磁悬浮用开关功率放大器的设计与研究电气方向本科毕业设计.docx
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磁悬浮用开关功率放大器的设计与研究电气方向本科毕业设计
摘要
电磁轴承是利用电磁力将转子无接触地悬浮起来的支承部件,这一特性使电磁轴承与传统轴承相比具有无法比拟的优点,在高速旋转机械领域得到了广泛的应用。
在电磁轴承系统中,功率放大器(简称功放)是重要组成部分,它的作用是向电磁铁线圈提供相应的控制电流以产生所需要的电磁力,其性能优劣对控制系统具有重要影响。
磁轴承的特点决定了它需要高性能、高效率的功率放大器,开关功率放大器因其损耗小、效率高、通频带宽等优点,广泛取代了早期低效率的线性功放,成为目前功放放大器研究的重点。
本文在对磁轴承的系统组成进行全面介绍的基础上,以单自由度系统为例,对磁力轴承系统的功率放大器进行了设计和研究;从放大器的四种模型入手,对电压控制电流源型磁力轴承功率放大器的基本理论进行了分析;详细讨论了开关功放的结构组成,给出了按脉冲形成电路的不同而划分的开关功放的四种类型;针对目前开关功率放大器所采用的调制技术,比较了各种调制技术的优缺点,在功放设计方案中采用了比较实用的PWM调制技术,并讨论了PWM调制器的实现方式;研究了功率MOSFET驱动电路,并设计了IR2011驱动方案;介绍了仿真软件MATLAB\Simulink,运用该软件对两电平PWM开关功放进行了仿真设计。
最后并对结果进行了分析。
关键字:
磁轴承;开关功率放大器;脉宽调制;仿真
ABSTRACT
Incomparisonwiththeconventionalrollingelementorjournalbearing,activemagneticbearings(AMBs),whichuseelectromagneticforcetosupportarotor,arebeingwidelyusedinrotatingmachinery.IntheAMBsystem,apoweramplifierwhichprovidesmagneticcoilwithexcitingcurrenttoproduceelectromagneticforce,isoneofthemaincomponents.SotheperformanceofpoweramplifierplaysanimportantroleintheperformanceofAMBsystems.
ConsideringthecharacteristicsofAMBs,high-performanceandhigh-efficiencypoweramplifiersareneeded.Switchingpoweramplifieriswidelyusedbecauseofitsvirtuesoflowpowerlosses,highefficiencyandhighfrequencybandwidth.
Inordertomakepreparationfortheanalysisofthepoweramplifier,theAMBsystemisintroducedatfirst,andthenadesignandanalysisofthepoweramplifieroftheAMBwhichisbasedona1DOFAMBsystemisgiven.Fromfourkindsofamplifiermodels,averyclearanalysistothebasictheoriesoftheAMBpoweramplifierismadebasedonthevoltagemodeswitchingpoweramplifier,andthenthedetailedstructureofswitchingpoweramplifierisdiscussed.Fourcategoriesoftheswitchingpoweramplifierispresentedsubsequently.Bycomparingtheadvantagesanddisadvantagesofvariousmodulationtechniquesusedintheswitchingpoweramplifiersatpresent,aPWMmodulationtechniqueisadoptedduetoitspracticality,andtheimplementationofthePWMmodulatorisdiscussed.ThepowerMOSFETdrivercircuitisanalyzed,andadrivingcircuitusingIR2011isdesignedinthispaper.ThesimulationsoftwareMATLAB\Simulinkwhichhasspecialfeaturesisintroduced.Atwo-levelPWMswitchingpoweramplifierisdesignedandsimulatedusingthesimulationsoftware.Finallyanalyticalviewsareputforward.
KEYWORDS:
magneticbearing,switchingpoweramplifier,PWM,simulation
第1章前言
1.1概述
磁悬浮,就是利用磁场产生的磁力来克服重力,支撑物体使物体无接触悬浮于空中的技术。
作为磁悬浮应用之一的电磁轴承就是利用磁力来支承转子的一种新型支承结构。
主动电磁轴承(简称电磁轴承,ActiveMangeticBearnig,AMB)是用电磁力使转子悬浮起来的一种新型轴承。
是集电磁学、电子技术、自动控制理论、计算机科学、转子动力学为一体的典型的机电一体化产品。
与传统轴承相比,它有多方面的优点:
无机械摩擦、无接触磨损、无需润滑、定位精度高、适应的转速范围广、对环境无污染等,因而受到了工程界的广泛重视,是目前机械、电气控制等领域的前沿课题之一。
按照悬浮磁场性质不同,可以将磁轴承分为以下三类:
(1)主动磁轴承(ActiveMangeticBearnig,简称AMB):
由受控的电磁力实
现转子悬浮,具有阻尼和刚度可调、承载力大等优点。
(2)被动磁轴承(PassiveMagneticBearing,简称PMB):
由不可控的永磁力
或超导磁力实现转子部分的自由悬浮,具有结构简单、成本低、功耗小等优点,但它的承载力小,刚度不可调,在转子运转到临界转速时,必须通过外加的阻尼机构来抑制共振。
(3)混合磁轴承(HybridMagneticBearing,简称HMB):
由电磁铁和永磁体产生的磁力共同作用,实现转子的稳定悬浮。
以上三种磁轴承中,目前应用最广的是AMB。
一个简单的AMB系统的组成如图1-1所示。
其中,定子是可控电磁铁,受功率放大器(简称功放)输出控制,以调整对转子吸引力的大小。
转子全悬浮,为被控对象。
系统运行时,首先电磁铁通电,使转子悬浮起来,当处于悬浮中的转子受到外界干扰偏离平衡位置时,传感器捕获转子位置偏移信号与参考信号比较后送给控制器,控制器则根据偏差信号采用一定的控制算法输出相应的控制信号,功放根据控制信号的大小驱动电磁铁中的电流,来改变电磁吸引力的大小,从而把转子重新调节回平衡位置上。
图1-1简单的主动磁力轴承系统组成示意图[1]
在上述AMB中,功率放大器是控制器控制命令的执行者,是系统的一个重要组成部分,它性能的好坏对整个系统有着重要影响。
首先,作为磁力轴承的一部分,它的传递函数对系统的状态方程有影响;其次,作为系统控制命令的执行环节,能量消耗最大,如何降低能量损耗、提高转换效率是功放设计的最主要目的之一;再次,磁力轴承的诸多优点都要求功放有良好的静动态性能,但系统中的定子线圈为典型的大电感负载,有本质的电流滞后性,故如何提高功放的电流响应速度,补偿线圈电流的滞后,也是功放设计的一个重要目的。
由于上述原因,一般商品化的功放产品很难满足使用要求,磁力轴承系统的功放多数应专门设计,而且设计中存在很大的难度和多样性,作为磁力轴承系统关键技术之一的功率放大器,很有研究的必要性。
1.2主动磁悬浮技术及其发展
早在一百多年前,英国学者Earnshaw就给出稳定悬浮的条件,然而由于当时受到电子元器件与控制理论发展的限制,进展很小。
到了1939年,人们己经对磁力轴承的技术应用表现出实际的兴趣,Braunbek对此作了更进一步的物理剖析:
唯有抗磁性材料才能依靠选择恰当的永久磁铁结构与相应的磁场分布而实现稳定悬浮。
为了使得由铁磁体所得到的力能够用于稳定的自由悬浮,必须根据物体的悬浮状态连续不断地调节磁场,这可以通过可控电磁铁来实现。
1937年,KemPer申请了一项有关主动磁悬浮支承的专利,专利提出了采用新的交通办法的可能,这正是稍后出现的磁浮列车的前身。
但是它在工业上的广泛应用却是最近二十年的事情,并逐渐形成了磁悬浮列车和磁悬浮轴承两个主要的研究方向。
随着晶体管及大规模集成电路技术的飞速发展,带有反馈控制的有源电磁轴承越来越显示出其优势。
1969年法国军方实验室(LRBA)开始这方面的研究,三年后将这一技术用于卫星导航的动量飞轮支承中。
随后世界各国也纷纷投入研究,近三十年来,在空间技术、仪器仪表、物理学研究、振动控制、加工机械、透平机械及特殊要求的领域电磁轴承都得到了广泛的应用。
国外许多公司,如哈伯曼和S2M公司,已有了商品化系列化的电磁轴承产品。
目前国外对电磁轴承的研究主要集中在各种现代控制理论的应用、新结构电磁轴承、电磁轴承建模及改善性能等方面。
在磁悬浮方面,从60年代起,日本和德国等就对不同方案的磁悬浮列车进行了研究。
德国对主动磁悬浮技术的研究主要集中在电磁型(简称EMS)磁悬浮列车上,1977年德国航空公司研制成功的KOMET磁浮列车是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。
日本主要集中于电动型(简称EDS)磁悬浮列车的研究与开发上,1972年研制的ML100是世界上第一台EDS型磁浮列车。
国内在主动磁悬浮技术方面的研究起步较晚,80年代末期才正式启动磁浮列车的研究项目,由国防科技大学和西南交通大学等有关单位承担。
与此同时,国内也有不少大专院校和单位在做主动磁悬浮轴承技术方面的应用研究:
清华大学与无锡机床厂内圆磨床研究所对内圆磨床的主动磁轴承高频电主轴进行了研究,并开展了10MW高温气冷堆用氦气透平电磁轴承的研究工作[2];xxx大学、哈尔滨工业大学进行了机床主轴的磁轴承的研究,xxx大学轴承研究所于1990年在国内首次实现了4自由度电磁轴承的稳定悬浮,最高转速为3000r/min[3]。
1994年,xxx大学为开封空分机厂研制了1套5自由度的电磁轴承,转速高达35000r/min。
西安理工大学研究了磁悬浮高频电主轴,其转子质量为0.85kg,最高转速为80000rpm,径向轴承刚度为10N/μm[4];南京航空航天大学目前主要在主动磁轴承、永磁偏置轴承和无轴承电机等方面展开研究,他们主要研究了数字控制系统,开关功率放大器,控制算法等。
南京航空航天大学于1992年开始对航空发动机用电磁轴承系统进行跟踪研究,研究工作获得了江苏省和航空科学基金的资助,目前,己建成3个电磁轴承试验台,转速达到6000Or/min。
浙江大学对磁悬浮阻尼器、磁悬浮钢板进行了研究;国防科技大学研究了磁悬浮列车、磁悬挂天平以及磁悬浮飞轮;北京航空航天大学对控制力矩陀螺展开了研究。
上海大学轴承研究室和苏州西达低温设备厂合作研制成功的150m3透平制氧膨胀样机转速达到9800r/min。
沈阳发动机设计研究所和上海大学合作研制成功了转速为20000r/min的航空发动机原理试验样机,转子质量为5.3kg[5]。
由上可见,电磁轴承系统中的控制器、功率放大器以及新型结构的磁轴承是目前国内外电磁轴承研究的重点内容。
1.3功率放大器的发展现状
在电磁轴承系统中,功率放大器(简称功放)的作用是把控制器输出的控制信号转换为电磁铁所需要的大电流,从而为电磁轴承悬浮转子提供功率。
传统的功放多采用线性功放,即采用甲乙类或者乙类互补对称放大电路,此时开关器件工作在线性放大区。
线性功放具有设计简单、波形失真度小等优点,目前主要应用他于小型功率源。
但线性功放的效率很低,理想的互补对称电路在理论上能达到78.5%,实际的效率在40%~50%之间,甚至更低。
由于线性功放的效率较低,人们开始研制脉宽调制式PWM功率放大器,以解决效率和功率之间的矛盾。
基于脉宽调制原理的开关功率放大器是一种工作于开关状态的功率放大器,无需偏置电流,闲置功耗极低,效率很高。
开关功率放大器的原理,虽在五十年前就已提出,但由于其工作配套电路复杂,增加了放大器的成本,亦增加了能耗,影响了放大器的效率。
因此几十年米,开关功率放大器较少付诸实用。
进入九十年代以来,半导体集成制作工艺的发展,尤其是以CMOS电路为主要部件的制造工艺的发展,使得开关功率放大器及其控制电路已能实现单片集成。
芯片中放大器自身能耗低,而CMOS构成的配套电路能耗亦低,整个芯片无需外加散热装置,体积小,效率高,功能强。
这些特性满足了日益发展的小型化要求和低能耗的期望,使得开关功率放大器的研究、开发倍受重视。
目前,开关功率放大器已成为电力电子领域的研究热点,受到人们越来越多的关注。
1.4论文工作和内容安排
开关功放控制简单、效率高,是磁轴承理想的功率放大器形式。
但传统的开关功放存在电流纹波大、动态特性受限等缺点,因而设计高性能、高效率,能实现低电流纹波和良好的动态特性相结合的开关功放便成为课题的研究重点。
本文讨论了开关功放的设计原则,进行了建模仿真,目的是对磁悬浮电磁轴承开关功放方面的相关工作进行研究。
各章内容安排如下:
第一章:
介绍了电磁轴承系统的组成,重点介绍了磁轴承的发展与应用以及功率放大器的发展与现状,最后对本文的研究工作和各章的内容安排作了说明。
第二章:
从放大电路的四种模型入手,对磁力轴承功率放大器的基本理论作了透彻分析,并且详细讨论了开关功放的结构组成,给出了按脉冲形成电路的不同而划分的开关功放的四种类型。
第三章:
对目前应用最广的PWM开关功放的结构及其各模块工作原理进行了详细的分析,讨论了PWM调制器的实现方式以及确定了电路的各个参数。
第四章:
介绍了特色仿真软件MATLAB\Simulink,运用该软件对两电平PWM开关功放进行了仿真设计,并对结果进行了分析。
第五章:
全文总结与进一步研究展望。
第2章磁轴承功率放大器
2.1概述
电磁轴承系统本身是一个不稳定的系统,而系统的稳定与否取决于对电磁力的控制。
电磁轴承作用在转子上的电磁力是电磁铁线圈中电流的函数,故可以把对系统稳定性的控制转化为对线圈电流的控制。
由于所需要的控制电流较大,不可能直接由控制器直接输出,必须使用功率放大器对控制器的信号进行放大,所以功率放大器是系统中不可缺少的部分。
电磁轴承系统中所用的功率放大器的特殊性主要表现为其负载为感性负载。
因此,一般商品化的功放产品不能满足电磁轴承系统的使用要求,电磁轴承的功率放大器应专门设计。
2.1.1放大电路的四种模型
放大是最基本的信号处理功能,它是通过放大电路实现的,大多数电子系统中都应用了不同类型的放大电路,功率放大器也是放大器的一种。
一个的简单双口四端放大电路从输入端看有输入电压Vi和输入电流Ii,而从输出端口看则有输出电压Vo和输出电流Io。
在实际应用中,根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求,考虑不同的输入输出量,则可以有以下四种基本的放大电路模型:
(1)只考虑Vi和Vo的电压放大电路,此时放大电路等效为压控电压源;
(2)只考虑Vi和Io的互导放大电路,此时放大电路等效为压控电流源;
(3)只考虑Ii和Io的电流放大电路,此时放大电路等效为流控电流源;
(4)只考虑Ii和Vo的电流放大电路,此时放大电路等效为流控电压源。
根据戴维宁-诺顿等效变换原理,放大电路的上述四种模型之间是可以相互任意转化的。
但是根据信号源的性质和负载的要求,一般只有一种模型在电路分析或设计中概念最明确、运用最方便。
例如,在信号源是内阻很大的电流源时,就应该考虑使用电流放大或互阻放大电路模型。
再如,若希望负载上的电压不随负载的变化和电源电压波动而变化时,使用电压放大或互阻放大电路模型就比较好。
2.1.2电压控制与电流控制
磁力轴承系统中,功率放大器接受的是模拟控制器(或者DSP等数字控制
器经D/A转换后)输出的功率很小的不能直接驱动电磁铁的电压指令,对功放来
说,这相当于是信号源内阻很小的电压源,所以磁力轴承功率放大器一般都配
置成电压放大或互导放大电路,也就是我们经常见到的电压控制和电流控制策
略问题。
根据输入-输出之间的关系,电压放大模型的功放,也即“电压-电压”型功放,输入、输出都是电压,称为电压控制策略的功放;而互导放大模型的功放,也即“电压-电流”型功放,输入是电压,输出却是电流,被称为电流控制策略的功放。
采用电压控制策略时,功放输出电压与输入电压相位相同,而输出电流,即电磁铁中的电流,则落后于输入电压一定相位。
采用电流控制策略时,功放的输出电流则与输入电压同相位,又因为电磁铁中的电流与电磁力同相,所以输入电压可直接与电磁力相联系,使系统的方程降低一阶。
从模型上来讲,考虑电磁铁电感的影响时电压控制型功放的鲁棒性更好。
而采用电流控制型功放,相应的模型会简单一些,因为在线性范围以内,电磁铁电感带来的影响几乎不用考虑,而且在很大的范围内电流控制型功放模型有极高的准确性。
但是电压控制型功放实现起来比较容易,而电流控制型功放则电路结构复杂,一般都要在电压控制型功放的基础上通过电流负反馈等方法来实现。
随着电力电子技术的发展,中小功率电流控制型功放实现起来己经不难。
综合考虑来看,对于中小功率的磁力轴承系统,目前主要是采用电流控制型功放。
而由于大功率的电流控制型功放实现起来问题较多,因此,对于大功率或超大功率的磁悬浮系统,如磁悬浮列车等目前主要还是采用电压控制型功放。
如上所述,在轴承转子系统中多采用电流控制策略,此策略的关键之处在于如何设计电压一电流型功放电路。
这时,放大器的输出电流原则上应当能够做到只随控制电压的变化,而与负载无关。
电压-电流型的功放设计中主要是引入电流负反馈,这相当于引入了一个超前环节,以牺牲增益的条件展宽了频带,来解决电流响应速度的提高与补偿磁力轴承感性负载电流滞后电压的本质矛盾。
本课题采用电流控制策略。
2.1.3线性功放和开关功放
按照输出级功率器件的工作状态来分,功放可分为甲类(A类)、乙类(B类)、甲乙类(AB类)、丙类(C类)和丁类(D类)功放,其中前三类可统称为线性功放,功率器件都工作于线性放大区,丁类称为开关功放,功率器件工作于饱和和截止区,只有导通与截止两个工作状态。
图2-1几种线性功放电路原理图[2]
甲(A)类功放的输出级在输入信号的整个周期内始终有电流通过,所以效率很低,理论上最高为50%,一般只有30%~40%,因此甲类功放在工作时会产生高热,对散热器和功率管的要求苛刻。
但其突出的优点是理论上几乎无失真,因此仅用于功率很小的收音机、助听器中。
乙(B)类功放是将静态电流减小到零而得到,理论上效率可达78.5%。
乙类功放如果采用单端放大结构,会出现信号的一个半周没有输出的严重问题,这是因为半导体器件只能单向导电,对于没有静态偏置的单只放大管来说,必然会无法反映某个半周输入信号的变化,出现输出波形的严重失真,因此人们用推挽输出的电路结构,分别用两组输出器件轮流放大信号的正负半周,从而在负载上合成一个完整的波形。
乙类放大器最大的优点是无信号时理论上没有偏置电流,因而没有直流损耗,效率较甲类功放有所提高,但却带来了交越失真和开关失真。
丙类(C类)功放的工作点被配置在截止区,导通角小于半个周期。
当信号输入超过偏置点部分时,功率管才导通,效率通常更高,但由于失真过大,多用于高频功放作倍频用。
甲乙(AB)类功放,是介于甲类和乙类之间的一种功放,它的输出级施加了一定的静态电流,导通角大于半个周期,交越失真和开关失真明显削弱。
因为静态电流没有甲类功放那么大,效率也有较大的提高,所以成为应用最为广泛的线性功放类型,尤其是近乙类的甲乙类功放。
我们平常所说的线性功放大多都是指的此类功放,但其效率最高也只有70%左右。
丁(D)类功放,是人们为了克服线性功放的缺点,提高输出功率和效率而研制的开关型功率放大器。
丁类功放输出级晶体管像开关那样工作,则在所有的工作电平上,功放的效率理论上将提高到100%,解决了效率和功率之间的矛盾。
线性功放(甲类,甲乙类,乙类以及丙类)的静态工作点越来越低,效率也越来越高,但失真也逐渐增大。
因为有静态偏置电流,所以线性功放的效率比较低。
尤其是当功率等级较高时,使用线性功放最大的缺点是在实现高负荷指标的同时,也给功率器件带来了严重的热耗散问题。
线性功放的一个突出优点是控制精度高,电路相对简单,易于实现,所以多用于小功率、精度控制的场合。
开关功放也即丁(D)类功放,由于功率器件工作在截止区和饱和区,元件的损耗很小,只是在开关状态发生变化时经过线性区,有一定开关损耗,因此开关功放具有较高的效率。
当功率大约在0.6kVA以上的应用中,开关功放比线性功放的损耗低得多,为追求高效率,几乎只采用开关功放。
本课题采用开关功放。
2.2开关功放的性能参数
磁轴承功率放大器的作用是将控制器产生的弱电控制信号按照一定的比例转化成具有驱动能力的电流或电压,用来驱动执行元件(定子绕组)以获得所需的电磁力。
为了满足磁轴承的性能要求,功放必须能将控制信号准确的转化成输出电流或者电压,并且要求功率放大器能够在不失真或低失真的情况下,输出足够大的功率。
这是对磁轴承开关功放最基本要求,具体的性能参数指标主要有以下几个。
2.2.1功放的电流变化率
决定磁力轴承性能的一个重要指标就是悬浮力的变化率,它反映系统对轴承承载力的调节能力。
而磁力来源于电磁铁线圈,所以为了达到力的变化率指标,功放的电流变化率控制显得尤为重要。
电磁铁线圈包括电感和电阻双重作用,可抽象成一个电阻r与一个电感L的串联,且电感L是转子位置x的函数。
在中心点附近,可以近似认为L是恒定值。
转子在磁场中运动时,会产生正比于dx/dt的电压,即反电动势,为表征这部分的影响,引入电压一速度系数ku,这样总电压方程为:
(2-1)
但磁力轴承机械惯性远大于电磁惯性,所以为了简化分析,可以不考虑反电动势的影响。
由式(2-1),不考虑反电动势的影响,但考虑了电流采样电阻等因素后可得:
(2-2)
其中,udc为功放直流电源电压,R为包括线圈电阻、电流采样电阻在内的线圈等效电阻。
式(2-2)可变换为:
(2-3)
一般情况下udc较大,电阻R两端的压降相对udc而言较小,为了分析简单性,忽略该项,则功率放大器允许的电流最大变化率为:
(2-4)
从式(2-4)可以发现,电流的最大变化率与功放直流电源电压成正比,与线圈电感L成反比。
在采用开关功放的磁力轴承系统中,不失真电流的输出波形是一个与控制信号形状相同但上面叠加有三角波的
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