用于電磁作動(dòng)器的功率放大器設(shè)計(jì)研究

林黃達(dá) 劉德志 余錫文

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033）

1 引言

電磁作動(dòng)器是利用電磁鐵產(chǎn)生可控電磁力抵消振動(dòng)源產(chǎn)生的振動(dòng)力，達(dá)到減振降噪目的的一種裝置。由于電磁作動(dòng)器具有響應(yīng)快、位移及控制力大、無接觸等優(yōu)點(diǎn)，在振動(dòng)主動(dòng)控制中應(yīng)用廣泛[1]。它可與氣囊隔振裝置組成集成的主被動(dòng)混合減振系統(tǒng)，由氣囊隔振裝置降低高頻噪聲，由電磁作動(dòng)器降低低頻噪聲，從而得到良好的隔振效果。

在電磁作動(dòng)器控制系統(tǒng)中，功率放大器的作用是根據(jù)控制器發(fā)出的電流指令信號(hào)，向作動(dòng)器線圈提供相應(yīng)的電流以產(chǎn)生所需要的電磁力，因此要求功率器的輸出電流能夠迅速跟蹤控制器給出的電流指令信號(hào)，并且失真度要小，另外要求在給定的頻率范圍內(nèi)幅值響應(yīng)與頻率響應(yīng)曲線比較平坦。所以功率放大器的設(shè)計(jì)研究十分重要，它直接影響了電磁作動(dòng)器的各項(xiàng)性能指標(biāo)[2]。

本文介紹了功率放大器的基本工作原理，設(shè)計(jì)了一種用于電磁作動(dòng)器的功率放大器，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明其達(dá)到了設(shè)計(jì)所要求的性能指標(biāo)。

2 功率放大器的基本工作原理

2.1 功率放大器主電路結(jié)構(gòu)

電磁作動(dòng)器開關(guān)功放主電路采用圖1所示的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在圖1中，全橋兩側(cè)橋臂分別由開關(guān)管T1、T3串聯(lián)以及T2、T4串聯(lián)構(gòu)成，并在每個(gè)開關(guān)管上分別并聯(lián)一只快速恢復(fù)二極管D1～D4。在兩側(cè)橋臂中間連接電磁作動(dòng)器線圈，線圈可等效為一阻抗性負(fù)載，其等效電阻和電感分別為R和L。采用全橋結(jié)構(gòu)的功放能夠?yàn)殡姶抛鲃?dòng)器線圈提供雙向流動(dòng)的電流，這樣可以滿足電磁作動(dòng)器控制系統(tǒng)對(duì)開關(guān)功放的要求。

圖1 電磁作動(dòng)器開關(guān)功放主電路拓?fù)鋱D

2.2 功率放大器控制策略分析

對(duì)圖1的全橋結(jié)構(gòu)主回路來說，可以采用兩種不同的控制策略，即兩電平控制方式和三電平控制方式。其中三電平控制方式下實(shí)際電流的紋波要小，但電路較復(fù)雜，考慮該類功放開關(guān)頻率通常可達(dá)10 kHz以上，可以滿足實(shí)際使用需求，故本文主要就兩電平控制方式進(jìn)行了分析。

當(dāng)采用兩電平控制方式時(shí)，處于對(duì)角線的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)通斷，而處于同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管則交替通斷，即 T1的開關(guān)控制信號(hào)ug1和T4的開關(guān)控制信號(hào)ug4相同，T2的開關(guān)控制信號(hào)ug2和T3的開關(guān)控制信號(hào)ug3相同，ug1和ug3則為互補(bǔ)信號(hào)。由于功率開關(guān)管關(guān)斷過程中有一段存儲(chǔ)時(shí)間和電流下降時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)開關(guān)管并未完全關(guān)斷。如果在此期間同一橋臂的另一只開關(guān)管已經(jīng)導(dǎo)通，則會(huì)造成橋路一側(cè)橋臂上的上下兩只開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，從而使電源短路。為避免這種情況的發(fā)生，應(yīng)該使同一橋臂的兩只開關(guān)管開通控制信號(hào)存在一定的死區(qū)時(shí)間，保證在對(duì)一個(gè)開關(guān)管完全關(guān)閉后，再對(duì)另一只開關(guān)管發(fā)出開通脈沖[3-5]。

對(duì)兩電平開關(guān)功放而言，由于T1和T4同時(shí)通斷，T2和T3同時(shí)通斷，因此，通過對(duì)開關(guān)管的兩兩通斷控制，作動(dòng)器線圈中的電流iAB存在正向增加，正向減小，負(fù)向增加，負(fù)向減小這四種狀態(tài)，如圖2。此時(shí)作動(dòng)器線圈兩端電壓uAB只存在+U和-U兩種情況（忽略了開關(guān)管和續(xù)流二極管的正向?qū)▔航担磧呻娖剑唧w分析如下：（1）開關(guān)管T1和T4同時(shí)導(dǎo)通，直流母線電源給作動(dòng)器線圈快速充電，此時(shí)電流從A流向B，線圈中的電流快速增加，作動(dòng)器線圈兩端電壓uAB=+U。

圖2 兩電平開關(guān)功放的各開關(guān)狀態(tài)

（2）開關(guān)管T1和T4同時(shí)關(guān)閉，D2和D3同時(shí)導(dǎo)通，作動(dòng)器線圈電感釋放能量，線圈中的電流通過D2、D3和直流側(cè)電源形成放電回路，此時(shí)電流仍從A流向B，但線圈中的電流快速減小，作動(dòng)器線圈兩端電壓uAB=-U。

（3）開關(guān)管T2和T3同時(shí)導(dǎo)通，直流母線電源給作動(dòng)器線圈快速反向充電，此時(shí)電流從B流向A，線圈中的電流快速增加，作動(dòng)器線圈兩端電壓uAB=-U。

（4）開關(guān)管T2和T3同時(shí)關(guān)閉，D1和D4同時(shí)導(dǎo)通，作動(dòng)器線圈電感釋放能量，線圈中的電流通過D1、D4和直流側(cè)電源形成放電回路，此時(shí)電流仍從B流向A，但線圈中的電流快速減小，作動(dòng)器線圈兩端電壓uAB=+U。

圖3 電磁作動(dòng)器PWM功放電路

3 功率放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示，開關(guān)功放電路主要由PWM產(chǎn)生電路、光耦隔離及開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、全橋主電路及電流檢測(cè)電路構(gòu)成。這里，采用UC3637來產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM信號(hào)，且死區(qū)時(shí)間可以調(diào)節(jié)。對(duì)于兩電平開關(guān)功放電路，需要一個(gè)UC3637芯片。全橋主電路及其驅(qū)動(dòng)電路采用集成的IPM模塊PM75RLA060，光耦使用HCPL4504和PC817芯片。由于UC3637自帶有運(yùn)算放大器接口，因此我們可以直接將電流給定信號(hào)和電流反饋信號(hào)接到運(yùn)放引腳上，達(dá)到誤差比較和 PI調(diào)節(jié)的目的，使整個(gè)電路更為簡(jiǎn)單。作動(dòng)器線圈上串聯(lián)有兩個(gè)電流傳感器，一路用于反饋信號(hào)，另一路用于過流保護(hù)，當(dāng)線圈電流大于限定電流時(shí)，UC3637就會(huì)將各路PWM脈沖封鎖。

4 功率放大器性能指標(biāo)測(cè)試分析

在功率放大器帶有4 mH的電抗器負(fù)載，直流側(cè)電壓選用120 V，并由信號(hào)發(fā)生器提供指令電流時(shí)，同時(shí)測(cè)量指令電流波形和實(shí)際負(fù)載電流波形，以對(duì)功率放大器的性能指標(biāo)進(jìn)行分析。

指令電流幅值約為2 A，頻率為10 Hz時(shí)的負(fù)載電流仿真與實(shí)驗(yàn)波形（以負(fù)載電流基波為基值）如圖4所示。

指令電流幅值約為20 A，頻率為100 Hz時(shí)的負(fù)載電流仿真與實(shí)驗(yàn)波形（以負(fù)載電流基波為基值）如圖5所示。

圖4 指令電流2 A、10 Hz的負(fù)載電流波形

4.1 幅值衰減

以6 A為電流幅值步長(zhǎng)，以10 Hz為電流頻率步長(zhǎng)，測(cè)量不同指令電流幅值和頻率下的各路負(fù)載電流，其隨頻率的變化曲線如圖6所示。

可以看出，在100 Hz以內(nèi)，電流的基波幅值衰減小于0.35 dB。

4.2 相位滯后

以6 A為電流幅值步長(zhǎng)，以10 Hz為電流頻率步長(zhǎng)，測(cè)量不同指令電流幅值和頻率下的各路負(fù)載電流基波與指令電流基波的相位差，其隨頻率的變化曲線如圖7所示。

可以看出，各路負(fù)載電流基波滯后輸入指令電流基波的相位差最大不超過1.2°。

4.3 波形失真度

以6 A為電流幅值步長(zhǎng)，以10 Hz為電流頻率步長(zhǎng)，且只考慮10 kHz以內(nèi)的諧波分量時(shí)計(jì)算不同指令電流幅值和頻率下的各路負(fù)載電流的波形失真度，其隨頻率的變化曲線如圖8所示。

圖5 指令電流20 A、100 Hz的負(fù)載電流波形

圖6 幅值衰減曲線

可以看出，波形失真度與頻率的變化關(guān)系不大，而與電流基波幅值有關(guān)，電流基波幅值越小，波形失真度越大。當(dāng)只考慮10 kHz以內(nèi)的諧波分量時(shí)，各路負(fù)載電流的波形失真度最大不超過1.7%。

圖7 相位滯后曲線

圖8 波形失真度曲線

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，電流基波滯后輸入指令電流基波相位差主要與頻率有關(guān)，頻率越大，滯后相位差越大；波形失真度與頻率的變化關(guān)系不大，而與電流的基波幅值有關(guān)，電流基波幅值越小，波形失真度越大。

5 結(jié)束語

根據(jù)電磁作動(dòng)器系統(tǒng)對(duì)功率放大器的性能要求，本文設(shè)計(jì)了用于電磁放大器的H橋兩電平開關(guān)型功率放大器，該功放的實(shí)驗(yàn)計(jì)算性能結(jié)果基本一致，各項(xiàng)性能指標(biāo)要求均能滿足系統(tǒng)使用要求，可以較好地為該類功放的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

[1] 趙利頗,潘存治,馬強(qiáng). 基于電磁作動(dòng)器的主動(dòng)隔振系統(tǒng)研究[J]. 石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2006(2):51－53.

[2] S.Carabelli, F. Maddaleno and M. Muzzarelli.High-efficiency Linear Power Amplifier for Active Magnetic Bearings[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2000 (1)：17-24.

[3] 祝長(zhǎng)生，蔡曉峰，蔡曉清. 主動(dòng)磁軸承開關(guān)功率放大器的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程，2004（11）：29－33.

[4] 王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)[M](第四版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5] D.Grahame Holmes，Thomas A.Lipo. 電力電子變換器PWM技術(shù)原理與實(shí)踐[M]. 北京：人民郵電出版社，2010.