基于三电平pwm开关功率放大器磁悬浮推力轴承控制系统研究

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1、基于三电平PWM开关功率放大器磁悬浮推力轴承控制系统研究杨均悦，张文跃，葛研军（大连交通大学机械工程学院,116028）摘要：针对磁悬浮推力轴承控制系统的特点和要求，设计出三电平PWM开关功率放大器，并对其输入输出，输入信号跟踪等特性进行分析，并对磁悬浮推力轴承转子运动控制系统进行仿真。结果表明：采用三电平PWM开关功率放大器可以有效降低电流纹波，缩短电流响应时间，并显著提高转子控制系统的精度。关键词：磁悬浮推力轴承；三电平PWM开关功率放大器；转子运动控制系统ReachonMagneticThrustBearingControlSystem

2、BasedonThree-levelPWMSwitchingPowerAmplifierYanJunruiZhangWenyueGeYanjun（InstituteofMechanicalEngineering,DalianJiaotongUniversity,Dalian,116028）Abstract:accordingtothefeaturesofrequirementsofmagneticthrustbearing，three-levelPWMswitchingpoweramplifierisdesigned,andthecharac

3、teristicofinputandoutput,signaltracingareanalyzed,andasimulationofmagneticthrustbearingrotorcontrolsystembasedthree-levelPWMswitchingpoweramplifieriscarriedout.theresultsshowthatthatthree-levelPWMswitchingpoweramplifiercanreducethecurrentrippleeffectivelyandimprovethecurren

4、tresponsespeed,precisionofcontrolsystemissignificantlyimproved.Keyword:magneticthrustbearing；three-levelPWMswitchingpoweramplifier；rotorcontrolsystem70绪论磁悬浮轴承是高性能轴承的发展方向之一。与传统的机械轴承相比，由于磁悬浮轴承有如下诸多优点：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，因而日益受到工业领域的广泛关注，是目前机械、电气控制领域的前沿课题[1-

5、3]。根据磁悬浮轴承对主轴系统控制方向的不同，可将其分为径向磁悬浮轴承和磁悬浮推力轴承[4]。磁悬浮推力轴承（简称磁推力轴承）是利用电磁铁产生的可控电磁力对转子轴向位移进行控制，以实现转子的轴向定位。其系统包括：转子、电磁铁、功率放大器、位移传感器及数字控制器等[5]。其工作原理如图1所示：图1磁悬浮推力轴承工作原理Fig.1Workprincipleforamagneticthrustbearing磁悬浮推力轴承控制系统一般采用数字控制器，图2为基于数字信号处理器TMS320LF2407A的磁悬浮推力轴承数字控制系统的硬件结构，主要包括DS

6、P、位移传感器、D/A转换电路、功率放大器等[6-7]。7图2磁悬浮推力轴承硬件系统Fig.2HardwaresystemforaMagneticthrustbearing功率放大器是磁磁悬浮推力轴承控制系统的重要组成部分，它将控制信号放大或转换成有足够能量的功率信号以驱动电磁铁执行器，其性能优劣将对控制系统产生重要影响。模拟功率放大器有参数调整不便，难以实现优化控制，并容易受到外界干扰等缺点；而数字功率放大器，具有硬件集成度高，控制性能好，抗干扰能力强，响应速度快等优点[2]。而一般的两电平PWM开关功率放大器，其输出的电流波纹大小受电源电

7、压影响较大。为了提高电流的响应速度，需要提高电源电压，但同时也增加了电流纹波，这将影响转子的稳定运行。三电平PWM开关功率放大器在原有两电平PWM开关功率放大器的基础上增加一个逻辑电路，改进了PWM波形的输出，使得线圈中的电流增加一个续流状态，进而较两电平PWM开关功放能减小开关管的管耗，减小纹波，更能满足系统的要求。为此，本文重点讨论并设计出三电平PWM开关功率放大器，并以此为基础进行了转子位移控制的PID控制的仿真，验证该功率放大器合理性。1三电平开关功率放大器设计1.1三电平开关功率放大器所谓三电平PWM开关功放是指在电磁线圈中，电流由

8、充电向放电转换或由放电向充电转换过程中引入续流状态时，开关功率放大器的端电压由原来的两个状态，即-Ud,，Ud，增加了一个零状态，变为-Ud,，0，Ud[8，9]。