CN104935279A - 一种三电平开关功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平开关功率放大器，其控制调节电路包括上桥开关管驱动信号产生电路和下桥开关管驱动信号产生电路，轴承线圈的电流反馈信号一方面与给定信号经PI调节电路得到误差信号，再进入PWM调节器形成上桥开关管的驱动信号；一方面与经过放大调理电路后的给定信号经PI调节电路得到误差信号，再进入PWM调节器形成下桥开关管的驱动信号，然后将驱动信号经脉冲调制电路和驱动隔离电路直接控制功率开关桥式电路中功率管的开通与关断，从而达到控制电磁轴承线圈电流的目的。

Description

一种三电平开关功率放大器

技术领域

本发明属于开关功率放大器领域，具体涉及一种三电平开关功率放大器。

背景技术

传统的机械式推力轴承具有摩擦、磨损及由此产生的温升等缺陷，影响旋转机械的速度和精度。而磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中，然后将转子以旋转电机驱动，使其绕特定轴线旋转，转子与定子之间无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑、高精度的一种新型、高性能轴承。

在五自由度磁悬浮轴承控制系统中，功率放大器是磁悬浮轴承控制系统中非常重要的一部分。电磁轴承系统在早期多采用线性功率放大器，由于线性功放的效率较低、体积相对较大、功率适应范围小等不足，现在电磁轴承系统中几乎都采用效率高、动态特性好的开关功率放大器。较早的磁悬浮轴承开关功放大都采用电流两电平调制技术，存在电流纹波大、动态特性受限等缺点，而三电平调制技术能有效地降低电流纹波，减小电磁噪声，同时减小了线圈的铜损耗，此外还有利于提高开关功放的电流响应速度和控制力响应速度，进而提高系统的整体性能。

中国专利授权号为ZL100461627C的专利文件公开了一种三电平开关功率放大器控制方法，包括信号混合处理电路、脉宽调制电路、保护和光耦隔离驱动电路，以及将来自控制器的信号进行处理得到相应的电压信号驱动桥式电路，从而控制负载的电流大小。该放大器的信号混合处理电路是将功率开关桥式电路的电磁线圈中反馈回来的感性负载的电流信号和静态电流调节的电压定好及PID控制器的信号相加处理，输出信号通过脉宽条值电路和光耦隔离驱动电路后直接驱动功率开关管。该控制方式是采用一个反相器对PID信号进行反向来分别实现上、下开关管的控制，本发明提供了一种与上述方式完全不同控制方式的三电平开关功率放大器。

发明内容

本发明的目的是提供一种三电平开关功率放大器，能够提高开关功放的电流响应速度和控制力响应速度。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种三电平开关功率放大器，包括具有上桥开关管和下桥开关管的功率开关桥式电路以及连接于两开关管之间的电磁轴承线圈Lm，所述上、下桥开关管的驱动信号由开关管控制电路产生，该开关管控制电路包括脉宽调制电路、隔离驱动电路和控制调节电路，所述控制调节电路的输出信号通过脉宽调制电路、隔离驱动电路后驱动功率开关桥式电路的对应功率开关管，所述控制调节电路用于将给定信号和功率开关桥式电路的电磁线圈电流反馈信号进行处理，该控制调节电路包括上桥开关管驱动信号产生电路和下桥开关管驱动信号产生电路，上、下桥开关管驱动信号产生电路均包括顺次连接的用于将电流反馈信号和给定信号进行处理的PI调节电路和PWM控制器，且下桥开关管驱动信号产生电路还包括用于将给定信号进行放大处理的放大调理电路，该放大调理电路连接于对应PI调节电路的给定信号输入端。

所述控制调节电路还包括用于对电流反馈信号进行放大、滤波及调理的信号调理电路。

所述放大调理电路包括运放U5A，U5A的反相输入端用于通过并联的电阻R41和电阻R42与给定信号连接，U5A的输出端通过电阻R43与其反相输入端连接。

所述PI调节电路包括一个运放，运放的同相输入端用于连接给定信号，其反相输入端用于与电流反馈信号连接。

所述PWM调节器采用占空比0％～100％可调的芯片。

所述脉冲调制电路采用与门芯片CD4081BM。

本发明三电平开关功率放大器的控制调节电路包括上桥开关管驱动信号产生电路和下桥开关管驱动信号产生电路，轴承线圈的电流反馈信号一方面与给定信号经PI调节电路得到误差信号，再进入PWM调节器形成上桥开关管的驱动信号；一方面与经过放大调理电路后的给定信号经PI调节电路得到误差信号，再进入PWM调节器形成下桥开关管的驱动信号，然后将驱动信号经脉冲调制电路和驱动隔离电路直接控制功率开关桥式电路中功率管的开通与关断，从而达到控制电磁轴承线圈电流的目的。

附图说明

图1为本发明三电平开关功率放大器的原理结构示意图；

图2为控制调节电路中上桥开关管驱动信号产生的电路原理图；

图3控制调节电路中下桥开关管驱动信号产生的电路原理图；

图4为本发明的PWM控制器的电路原理图；

图5为本发明的脉冲调制电路的电路原理图；

图6为全桥电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

如图1所示为本发明三电平开关功率放大器实施例的原理图，由图可知，该放大器包括功率开关桥式电路以及连接于两开关管之间的电磁轴承线圈Lm，本实施例的功率开关桥式电路为半桥主回路，包括上桥开关管Q1和下桥开关管Q2，Q1和Q2为MOSFET或者IGBT，D1和D2为功率二极管，电解电容E1和无感电容C1为支撑母线电压和吸收功率管的尖峰的作用，Rm为电磁轴线线圈的电阻，电流互感器串联在回路中用于采样电感电流，其电流反馈信号为ILF。该三电平功率放大器的控制方法包括如下步骤：

(1)充电时，上桥开关管在对应驱动信号的控制下进行占空比变化的开通与关断，下桥开关管Q2保持开通状态，当Q1、Q2均开通时，Q1、电流互感器、Rm、Lm和Q2构成充电回路，当Q1关断、Q2开通时，D2、电流互感器、Rm、Lm和Q2构成续流回路；

(2)放电时，下桥开关管Q2在对应驱动信号的控制下开通与关断，上桥开关管Q1保持关断状态，当Q2开通时，D2、电流互感器、Rm、Lm和Q2构成续流回路，当Q2关断时，Lm处于放电状态，构成由D2、电流互感器、Rm、Lm和D1组成的放电回路。

本实施例功率开关桥式电路中上、下开关管驱动信号由开关管控制电路产生，该开关管控制电路包括脉宽调制电路、隔离驱动电路和控制调节电路，控制调节电路的输出信号通过脉宽调制电路、隔离驱动电路后驱动功率开关桥式电路的对应功率开关管，控制调节电路用于将给定信号和功率开关桥式电路的电磁线圈电流反馈信号进行处理，该控制调节电路包括上桥开关管驱动信号产生电路和下桥开关管驱动信号产生电路，上、下桥开关管驱动信号产生电路均包括顺次连接的用于将电流反馈信号和给定信号进行处理的PI调节电路和PWM控制器，且下桥开关管驱动信号产生电路还包括用于将给定信号进行放大处理的放大调理电路，该放大调理电路连接于对应PI调节电路的给定信号输入端。

本实施例的功率开关桥式电路为半桥主回路，包括上桥开关管Q1和下桥开关管Q2，Q1和Q2为MOSFET或者IGBT，D1和D2为功率二极管，电解电容E1和无感电容C1为支撑母线电压和吸收功率管的尖峰的作用，Rm为电磁轴线线圈的电阻，Lm为电磁轴承线圈的电感，电流互感器串联在回路中用于采样电感电流，其电流反馈信号为ILF。

Q1的G极通过电阻R11与驱动信号DRV1_G连接，R11两端并联有电阻R10和二极管D11的串联支路，Q1的S极与驱动信号DRV1_E连接，且G极与S极之间连接有电阻R12；Q2的G极通过电阻R21与驱动信号DRV2_G连接，R21两端并联有电阻R20和二极管D5的串联支路，Q2的S极与驱动信号DRV2_E连接，且G极与S极之间连接有电阻R22。

该控制调节电路还包括用于对电流反馈信号进行放大、滤波及调理的信号调理电路。

控制调节电路中上桥开关管的驱动信号G1的产生如图2所示，电流反馈信号ILF经过放大、滤波及调理后得到信号IFA。IFA经电阻R32接到U4A精密运放OPA2277U的反相输入端，给定信号IG调理后的信号IGA经电阻R33和电容C32接到U4A精密运放的同相输入端，给定与反馈经PI调节电路得到误差信号EO1，PI参数由电容C33和电阻R34、电容C34决定，同时受前馈电容C32的影响。

EO1进入PWM调节器的误差信号输入端，其PWM调节器采用的芯片占空比可以0％～100％可调，本发明实例采用UC3843，通过误差信号调节UC3843的输出方波的占空比。

控制调节电路中下桥开关管的驱动信号G2的产生如图3所示，给定信号IG调理后得到信号IGB，经电阻R41、电阻R42、电阻R43和运放U5A构成的放大调理电路实现给定信号IGB的特定倍率的放大抬升，本实施例优选1.01倍的放大，U5A的反相输入端用于通过电阻R41和电阻R42构成的并联电路与IGB连接，其同相输入端通过电阻R44接地，U5A的输出端通过电阻R43与其反相输入端连接；输出信号经滤波电阻R45和滤波电容C41滤波后，再经运放U5B通过电阻R51和电容C51接到PI调节电路U6A精密运放OPA2277U的同相输入端，调理后的反馈信号IFB经电阻R52接到U6A精密运放的反相输入端，给定信号与反馈信号经PI调节电路得到误差信号EO2，PI参数由电容C52和电阻R53、电容C53决定，同时受前馈电容C51的影响。

如图4所示，从PI调节电路输出的信号EOX(其中的X为1或者2，即EO1和EO2)进入PWM调节器UC3843BN误差信号输入引脚第1脚，其工作频率由第4脚的外接电阻RT和电容CT确定，其第3脚为电流分压后的信号，用于误差信号与其比较产生占空比变化，其第6脚为驱动方波的输出引脚。PWM调节器采用的芯片占空比可以0％～100％可调，通过误差信号调节UC3843BN的输出方波的占空比。

如图5所示，该脉冲调制电路采用与门芯片CD4081BM，驱动信号GX(X为1或者2)进入与门U2XA的输入引脚1脚和2脚，同时1脚和2脚短接，与门的输出3脚接与门U2XB的输入脚5脚，故障信号电平OFF接U2XB的输入脚6脚，其U2XB与门的输出脚4脚为DRVX信号，上面所述的X为1或者2。

驱动信号G1、G2经脉冲调制电路和隔离驱动电路得到DRV1_G、DRV1_E和DRV2_G、DRV2_E，分别来直接驱动半桥主回路中功率开关管Q1和Q2的开通与关断，从而达到控制电磁轴承线圈电流的目的。

本发明三电平开关功率放大器控制方法的工作原理和过程如下：由于给定信号IGB有1/100的抬升，当充电时，功率开关管Q1在PWM控制器UC3843的控制下进行占空比变化的开通与关断；此时控制功率开关管Q2在PWM控制器UC3843BN的控制下保持开通状态，因此实现了Q1、电流互感器、Rm、Lm和Q2的充电状态或者D2、电流互感器、Rm、Lm和Q2的续流状态；当放电时，功率开关管Q2在PWM控制器UC3843BN的控制下进行占空比变化的开通与关断，信号IGA为给定信号与IG幅值相同，则功率开关管Q1始终处于关断状态，因此实现了D2、电流互感器、Rm、Lm和Q2的续流状态或者D2、电流互感器、Rm、Lm和D1的放电状态。

本实施例的功率开关桥式电路为半桥式主电路，当然也可以采用全桥式电路，如图6所示，包括Q1～Q4四个功率管，其中，Q1、Q3为上桥功率管，Q2、Q4为下桥功率管，其控制原理与全桥电路相同。

以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三电平开关功率放大器，包括具有上桥开关管和下桥开关管的功率开关桥式电路以及连接于两开关管之间的电磁轴承线圈Lm，其特征在于，所述上、下桥开关管的驱动信号由开关管控制电路产生，该开关管控制电路包括脉宽调制电路、隔离驱动电路和控制调节电路，所述控制调节电路的输出信号通过脉宽调制电路、隔离驱动电路后驱动功率开关桥式电路的对应功率开关管，所述控制调节电路用于将给定信号和功率开关桥式电路的电磁线圈电流反馈信号进行处理，该控制调节电路包括上桥开关管驱动信号产生电路和下桥开关管驱动信号产生电路，上、下桥开关管驱动信号产生电路均包括顺次连接的用于将电流反馈信号和给定信号进行处理的PI调节电路和PWM控制器，且下桥开关管驱动信号产生电路还包括用于将给定信号进行放大处理的放大调理电路，该放大调理电路连接于对应PI调节电路的给定信号输入端。

2.根据权利要求1所述的三电平开关功率放大器，其特征在于：所述控制调节电路还包括用于对电流反馈信号进行放大、滤波及调理的信号调理电路。

3.根据权利要求1或2所述的三电平开关功率放大器，其特征在于：所述放大调理电路包括运放U5A，U5A的反相输入端用于通过并联的电阻R41和电阻R42与给定信号连接，U5A的输出端通过电阻R43与其反相输入端连接。

4.根据权利要求3所述的三电平开关功率放大器，其特征在于：所述PI调节电路包括一个运放，运放的同相输入端用于连接给定信号，其反相输入端用于与电流反馈信号连接。

5.根据权利要求1所述的三电平开关功率放大器，其特征在于：所述PWM调节器采用占空比0％～100％可调的芯片。

6.根据权利要求1所述的三电平开关功率放大器，其特征在于：所述脉冲调制电路采用与门芯片CD4081BM。