磁悬浮轴承数字功率放大器的研究

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1、磁悬浮轴承数字功率放大器的研究*常肖1徐龙祥1董继勇2（1南京航空航天大学机电学院，南京中国，2100162南京磁谷科技有限公司，南京中国，210000）摘要：本文研制了基于DSP和FPGA的三电平磁悬浮轴承数字功率放大器。用DSP芯片取代模拟电路进行PI调节、三角载波产生以及负载线圈驱动信号PWM波的产生，通过DSP内部程序实现PWM占空比在线调节，并给出了采用FPGA对驱动信号PWM波进行移相180°的方法，实现了三电平的数字功率放大器。将此数字功率放大器应用于五自由度磁悬浮轴承试验台，实现了转

2、子的静态稳定悬浮，静态悬浮时转子振动的峰峰值小于5μm。关键词：磁悬浮轴承；数字功率放大器；DSP；FPGA；PWMResearchonDigitalPowerAmplifierofActiveMagneticBearingChangXiao1XuLongxiang1DongJiyong2(1CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanning210016,C

3、hina2NanningCiguCompany,Nanning210000,China)Abstract:Thethree-leveldigitalpoweramplifierbasedonDSPandFPGAoftheactivemagneticbearingisresearchedinthispaper,theDSPchipisusedtoreplacetheanalogcircuittogeneratethePWMwavewhichisusedtodrivetheloadwinding,the

4、PWMwave’sdutycycleismodulatedthroughtheinternalprogram,themethodofmakingphaseshiftofthePWMwaveofthedrivesignalthroughFPGAisalsogiveninthispaperandthethree-leveldigitalpoweramplifierisachievedthroughthismethod.Therotorissuspendedstaticallywhilethepeakva

5、lueoftherotor’svibrationislessthan5μmonthebaseoffive-degree-of-freedomofactivemagneticbearingthroughthisdigitalpoweramplifier.Keywords:Activemagneticbearing；DigitalPoweramplifier；DSP；FPGA,PWM50引言磁悬浮轴承的功率放大器是磁悬浮轴承系统能量转换的关键部分，是影响磁悬浮轴承稳定性的关键因素之一[1]，同时对整个系

6、统的动态性能起着重要的作用，严重制约着控制器的设计效果[2]。所以，磁悬浮轴承的功率放大器需满足效率高、电流纹波小、响应快以及可靠性高等几个要求。按照实现形式的不同，磁悬浮轴承功率放大器分为模拟功率放大器和数字功率放大器。模拟功率放大器是应用模拟运算电路搭建起来的控制系统来驱动功率转换电路产生电流的。其中，三角波产生电路、PI调节电路、PWM波产生电路都是由模拟器件来完成的，因此，模拟功率放大器体积一般较为庞大，复杂程度高，降低了系统的可靠性，模拟器件存在的温漂和零漂也会降低功率放大器的精度，而且控

7、制算法是由模拟器件实现的，如果需要改进算法往往要对硬件电路进行修改，不利于磁悬浮轴承系统的调试，也给功率放大器其他控制策略的试验研究带来了一定的难度。数字功率放大器是通过AD转换将磁悬浮轴承负载线圈的电流信号以及控制器输出到功率放大器的控制信号数字化，功率放大器的CPU对转化后的数字信号进行运算处理，进而产生驱动信号PWM波来驱动磁悬浮轴承的负载线圈，从而产生转子稳定悬浮或高速旋转所需的电流。其优点是系统简单、体积小、可靠性高、可以实现复杂的控制方案[3]，并且可以进行大量额外任务的处理。5国内很多

8、高校对磁悬浮轴承的数字功率放大器做了研究工作，武汉理工大学成功研制了基于TMS320F2407DSP的磁悬浮主轴功率放大器，采用五块DSP作为此数字功率放大器的CPU分别对磁悬浮轴承的五个自由度进行控制[4]，实现了磁悬浮轴承转子的稳定悬浮。西安交通大学研制的基于两块TMS320F240DSP的数字控制系统也已经成功应用于磁悬浮轴承系统[5]，实现了转子的稳定悬浮。1磁悬浮轴承功率放大器的工作原理一般情况下，磁悬浮轴承功率放大器的功率转换电路采用半桥主电路来产生单向电