简单可靠，便于实现。
[0043]驱动电路200适用于将PWMl信号?PWM3信号转化为三桥臂功率主电路300的第一驱动信号gl?第三驱动信号g3，三桥臂功率主电路300根据第一驱动信号gl?第三驱动信号g3控制三个桥臂上对应开关管的导通或关断。
[0044]作为一种可实施方式，第一桥臂包括第一开关管Tl和第一二极管Dl，第二桥臂包括第二开关管T2和第二二极管D2，第三桥臂包括第三开关管T3和第三二极管D3。如图2所示，第一开关管Tl设置在第一桥臂的上桥臂上，第二开关管T2设置在第二桥臂的下桥臂上，第三开关管T3设置在第三桥臂的上桥臂上。具体地，第一开关管Tl的基极连接驱动电路200，适用于输入第一驱动信号gl，第一开关管Tl的发射极连接第一二极管Dl的阴极，第一二极管Dl的阳极连接第二开关管T2的发射极，第一开关管Tl的集电极连接第二二极管D2的阴极。
[0045]第二二极管D2的阳极连接第二开关管T2的集电极，第二开关管T2的基极连接驱动电路200，适用于输入第二驱动信号g2。第三开关管T3的集电极连接第二二极管D2的阴极，第三开关管T3的基极连接驱动电路200，适用于输入第三驱动信号g3，第三开关管T3的发射极连接第三二极管D3的阴极，第三二极管D3的阳极连接第二开关管T2的发射极。本实施例中的第一开关管Tl、第二开关管T2和第三开关管T3均采用NPN型晶体三极管。在其他实施例中，第一开关管Tl、第二开关管T2和第三开关管还可以采用MOS管或IGBT管等。
[0046]第一轴承线圈LI的一端连接第一开关管Tl的发射极，第一轴承线圈LI的另一端连接第二开关管T2的集电极，即第一轴承线圈LI的一端连接至第一开关管Tl与第一二极管Dl的相应公共端，第一轴承线圈LI的另一端连接至第二开关管T2与第二二极管D2的相应公共端。第二轴承线圈L2的一端连接第二开关管T2的集电极，第二轴承线圈L2的另一端连接第三开关管T3的发射极，即第二轴承线圈L2的一端连接至第二开关管T2与第二二极管D2的相应公共端，第二轴承线圈L2的另一端连接至第三开关管T3与第三二极管D3的相应公共端。
[0047]作为另一种可实施方式，第一桥臂包括第一开关管Tl和第一二极管Dl，第二桥臂包括第二开关管T2和第二二极管D2，第三桥臂包括第三开关管T3和第三二极管D3。如图3所示，第一开关管Tl设置在第一桥臂的下桥臂上，第二开关管T2设置在第二桥臂的上桥臂上，第三开关管T3设置在第三桥臂的下桥臂上。具体地，第一二极管Dl的阴极连接第二开关管T2的集电极，第一二极管Dl的阳极连接第一开关管Tl的集电极，第一开关管Tl的基极连接驱动电路200，适用于输入第一驱动信号gl。
[0048]第一开关管Tl的发射极连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极连接第二开关管T2的发射极，第二开关管T2的基极连接驱动电路200，适用于输入第二驱动信号g2o第三二极管D3的阴极连接第二开关管T2的集电极，第三二极管D3的阳极连接第三开关管T3的集电极，第三开关管T3的发射极连接第二二极管D2的阳极，第三开关管T3的基极连接驱动电路200 ，适用于输入第三驱动信号g3。本实施例中的第一开关管Tl、第二开关管T2和第三开关管T3均采用NPN型晶体三极管。在其他实施例中，第一开关管Tl、第二开关管T2和第三开关管还可以采用MOS管或IGBT管等。
[0049]第一轴承线圈LI的一端连接第一开关管Tl的集电极，第一轴承线圈LI的另一端连接第二开关管T2的发射极，第二轴承线圈L2的一端连接第二开关管T2的发射极，第二轴承线圈L2的另一端连接第三开关管T3的集电极。
[0050]为了防止开关管Tl?T3被击穿，提高该磁悬浮轴承开关功率放大器的稳定性及可靠性，每个桥臂上开关管的发射极和集电极之间均串接有第四二极管，第四二极管的数量为三个。即第一开关管的发射极连接其中一个第四二极管的阳极，第一开关管的集电极对应的连接该第四二极管的阴极。第二开关管的发射极连接其中一个第四二极管的阳极，第二开关管的集电极对应的连接该第四二极管的阴极。第三开关管的发射极连接一个第四二极管的阳极，第三开关管的集电极对应的连接该第四二极管的阴极。
[0051]本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器，在实现5自由度的悬浮控制时，仅需要5个半桥式三桥臂功率主电路，即需要15个开关管和15个二极管。因此，相对于现有技术而言，本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器的体积较小，成本较低，且开关损耗较低，节约了资源。
[0052]较优地，三桥臂功率主电路300还包括第一电阻Rl和第二电阻R2，第一电阻Rl与第一轴承线圈LI串联设置，第一电流采样电路401连接至第一电阻Rl与第一轴承线圈LI的相应公共端。第二电阻R2与第二轴承线圈L2串联设置，第二电流采样电路402连接至第二电阻R2与第二轴承线圈L2的相应公共端。第一电阻Rl和第二电阻R2起到了限流的作用，保护了第一轴承线圈LI和第二轴承线圈L2不被损坏。
[0053]作为一种可实施方式，主控电路100包括预设模块、PI控制模块和PWM生成模块。本实施例中的主控电路可以采用DSP(digital signal processor，数字信号处理器)、FPGA(Field 一 Programmable Gate Array，可编程门阵列)、单片机或工控机等处理器中的一种或多种的组合。其中，预设模块适用于预设第一参考电流IMfjP第二参考电流I Mf2，并预设第二桥臂上开关管对应的PWM2信号的占空比，以控制第二驱动信号g2的占空比，使得第二桥臂上的开关管T2对应的PWM2信号的占空比固定。PWM生成模块适用于生成并输出PWMl信号?PWM3信号。
[0054]PI控制模块适用于根据第一轴承线圈LI的实际电流。《与预设的第一参考电流Irefl的误差进行PI调节，并将PI调节后的结果传送给PWM生成模块，PWM生成模块生成并输出PWMl信号，以控制第一驱动信号gl的占空比，从而实现对第一轴承线圈LI的实际电流的调节，使得第一轴承线圈LI的实际电流接近预设的第一参考电流IMfl。同时，PI控制模块根据第二轴承线圈L2的实际电流1_2与预设的第二参考电流I Mf2的误差进行PI调节，并将PI调节后的结果传送至PWM生成模块，PWM生成模块生成并输出PWM3信号，以控制第三驱动信号g3的占空比，从而实现对第二轴承线圈L2的实际电流的调节，使得第二轴承线圈L2的实际电流接近预设的第二参考电流IMf2。
[0055]较优地，PWMl信号和PWM3信号与PWM2信号反相，以防止直通。且PWMl信号和PWM3信号的低电平中心与PWM2信号的高电平中心对齐，S卩PWMl信号和PWM3信号均以PWM2
信号为参考信号。
[0056]参见图4和图5所示，本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器的控制方法，包括如下步骤:
[0057]预设第一参考电流UP第二参考电流I raf2;
[0058]预设三桥臂功率主电路300中的第二桥臂上开关管T2对应的PWM2信号的占空比，使得第二驱动信号g2的占空比为定值；
[0059]主控电路100将第一电流采样电路401传送的第一轴承线圈LI的实际电流Ifdbl与预设的第一参考电流Irefl的误差经PI调节后输出PWMl信号，以控制第一驱动信号gl的占空比。从而调节流经第一轴承线圈LI的实际电流，使得第一轴承线圈LI的实际电流Ifdbl与预设的第一参考电流IMfl的偏差接近为O。
[0060]主控电路100将第二电流采样电路402传送的第二轴承线圈L2的实际电流Ifdb2与预设的第二参考电流Iref2的误差经PI调节后输出PWM3信号，以控制第三驱动信号g3的占空比。从而调节流经第二轴承线圈L2的实际电流，使得第二轴承线圈L2的实际电流Ifdb2与预设的第二参考电流IMf2的偏差接近为O。
[0061]如图4所示，下面以第一轴承线圈LI为例说明电流调节过程:
[0062]当第一轴承线圈的实际电流Ifdbl小于第一参考电流Irefl时，主控电路100经过PI调节后使得第一开关管Tl对应的PWMl信号的占空比增大，从而使得第一轴承线圈LI的实际电流上升。当第一轴承线圈LI的实际电流大于第一参考电流IMfl时，主控电路经过PI调节后使得第一开关管对应的PWMl信号的占空比减小，从而使得第一轴承线圈LI的实际电流下降，直至第一轴承线圈LI的实际电流接近第一参考电流IMfl。第二轴承线圈L2的电流调节过程与上述过程相同，此处不再赘述。
[0063]如图6所示，第二开关管T2对应的PWM2信号的占空比为50 %，此时若第一开关管Tl对应的PWMl信号与第三开关管T3对应的PWM3信号的占空比大于50%时，两个轴承线圈有充电和续流两种状态，轴承线圈的实际电流才有可能上升，且PWMl信号和PWM3信号的占空比越大，轴承线圈的实际电流上升越多。否则，两个轴承线圈有放电和续流两种状态，轴承线圈的实际电流将下降，且PWMl信号和PWM3信号的占空比越小，轴承线圈的实际电流下降越多，轴承线圈的实际电流的最小值为O。
[0064]如图7所示，第二开关管T2对应的PWM2信号的占空比小于50%，以PWM2信号的占空比为40 %时为例，此时若第一开关管Tl对应的PWMl信号与第三开关管T3对应的PWM3信号的占空比大于60%，两个轴承线圈有充电和续流两种状态，轴承线圈的实际电流才有可能上升，且PWMl信号和PWM3信号的占空比越大，轴承线圈的实际电流上升越多。否则，两个轴承线圈有放电和续流两种状态，轴承线圈的实际电流将下降，且PWMl信号和PWM3信号的占空比越小，轴承线圈的实际电流下降越多，轴承线圈的实际电流的最小值为O。
[0065]如图8所示，第二开关管T2对应的PWM2信号的占空比大于50%，以PWM2信号的占空比为60 %时为例，此时若第一开关管Tl对应的PWMl信号与第三开关管T3对应的PWM3信号的占空比大于40%，两个轴承线圈有充电和续流两种状态，轴承线圈的实际电流才有可能上升，且PWMl信号和PWM3信号的占空比越大，轴承线圈的实际电流上升越多。否则，两个轴承线圈有放电和续流两种状态，轴承线圈的实际电流将下降，且PWMl信号和PWM3信号的占空比越小，轴承线圈的实际电流下降越多，轴承线圈的实际电流的最小值为O。
[0066]本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器，通过采用两个轴承线圈共用H桥的第二桥臂，实现了三个桥臂控制主动式磁悬浮轴承的两个轴承线圈的电流，且第二桥臂上开关管采用固定占空比 的PWM信号作为驱动信号，不仅使得控制方式简单便捷，而且，本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器在实现5自由度的悬浮控制时，仅需要5个半桥式三桥臂功率主电路，即共需要15个可控开关管和15个二极管，减小了放大器的体积，降低了放大器的成本，降低了放大器的开关损耗。
[0067]以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，包括主控电路(100)、驱动电路(200)、三桥臂功率主电路(300)和电流采样电路(400)，所述主控电路(100)、所述驱动电路(200)、所述三桥臂功率主电路(300)和所述电流采样电路(400)依次循环电连接； 所述三桥臂功率主电路(300)包括三个桥臂和两个轴承线圈，两个所述轴承线圈分别为第一轴承线圈LI和第二轴承线圈L2，三个桥臂分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一轴承线圈LI设置在所述第一桥臂和所述第二桥臂之间，所述第二轴承线圈L2设置在所述第二桥臂和所述第三桥臂之间，所述第一轴承线圈LI和所述第二轴承线圈L2共用所述第二桥臂； 所述第一桥臂和所述第三桥臂的上桥臂上设置有开关管，共用的所述第二桥臂的下桥臂上设置有开关管，或者所述第一桥臂和所述第三桥臂的下桥臂上设置有开关管，共用的所述第二桥臂的上桥臂上设置有开关管，且共用的所述第二桥臂上开关管的驱动信号具有固定的占空比。2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述第一桥臂包括第一开关管Tl和第一二极管D1，所述第二桥臂包括第二开关管T2和第二二极管D2，所述第三桥臂包括第三开关管T3和第三二极管D3 ； 所述第一开关管Tl的基极连接所述驱动电路(200)，适用于输入第一驱动信号gl，所述第一开关管Tl的发射极连接所述第一二极管Dl的阴极，所述第一二极管Dl的阳极连接所述第二开关管T2的发射极，所述第一开关管Tl的集电极连接所述第二二极管D2的阴极，所述第二二极管D2的阳极连接所述第二开关管T2的集电极，所述第二开关管T2的基极连接所述驱动电路(200)，适用于输入第二驱动信号g2 ; 所述第三开关管T3的集电极连接所述第二二极管D2的阴极，所述第三开关管T3的基极连接所述驱动电路(200)，适用于输入第三驱动信号g3，所述第三开关管T3的发射极连接所述第三二极管D3的阴极，所述第三二极管D3的阳极连接所述第二开关管T2的发射极； 所述第一轴承线圈LI的一端连接所述第一开关管Tl的发射极，所述第一轴承线圈LI的另一端连接所述第二开关管T2的集电极，所述第二轴承线圈L2的一端连接所述第二开关管T2的集电极，所述第二轴承线圈L2的另一端连接所述第三开关管T3的发射极。3.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述第一桥臂包括第一开关管Tl和第一二极管D1，所述第二桥臂包括第二开关管T2和第二二极管D2，所述第三桥臂包括第三开关管T3和第三二极管D3 ； 所述第一二极管Dl的阴极连接所述第二开关管T2的集电极，所述第一二极管Dl的阳极连接所述第一开关管Tl的集电极，所述第一开关管Tl的基极连接所述驱动电路(200)，适用于输入第一驱动信号gl，所述第一开关管Tl的发射极连接所述第二二极管D2的阳极，所述第二二极管D2的阴极连接所述第二开关管T2的发射极，所述第二开关管T2的基极连接所述驱动电路(200)，适用于输入第二驱动信号g2 ; 所述第三二极管D3的阴极连接所述第二开关管T2的集电极，所述第三二极管D3的阳极连接所述第三开关管T3的集电极，所述第三开关管T3的发射极连接所述第二二极管D2的阳极，所述第三开关管T3的基极连接所述驱动电路(200)，适用于输入第三驱动信号g3 ； 所述第一轴承线圈LI的一端连接所述第一开关管Tl的集电极，所述第一轴承线圈LI的另一端连接所述第二开关管T2的发射极，所述第二轴承线圈L2的一端连接所述第二开关管T2的发射极，所述第二轴承线圈L2的另一端连接所述第三开关管T3的集电极。4.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述主控电路(100)包括预设模块、PI控制模块和PWM生成模块； 所述预设模块适用于预设第一参考电流Irefl和第二参考电流I ref2，并预设所述第二桥臂上开关管对应的PWM2信号的占空比； 所述PI控制模块适用于根据所述第一轴承线圈的实际电流Ifdbl与预设的第一参考电流IMfl的误差进行PI调节，根据所述第二轴承线圈的实际电流I fdb2与预设的第二参考电流IMf2的误差进行PI调节； 所述PWM生成模块适用于生成并输出PWMl信号?PWM3信号。5.根据权利要求4所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述PWMl信号和所述PWM3信号与所述PWM2信号反相，且所述PWMl信号和所述PWM3信号的低电平中心与所述PWM2信号的高电平中心对齐。6.根据要求1-5任一项所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述电流采样电路(400)包括第一电流米样电路(401)和第二电流米样电路(402)，所述第一电流米样电路(401)与所述第一轴承线圈LI连接，适用于采集所述第一轴承线圈LI的实际电流；所述第二电流采样电路(402)与所述第二轴承线圈L2连接，适用于采集所述第二轴承线圈L2的实际电流。7.根据权利要求6所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述电流采样电路(400)还包括第一 A/D转换模块和第二 A/D转换模块，所述第一 A/D转换模块设置在所述第一电流采样电路(401)和所述主控电路(100)之间，所述第二 A/D转换模块设置在所述第二电流采样电路(402)和所述主控电路(100)之间。8.根据权利要求7所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述第一A/D转换模块和所述第二 A/D转换模块为A/D转换器或运算放大器。9.根据权利要求1-5任一项所述的磁悬浮轴承开关功率放大器，其特征在于，所述三桥臂功率主电路(300)还包括第一电阻Rl和第二电阻R2，所述第一电阻Rl与所述第一轴承线圈LI串联设置，所述第二电阻R2与所述第二轴承线圈L2串联设置。
【专利摘要】本实用新型提供了一种磁悬浮轴承开关功率放大器，包括主控电路、驱动电路、三桥臂功率主电路和电流采样电路；三桥臂功率主电路包括三个桥臂和两个轴承线圈，第一桥臂和第三桥臂的上桥臂上设置有开关管，共用的第二桥臂的下桥臂上设置有开关管，或者第一桥臂和第三桥臂的下桥臂上设置有开关管，共用的第二桥臂的上桥臂上设置有开关管，且共用的第二桥臂上开关管的驱动信号具有固定的占空比。本实用新型的磁悬浮轴承开关功率放大器减小了放大器的体积，降低了放大器的开关损耗，而且控制方式简单便捷。
【IPC分类】H02M7/5395, F16C32/04, H02M7/48
【公开号】CN204696950
【申请号】CN201520353093
【发明人】黄辉, 胡余生, 郭伟林, 贺永玲, 李燕, 胡叨福
【申请人】珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年5月27日
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