磁懸浮軸承功率放大器的發展現狀與展望

張廣明，陳 淳，梅 磊，季文娟

(南京工業大學，江蘇南京 211816)

0 引 言

磁懸浮軸承技術利用磁力實現轉子無機械接觸懸浮，具有高承載轉速、低摩擦損耗、無需潤滑、壽命長等優點，因此在航空航天、真空超凈和機械加工等領域中得到了廣泛應用。磁懸浮軸承系統通常由磁軸承本體、位移傳感器、控制器和功率放大器等幾部分組成［1，2］。

磁懸浮軸承系統中功率放大器的作用是根據控制器的輸出信號在控制繞組中產生相應的電流，從而產生一定的懸浮力，使得轉子穩定懸浮在平衡位置。其性能直接影響系統的控制性能，因此如何提高功率放大器的性能、降低功耗、提高效率已成為磁懸浮軸承技術中的研究重點和難點。

1 功率放大器的性能參數

1.1 磁懸浮軸承功放的效率

磁懸浮軸承系統中，功放的負載是感性負載。效率計算公式如下:

式中:η為功放效率;U為功放電源電壓;I為磁懸浮軸承線圈中的電流;Pt為功放損耗。早期使用的線性功放效率在5% ～30%之間，目前普遍使用的開關功放效率則可達60%～90%。

1.2 磁懸浮軸承功放的輸出電流紋波

磁懸浮軸承功放的輸出電流紋波是評價功率放大器性能的另一個重要參數。電磁力是電流的函數，輸出電流的波形直接影響轉子的控制性能。一方面，較大的輸出電流紋波會導致轉子產生振動;另一方面，電流紋波會帶來噪聲以及額外的鐵耗和銅耗等不良影響，造成定子和轉子溫度升高，繼而影響磁懸浮軸承的性能。

文獻［3］給出了兩電平、三電平PWM開關功放的電流紋波近似計算式:

比較兩電平和三電平電流紋波近似計算公式可知，在開關頻率L和輸出平均電流值相同的情況下，采用三電平PWM技術可以大大降低輸出電流紋波。

1.3 電流響應速度和控制力響應速度［4］

磁懸浮軸承功放的負載是電磁鐵線圈，是一個大電感和小電阻的感性負載，用電流響應速度來評價其性能。忽略其他環節壓降，則電磁鐵中電流的最大變化率:

可以看出，電流響應速度的大小取決于功放電源電壓Ud和線圈電感L。

由于線圈中的電流發生變化，電磁鐵對轉子的吸力隨之變化，因此控制力響應速度也是磁懸浮軸承的一個重要性能指標。定義控制力響應速度:

可以看出，通過增大電流I和功放電源電壓Ud、減小間隙δ可以提高電磁力的響應速度。

2 磁懸浮軸承功率放大器的分類

按器件和工作原理不同，功率放大器可分為線性功率放大器和開關功率放大器。20世紀60年代末到80年代末主要采用線性功放，之后隨著電力電子技術和磁懸浮軸承技術的發展，在第二屆國際磁懸浮軸承會議上F.J.Keith等人首次提出了開關功放［5］。

按功放受控變量的不同可分為:電壓控制型(輸入是電壓信號，輸出也是電壓信號)和電流控制型(輸入是電壓信號，輸出是電流信號)。電壓控制型和電流控制型功放的模型結構框圖如圖1所示。

圖1 功放模型結構框圖

與電壓控制型功放相比，電流控制型功放的模型相對簡單一些。由于采用了電流反饋，可直接輸出電流信號到電磁鐵線圈，在線性范圍內，由電磁鐵電感帶來的電流滯后影響降到最小，可以忽略。因此對于中小功率的磁懸浮軸承系統，普遍采用的還是電流控制型功放。

2.1 線性功率放大器

早期的磁懸浮軸承系統大多采用線性功放。現在一般系統功率小于0.5 kW且要求靈敏性較高、結構簡單的場合，選用線性功率放大器，其原理如圖3所示。線性功放具有輸出紋波小、瞬態響應快、穩定性好及電流噪聲小等優點。缺點是效率太低，功耗大，因此高電壓下給系統散熱帶來很大壓力［6］。

線性功放一般分為集電極輸出型和發射極輸出型。一般集電極輸出型功放由于其時間常數小、響應速度快而在磁懸浮軸承中應用較多。

如圖2所示，給定信號和反饋信號做比較后，經控制器調節作為功放的控制信號，控制功放電源電壓和功率管發射極之間的電勢之差，從而控制磁軸承線圈中電流的大小。根據式(1)可得線性功放的效率近似:

圖2 發射極輸出型線性功放原理圖

可見通過減小功放電源電壓Ud，可提高功放的效率。但根據文獻［4］可知，減小功放電源電壓將導致磁軸承電流響應速度和控制力的響應速度降低，使得磁軸承系統動態性不好。

2.2 開關功率放大器

當系統功率大于0.5 kW時，一般采用開關功率放大器。開關功放與線性功放最大的區別在于:線性功放的輸出電壓(或者電流)是連續型的，因此有的文獻中也稱線性功放為連續型功放;而開關功放的輸出電壓(或者電流)是被限制在兩個或多個電壓值之間。

開關功放的優點是效率高、功耗低以及動態特性好。但是開關功放的高頻開關信號會給系統帶來電磁干擾(包括輻射噪聲和傳導噪聲)，此外，開關功放的輸出電流常含有較大的紋波，會對磁軸承的懸浮性能產生一定的影響。為了減少電流失真，采用多種拓撲結構和控制策略成了目前磁懸浮軸承開關功放的研究熱點之一［7］。

2.2.1 換能電路

開關功放中換能電路的拓撲結構主要有單臂式、半橋式和全橋式［8］以及它們的改進形式，如圖3所示。

圖3 換能電路的拓撲結構

這三種拓撲結構各有特點，適用于不同的場合。對于單臂式電路，功率管的數量比全橋或半橋電路減少一半，但是功率管散熱設計要求較高;半橋電路不僅可以工作在兩電平狀態，也可以工作在三電平狀態。但無論單臂式還是半橋式，只能輸出單極性電流。而全橋式電路的輸出電流是雙極性的，從而驅動功率管器件數量減小，功率管散熱也大大降低，這是全橋電路特有的優點。

2.2.2 開關功放的控制策略

具體實現磁懸浮軸承開關功放的控制方法有很多，按其輸出電壓的狀態則可分為:電流兩態調制和電流三態調制。

傳統磁懸浮軸承開關功放所用的控制方式，如脈寬調制(PWM)、滯環比較(Hysteresis)、采樣－保持(Sample－Hold)及最小脈寬調制(MPW)均屬于兩態調制。所謂兩態(兩電平)調制，即線圈內的電流只存在能量吸收狀態和能量回饋狀態。線圈內的電流隨之快速增加和減小，從而不斷逼近給定電流。兩態調制技術輸出電流紋波比較大，且隨著電源電壓的增加而增大，不利于功放動態性能的提高。

自從1994年Zhangjing提出三態(三電平)磁懸浮軸承開關功放理論，出現了多種三態開關型功率放大器［9，10］，如三態 PWM 功率放大器［11］、三態采樣－保持功率放大器、三態滯環比較功率放大器等。所謂三態調制(三電平)調制，即線圈內的電流存在能量吸收、自然續流和能量回饋三種狀態。三態調制技術的提出不但很好地解決了兩態調制技術中難以同時實現低電流紋波和良好動態特性的問題，而且基于三態調制技術的開關功放還具有開關損耗小、動態特性好等優點。

北京航空航天大學的田希暉博士等人提出了基于空間矢量PWM［12］(SVPWM)的三態開關功放，仿真和實驗結果均表明該功放可同時驅動兩個自由度的線圈，且具有輸出電流紋波、可靠性好等優點［13］。南京航空航天大學的臧曉敏提出了一種改進的基于采樣－保持策略的電流三態調制開關功放，它既保留了采樣－保持策略開關功放控制簡單、動態響應快等優點，同時又降低了電流紋波和損耗，提高了功放的效率［14］。

2.3 其他功率放大器

2.3.1 混合型功放

磁懸浮軸承功放的負載是一個大電感小電阻的感性負載。穩態時，由于負載的等效電阻很小，從降低功耗的角度考慮，線圈兩端電壓不需要太高。動態時，要在線圈中獲得足夠大的電流變化率，因而需要較高的電源電壓。因此，減小電源電壓、降低功耗、提高電源電壓提高動態響應是矛盾的。為了解決兩者之間的矛盾，可以通過線性功放和開關功放的組合來解決該問題，即混合型功率放大器［15］。

如圖4所示，穩態時，由線性功放對磁懸浮軸承線圈供電，此時電流紋波小，損耗低;動態時，由 UH對磁懸浮軸承線圈進行供電，產生足夠大的電流變化率，動態特性好;給定電流與反饋電流相比較后，經邏輯控制器輸出信號來分配開關 S1、S2、S3。

但其復雜的控制電路會給系統帶來可靠性不高的影響，因此在目前磁懸浮軸承功放的研究中并沒有廣泛應用。

圖4 混合型功率放大器

2.3.2 集成化功放

用分立元器件制作的開關功率放大器體積一般較大，國外已經利用脈寬調制技術制造出了集成的開關功放。比如美國的德州儀器推出的PWM型音頻功放用的集成功放，效率可以達到97%;美國A-pex公司推出的大功率脈寬調制型功放SA60，具有體積小、效率高、可靠性高等優點，集成化功放的研究非常有利于磁懸浮軸承功放向小型化發展［16］。

2.3.3 G 類功放

G類功放的原理圖如圖5所示。G類功放的特點是由兩個不同大小的電源對其供電。當控制器的輸入信號較小時，磁懸浮軸承線圈受場效應管T2控制，由低電壓電源對負載進行控制，可獲得較高的效率;當控制器的輸入信號較大時，磁懸浮軸承線圈受T1控制，由高電壓電源對負載進行控制，可獲得較好的動態特性。

文獻［17］提出了一種應用于磁懸浮軸承的改進型G類功率放大器。這種新型的G類功放包含三個功率晶體管，其中兩個晶體管由不同的電源供電，另外一個晶體管接地，有效地降低了功耗。

圖5 G類功率放大器

3 結 語

磁懸浮軸承的應用前景非常廣泛，研制出低成本、高性能的功率放大器對磁懸浮軸承的推廣有著深遠的意義。本文對磁懸浮軸承功放的性能參數和分類進行了研究，然后比較了每一類功率放大器的優缺點，并分析了開關功放的拓撲結構、控制策略以及研究現狀。從近年發表的論文和技術特征來看，采用三態調制技術的磁懸浮軸承開關功放憑借電流紋波小、開關損耗低、動態特性好等優點，得到了磁懸浮軸承功放研究者的青睞。隨著電力電子技術和制造工藝的發展，磁懸浮軸承系統向小型化方面發展，集成化的開關功放更加成為今后磁懸浮軸承功率放大器的研究熱點之一。

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