高壓大電流磁軸承功率放大器的系統研究與應用

摘" 要： 針對三相三線制交流電網輸入、高壓大電流隔離輸出、交流掉電不間斷供電10 min，以及較大頻率響應范圍、穩態特性和動態特性良好的要求，提出一種N+1冗余不間斷的穩壓電源和三態PWM調制的功率放大器。闡述了磁懸浮軸承控制系統的工作原理，設計并制造了600 V/60 A的高壓大電流功率放大器系統。實驗結果表明，穩壓電源能夠實現10 min左右的不間斷供電且變換器具有冗余功能，磁軸承功率放大器具有較小的輸出電流紋波，同時具有較好的跟隨特性、穩態特性、動態特性和較大頻率響應范圍。樣機實驗結果表明，所設計系統能夠滿足要求，對磁懸浮軸承控制系統的商業化生產制造具有一定的指導意義。

關鍵詞： 高壓大電流； 磁軸承功率放大器； 三態PWM調制； 穩壓電源； DC/DC變換器； 頻率響應

中圖分類號： TN722.7+5?34" " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）10?0134?05

Research and application of AMB power amplifier system for

high?voltage and large?current

Abstract： In allusion to the requirements of three?phase three wire AC power grid input， high?voltage and high?current isolation output， uninterrupted power supply for 10 min after AC power failure， as well as a large frequency response range， and good steady?state and dynamic characteristics， a N+1 redundant uninterrupted voltage regulator and a power amplifier with three state PWM modulation are proposed. The working principle of the magnetic levitation bearing control system is explained， and a high?voltage high current power amplifier system of 600 V/60 A was designed and manufactured. The experimental results show that the stabilized power supply can achieve uninterrupted power supply for about 10 min， and the converter has redundant function. The magnetic bearing power amplifier has small output current ripple， as well as good following characteristics， steady-state characteristics， dynamic characteristics， and a large frequency response range. The experimental results of the prototype show that the designed system can meet the requirements and has a certain guiding significance for the commercial production and manufacturing of magnetic levitation bearing control systems.

Keywords： high voltage and high current; magnetic bearing power amplifier; three state PWM modulation; stable voltage power supply; DC/DC converter; frequency response

0" 引" 言

磁懸浮運動通過控制線圈陣列電流，讓轉子懸浮于定子陣列上運動。由于懸浮方式無接觸、無摩擦、無磨損、無需機械導軌，可極大簡化運動結構與大幅減輕運動質量，由此實現高速、高加速度與精密運動，以及可有效地延長設備的使用壽命[1?2]，因而在當今的許多行業中都有廣泛的應用[3?5]。

磁懸浮軸承控制系統由傳感器、控制器、功率放大器、轉子、定子（電感線圈）[4]和穩壓電源等組成。其中，功率放大器是系統的執行機構，能把控制信號放大為直接驅動定子的電流，其性能不僅決定磁懸浮能否實現穩定懸浮[6?7]，也影響系統的承載能力和動態性能。穩壓電源為系統提供電能，同時保證轉子的懸浮功率的供應。

針對三相三線制交流電網輸入、高壓大電流隔離輸出、交流掉電不間斷供電10 min、較大頻率響應范圍、穩態性能和動態性能良好的要求，提出了N+1冗余不間斷的穩壓電源和三態PWM調制的功率放大器，設計了600 V/60 A輸出的五自由度獨立控制的高壓大電流功率放大器系統，并通過實驗驗證來滿足系統要求。實驗結果表明，穩壓電源能夠實現10 min左右的不間斷供電且變換器具有冗余功能，磁軸承功率放大器具有較小的輸出電流紋波，同時具有較好的跟隨特性、穩態特性、動態特性和較大頻率響應范圍。

樣機實驗結果表明，所設計系統能夠滿足要求，對磁懸浮軸承控制系統的商業化生產制造具有一定的指導意義。

1" 系統研究與設計

本研究將五自由度分別看成10個獨立的單負載線圈（電感）控制系統，圖1所示為磁懸浮軸承控制系統的工作原理示意圖[2]，具體如下：當被懸浮體偏離平衡位置時，傳感器檢測[8]到偏離位移信號，然后將其轉換為電壓信號進入控制器中，接著通過特定的控制算法給出相應的輸入參考值控制信號，再通過功率放大器轉化為負載線圈中的控制電流，使轉子回到設定的平衡位置。

1.1" 穩壓電源

1.1.1" 系統組成及工作原理

本系統中的穩壓電源采用N+1冗余不間斷技術，其由AC/DC變換器[9?10]、電池管理單元、DC/DC變換器和輔助電源等組成。

圖2所示為穩壓電源的工作原理示意圖，其工作原理如下。

1） 當交流電網正常時，交流電通過AC/DC變換器和DC/DC變換器給功率放大器的輸入提供與電網隔離且穩定的直流電源，并且母線電壓通過輔電給系統中的其他部分進行供電。同時電池管理單元中的充電機給蓄電池進行充電，蓄電池的端電壓低于母線電壓，與蓄電池串聯的二極管不導通。

2） 當交流電網掉電時，蓄電池通過二極管提供母線電壓，然后通過DC/DC變換器給功率放大器的輸入提供與電網隔離且穩定的直流電源，并且母線電壓通過輔電給系統中的其他部分進行供電。此時，電池管理單元的充電機保護不對蓄電池進行充電。

1.1.2" DC/DC變換器的設計

根據單負載線圈滿負荷600 V/60 A工作時的有功功率為900 W，可以得到DC/DC變換器的輸出有功功率大約為9 kW，采用3 kW的DC/DC變換器4臺并機，其設計的原理示意圖如圖3所示。

DC/DC變換器的輸入為蓄電池組電壓或者AC/DC變換器的輸出電壓，輸出為穩定的600 V直流電壓且與輸入高頻隔離，同時作為磁軸承功率放大器的供電輸入。

1.1.3" 蓄電池的選擇

選取12 V蓄電池，由6只2 V電池單體組成，由于是短時（10 min）大電流放電，電池充放電電壓范圍按10.02～14.1 V（對應單體電壓為1.67～2.35 V）設計。直流母線電壓為240 V，電池組采用20只12 V電池串聯組成，則電池組的電壓范圍為200.4～282 V。確保當AC/DC單元正常供電時，蓄電池不會出現放電工況。

按最大負載9 000 W，直流母線電壓最低為210 V，放電電流最大為42.86 A。按最大3C放電倍率計算，則鉛酸蓄電池容量大于12.86 A·h。DC/DC變換單元由電池組供電時，設備轉換效率為93%，則鉛酸蓄電池容量最低為13.82 A·h。考慮最低溫度-15 ℃下，鉛酸蓄電池約能釋放出35%的額定容量，則鉛酸蓄電池容量最低為39.5 A·h。故系統的蓄電池選用12 V/42 A·h鉛酸蓄電池。

因此，此穩壓電源實現三相三線制交流電網輸入、高壓大電流隔離輸出、交流掉電不間斷供電10 min的設計要求。

1.2" 磁軸承功率放大器

本系統中磁軸承功率放大器采用三態PWM技術[11?14]，由Q1和Q2功率開關管、D1和D2快恢復功率二極管組成的半橋主電路拓撲、功放調節、三態PWM、隔離驅動和電流互感器CT等組成。圖4為功率放大器的工作原理示意圖。功率放大器工作原理如下。

1） 充電狀態

Q1和Q2同時開通，D1和D2同時關斷，線圈電流增大，線圈兩端的電壓為電源電壓（忽略功率管壓降）。其回路為Q1、CT、Lm、Rm和Q2。

2） 續流狀態

Q1開通，Q2關斷，D1開通，D2關斷，線圈電流同方向續流。其回路為Q1、Lm、Rm和D1。

3） 放電狀態

Q1和Q2同時關斷，D1和D2同時開通，線圈電流減小，線圈兩端的電壓為電源電壓的反壓（忽略功率管壓降）。其回路為D1、CT、Lm、Rm和D2。

三態PWM調制技術的原理示意圖如圖5所示。

輸入參考值和電流反饋信號通過功放調節得到電流誤差信號ierr，然后與兩路三角載波進行比較，得到uG_Q1和uG_Q2兩路驅動信號，再經過隔離驅動電路獲得驅動信號uDRV_Q1和uDRV_Q2，它們來直接驅動半橋主拓撲中Q1和Q2的開通與關斷，從而達到控制電磁軸承線圈電流的目的。

2" 實驗驗證

設計并制造了600 V/60 A輸出的五自由度獨立控制的高壓大電流功率放大器系統。其中，每個功率放大器的技術參數如下。

直流輸入為600 V，最大輸出電流為60 A；

負載參數為：線圈電感為10 mH，線圈電感電阻小于1 Ω；

穩壓電源參數為：6 kW的AC/DC變換器3臺并機，3 kW的DC/DC變換器4臺并機，蓄電池的單體為42 A·h/12 V，600 W的充電機1臺。

此外，功放的電流即可為正弦峰值電流60 A，頻率0.1 Hz～1 kHz，也可為直流0～60 A。測試儀器：數字示波器MS03014，示波器探頭P6139A，差分探頭P5205，函數發生器AFG3022B，直流槍TCPA400。給定電流1 V對應6 A，反饋電流1 V對應10 A。

圖6為穩壓電源不間斷工作的波形圖。圖中：CH1為電流給定（5 V/格），CH2為電流反饋（5 V/格），CH3為功放輸入電壓（250 V/格），CH4為三相交流輸入Uab（500 V/格）。從圖中可以看出：當交流掉電后，功率放大器的輸入電壓穩定且輸出能夠正常工作；掉電10 min后，交流恢復供電，功率放大器的輸入電壓穩定和輸出能夠正常工作，說明系統具有不間斷供電的穩壓電源。

按照輸入電壓與輸出電流的變比為6 A/V，電流傳感器LAH?100NP的轉換比為2 000∶1。控制器設定的指令信號電壓與功率放大器輸出電流之間的關系如圖7所示，橫坐標為轉換后的給定電流（單位為A），縱坐標為實際測量的輸出電流（單位為A）。從圖中可以看出輸入與輸出呈良好的線性關系。

圖8為給定端加入直流偏置5 V，交流分量幅值為1 V，頻率8～10 Hz和600 Hz～1 kHz的正弦波，CH1為電流給定（5 V/格），CH2為電流反饋（5 V/格），CH4為功放輸入電壓（250 V/格）。

從圖中可以看出：輸出電流紋波小，輸出電流能夠快速跟蹤輸入信號的變化，反映了三態PWM調制的紋波小，且具有較好的跟蹤特性和穩態特性；從低頻到高頻波形穩定，反映了動態特性和穩態特性較好，且具有較大頻率響應范圍。

頻率響應是指將一個以恒電壓輸出的模擬信號與系統相連接時，線圈兩端產生的電壓隨頻率的變化而發生增大或衰減，相位隨頻率而發生變化的現象，其幅頻特性和相頻特性如圖9所示。

在200 Hz時的增益為-5.077 dB，相位為-2.234°；在1 Hz～1.5 kHz之間，其幅頻特性和相頻特性都較好，且具有較大頻率響應范圍。

3" 結" 論

本文設計與制造了高壓大電流功率放大器系統，闡述了磁懸浮軸承控制系統的工作原理，設計了N+1冗余不間斷穩壓電源和三態PWM調制的磁軸承功率放大器。實驗結果表明，穩壓電源能夠實現10 min左右的不間斷供電且變換器具有冗余功能，磁軸承功率放大器具有較小的輸出電流紋波，同時具有較好的跟隨特性、穩態特性、動態特性和較大頻率響應范圍，對高壓大電流功率放大器系統的商業化制造生產提供了依據。

參考文獻

[1] 侯文斌，施佳余，茅靖峰，等.磁懸浮直線進給單元系統開關功率放大器的研究[J].機械設計與制造，2016（4）：55?59.

[2] 蔣啟龍，連級三.電磁軸承及其應用研究綜述[J].重慶大學學報（自然科學版），2004（7）：146?151.

[3] 張亮，房建成.電磁軸承脈寬調制型開關功放的實現及電流紋波分析[J].電工技術學報，2007，22（3）：13?20.

[4] 莫逆，劉興男，周燕，等.電磁軸承振動傳遞特性研究[J].振動與沖擊，2015，34（6）：79?83.

[5] 吳華春，張選澤，楊克臻，等.磁軸承功率放大器研究綜述[J].軸承，2022，517（12）：8?16.

[6] 周丹，祝長生.主動電磁軸承電流型開關功率放大器的調制技術[J].機械工程學報，2010，46（20）：1?8.

[7] GERHARD S， ERIC H M. Magnetic bearings theory， design and application to rotating machinery [M]. New York： Springer， 2009.

[8] 于金鵬，周燕，莫逆，等.基于FPGA的數字化電渦流位移傳感器設計[J].清華大學學報（自然科學版），2018，58（3）：330?336.

[9] 王銳，尹強，任曉丹，等.三相單開關ZVZCS變換器的應用研究[J].電氣應用，2017，36（18）：84?87.

[10] 任曉丹，尹強，于越，等.基于串聯自動均流技術的LLC諧振變換器的研究[J].電力電子技術，2017，51（4）：78?79.

[11] REN Xiaodan， YIN Qiang， YU Yue， et al. Design of the power amplifier for magnetic bearings based on the three?level PWM modulation [J]. Advances in computer science research， 2015（15）： 672?675.

[12] 尹強，龐浩，任曉丹，等.一種用于電磁軸承的三態功率放大器的設計[J].電氣傳動，2016，46（3）：73?76.

[13] 周丹，祝長生.一種電磁軸承用三電平PWM開關功率放大器的失效機制[J].中國電機工程學報，2010，30（36）：103?110.

[14] 賀艷暉，崔猛.磁懸浮軸承用功率放大器建模與控制研究[J].軸承，2020（12）：7?11.