磁轴承三态脉宽调制开关功放设计研究

摘要：根据三态开关功放理论,利用SG3524,IR2110等集成芯片设计了磁轴承三态PWM开关功率放大器。理论分析和试验表明,该功率放大器具有电流纹波小、电磁干扰小、效率高等优点。

1 引言

磁轴承是利用电磁铁产生可控电磁力将转子进行无接触悬浮的一种新型轴承，它具有无 摩擦、寿命长、无需润滑和维护简单等优点，已经广泛应用在真空及超净室技术、透平机械、 高速机床、储能飞轮及航天器中姿态控制陀螺等领域。在磁轴承系统中，功率放大器（简称 功放）的作用是向电磁线圈提供电流以产生所需要的电磁力。对于较大功率的功放（0.6kVA 以上），一般都要采用开关型功率放大器。功率放大器应该具有足够的带宽，以保证磁轴承 控制系统具有良好的动态特性，并能满足抑制高频扰动的需要；同时功率放大器的输出电流 失真要小，也就是电流纹波要小。

传统开关型功率放大器大多为两态开关功放，即负载线圈要么处于充电状态，要么处于 放电状态，会在磁轴承中产生较大的铁耗和铜耗，且由于电流冲击的存在使得电磁干扰严重。 三态开关功放由于工作在充电、放电和续流状态，所以可解决两态功放的问题。文献[1~2]介 绍了磁轴承三态开关功放，实验证明三态开关功放可以有效地抑制电流纹波。文献[3]介绍了 基于CPLD 的磁轴承开关功放设计。磁轴承在工作过程中并不需要使线圈中的电流双向流动，因此本文主要研究桥路拓扑结构为半桥的三态脉宽调制开关功放设计。

2 功放原理分析及设计

在电流设定值固定时，两电平开关功放的电流纹波大小约为udc ⁄2Lfk（其中，udc为功 放直流电源电压，L 为线圈电感， fk为开关频率），与直流电源电压成正比，与开关频率和 线圈电感成反比，所以要减小两电平开关功放的电流纹波，可以通过降低电源电压或提高开 关频率的方法实现。但是电源电压与磁轴承电磁力的响应速度成正比，所以电源电压不能过 低。而提高开关频率，会使开关损耗增加，开关功放效率降低[4]。

三态脉宽调制开关功放可以解决这个问题。三态开关功放是在两电平调制的基础上再增 加一种零电平输出状态，即作为负载的磁轴承线圈被开关器件短路，线圈中电流呈自然续流 状态。这样可以降低功率器件的开关频率，而且功率开关通断过程中电压跳变只有两电平功 放的一半，有利于降低开关损耗，延长开关功放的寿命。由于三态开关功放的电流纹波和电 源电压几乎无关，因此可以通过提高电源电压来提高磁轴承力的响应速度，改善功放动态特性，又不会增加电流纹波[5]。

本文研究的磁轴承系统电磁线圈采用电流迭加式绕制法，线圈电流I0 ± ic ≥ 0，始终单 方向流动，因此桥路拓扑结构采用半桥结构。磁轴承开关功放主要包括PI 控制器，PWM 发 生器、半桥电路和电流采样电路，系统框图如图1 所示。

三态功放与两态功放不同之处在于将 MOSFET 管VT2 控制脉冲uVT 2进行了移相，即 uVT 2保持波形不变，只是相对于uVT1延迟了一定时间。图2 表示经过移相后，桥路的三种 工作状态。当两路给定驱动脉冲信号为高电平时，VT1 和VT2 同时导通，此时桥路工作状态 如图2(c)所示，处于充电状态；当两路驱动脉冲信号分别为高电平和低电平时，VT1 和VT2 只有一个导通，此时桥路工作状态如图2(a)和2(b)所示，处于续流状态；当两路驱动脉冲信 号同为低电平时，VT1 和VT2 同时截止，此时桥路工作状态如图2(d)所示，处于放电状态。

由于三态开关功放在电磁线圈电流上升时处于充电与续流的交替变化，下降时处于放电 与续流的交替变化，维持不变时完全处于续流状态，因此理论上不存在电流纹波，电流纹波 可以得到很好的抑制。

3 电路实现

三态脉宽调制开关功放的关键在于能够实现上下两个MOSFET 管控制信号相互之间延 迟一定的相位，并且能够实现占空比大范围变化的脉冲移相。文献[2]证明半桥电路中两个控 制信号之间相差180o时，线圈中电流纹波可以得到较好的抑制。TI公司的PWM芯片SG3524 可以很方便地输出两路相位相差180o的PWM 信号， 该芯片是一种双端输出式脉宽调制器 （PWM），内部包含了双端输出所必需的各种基本电路，其原理图如图3 所示[6]：

由原理图易知，取样电压和基准电压分别接入管脚1 和2，经误差放大器放大后，输出 控制电压U3，接入PWM 调制器反相输入端，与其同相输入端的锯齿波电压进行比较，输 出一个宽度受U3控制的方波脉冲U4，送至两个或非门的输入端，同时来自振荡器的同步方 波脉冲U2经两分频触发器输出两路相位互差180o的方波脉冲也送至两或非门的输入端。因 此按图3 接法，两路输出端的输出信号正好相位差180o，占空比可调，分别用来驱动上下 两个MOSFET 管，满足三态开关功放的控制要求。

隔离驱动环节采用了美国 IR 公司生产的隔离驱动芯片IR2110[7~8]。IR2110 兼有光耦隔 离体积小和电磁隔离速度快的优点，具有独立的低端和高端输出通道；悬浮电源采用自举电 路，其高端工作电压可达500V；输出的电源端电压范围10~20V；逻辑电源电压5~15V，可 方便地与TTL，CMOS 电平匹配；工作频率高，可达500KHz。IR2110 特别适合于作为中小 功率变换装置中的驱动器件。

同时其价格便宜，体积较小，使用方便，因此选用IR2110 作 为隔离驱动元件。 电流反馈环节直接用 0.1Ω 的采样电阻串联进线圈回路中，将电流采样值反馈回SG3524 构成电流反馈。图4 为完整的三态脉宽调制开关功放电路原理图。

4 实验及分析

用上文设计的三态脉宽调制开关功放电路驱动某磁轴承实验台轴向线圈，实验过程中分 别测得线圈电流为1.2A 时，两态和三态开关功放实验波形如图5 所示。图5(a)和(b)分别是 线圈平均电流为1.2A 时，两态和三态功放中MOSFET 管VT1 和VT2 控制电压波形以及电 磁线圈中电流波形。

图5(a) 两态，1.2A，控制波形和电流波形图5(b) 三态，1.2A，控制波形和电流波形(注：图5（a）中控制波形：10V/格，电流波形：50mv/格；图5(b)中控制波形：5V/格，电流波形：50mv/格，时间均为：20us/格)

由图5 可见，三态功放中控制电压波形经过移相后，功放的输出电流纹波明显减小，原因是桥路工作状态由两态时的充电状态和放电状态转换为充电、放电和续流三种状态。

5 结论

采用 SG3524，IR2110 和MOSFET 管IRPF450，设计了三态脉宽调制开关功放。实验证 明，该功放具有良好的工作特性，电流纹波和电磁干扰得到很好的抑制，功放效率得到提高， 运行稳定能够满足磁轴承系统运行要求。

文章创新点：

1、利用SG3524 解决了三态开关功放控制脉冲的移相

2、三态功放减小了功放电流纹波和电磁干扰，提高了功放效率