磁悬浮轴承功率放大器的发展现状与展望

张广明，陈 淳，梅 磊，季文娟

(南京工业大学，江苏南京 211816)

0 引 言

磁悬浮轴承技术利用磁力实现转子无机械接触悬浮，具有高承载转速、低摩擦损耗、无需润滑、寿命长等优点，因此在航空航天、真空超净和机械加工等领域中得到了广泛应用。磁悬浮轴承系统通常由磁轴承本体、位移传感器、控制器和功率放大器等几部分组成［1，2］。

磁悬浮轴承系统中功率放大器的作用是根据控制器的输出信号在控制绕组中产生相应的电流，从而产生一定的悬浮力，使得转子稳定悬浮在平衡位置。其性能直接影响系统的控制性能，因此如何提高功率放大器的性能、降低功耗、提高效率已成为磁悬浮轴承技术中的研究重点和难点。

1 功率放大器的性能参数

1.1 磁悬浮轴承功放的效率

磁悬浮轴承系统中，功放的负载是感性负载。效率计算公式如下:

式中:η为功放效率;U为功放电源电压;I为磁悬浮轴承线圈中的电流;Pt为功放损耗。早期使用的线性功放效率在5% ～30%之间，目前普遍使用的开关功放效率则可达60%～90%。

1.2 磁悬浮轴承功放的输出电流纹波

磁悬浮轴承功放的输出电流纹波是评价功率放大器性能的另一个重要参数。电磁力是电流的函数，输出电流的波形直接影响转子的控制性能。一方面，较大的输出电流纹波会导致转子产生振动;另一方面，电流纹波会带来噪声以及额外的铁耗和铜耗等不良影响，造成定子和转子温度升高，继而影响磁悬浮轴承的性能。

文献［3］给出了两电平、三电平PWM开关功放的电流纹波近似计算式:

比较两电平和三电平电流纹波近似计算公式可知，在开关频率L和输出平均电流值相同的情况下，采用三电平PWM技术可以大大降低输出电流纹波。

1.3 电流响应速度和控制力响应速度［4］

磁悬浮轴承功放的负载是电磁铁线圈，是一个大电感和小电阻的感性负载，用电流响应速度来评价其性能。忽略其他环节压降，则电磁铁中电流的最大变化率:

可以看出，电流响应速度的大小取决于功放电源电压Ud和线圈电感L。

由于线圈中的电流发生变化，电磁铁对转子的吸力随之变化，因此控制力响应速度也是磁悬浮轴承的一个重要性能指标。定义控制力响应速度:

可以看出，通过增大电流I和功放电源电压Ud、减小间隙δ可以提高电磁力的响应速度。

2 磁悬浮轴承功率放大器的分类

按器件和工作原理不同，功率放大器可分为线性功率放大器和开关功率放大器。20世纪60年代末到80年代末主要采用线性功放，之后随着电力电子技术和磁悬浮轴承技术的发展，在第二届国际磁悬浮轴承会议上F.J.Keith等人首次提出了开关功放［5］。

按功放受控变量的不同可分为:电压控制型(输入是电压信号，输出也是电压信号)和电流控制型(输入是电压信号，输出是电流信号)。电压控制型和电流控制型功放的模型结构框图如图1所示。

图1 功放模型结构框图

与电压控制型功放相比，电流控制型功放的模型相对简单一些。由于采用了电流反馈，可直接输出电流信号到电磁铁线圈，在线性范围内，由电磁铁电感带来的电流滞后影响降到最小，可以忽略。因此对于中小功率的磁悬浮轴承系统，普遍采用的还是电流控制型功放。

2.1 线性功率放大器

早期的磁悬浮轴承系统大多采用线性功放。现在一般系统功率小于0.5 kW且要求灵敏性较高、结构简单的场合，选用线性功率放大器，其原理如图3所示。线性功放具有输出纹波小、瞬态响应快、稳定性好及电流噪声小等优点。缺点是效率太低，功耗大，因此高电压下给系统散热带来很大压力［6］。

线性功放一般分为集电极输出型和发射极输出型。一般集电极输出型功放由于其时间常数小、响应速度快而在磁悬浮轴承中应用较多。

如图2所示，给定信号和反馈信号做比较后，经控制器调节作为功放的控制信号，控制功放电源电压和功率管发射极之间的电势之差，从而控制磁轴承线圈中电流的大小。根据式(1)可得线性功放的效率近似:

图2 发射极输出型线性功放原理图

可见通过减小功放电源电压Ud，可提高功放的效率。但根据文献［4］可知，减小功放电源电压将导致磁轴承电流响应速度和控制力的响应速度降低，使得磁轴承系统动态性不好。

2.2 开关功率放大器

当系统功率大于0.5 kW时，一般采用开关功率放大器。开关功放与线性功放最大的区别在于:线性功放的输出电压(或者电流)是连续型的，因此有的文献中也称线性功放为连续型功放;而开关功放的输出电压(或者电流)是被限制在两个或多个电压值之间。

开关功放的优点是效率高、功耗低以及动态特性好。但是开关功放的高频开关信号会给系统带来电磁干扰(包括辐射噪声和传导噪声)，此外，开关功放的输出电流常含有较大的纹波，会对磁轴承的悬浮性能产生一定的影响。为了减少电流失真，采用多种拓扑结构和控制策略成了目前磁悬浮轴承开关功放的研究热点之一［7］。

2.2.1 换能电路

开关功放中换能电路的拓扑结构主要有单臂式、半桥式和全桥式［8］以及它们的改进形式，如图3所示。

图3 换能电路的拓扑结构

这三种拓扑结构各有特点，适用于不同的场合。对于单臂式电路，功率管的数量比全桥或半桥电路减少一半，但是功率管散热设计要求较高;半桥电路不仅可以工作在两电平状态，也可以工作在三电平状态。但无论单臂式还是半桥式，只能输出单极性电流。而全桥式电路的输出电流是双极性的，从而驱动功率管器件数量减小，功率管散热也大大降低，这是全桥电路特有的优点。

2.2.2 开关功放的控制策略

具体实现磁悬浮轴承开关功放的控制方法有很多，按其输出电压的状态则可分为:电流两态调制和电流三态调制。

传统磁悬浮轴承开关功放所用的控制方式，如脉宽调制(PWM)、滞环比较(Hysteresis)、采样－保持(Sample－Hold)及最小脉宽调制(MPW)均属于两态调制。所谓两态(两电平)调制，即线圈内的电流只存在能量吸收状态和能量回馈状态。线圈内的电流随之快速增加和减小，从而不断逼近给定电流。两态调制技术输出电流纹波比较大，且随着电源电压的增加而增大，不利于功放动态性能的提高。

自从1994年Zhangjing提出三态(三电平)磁悬浮轴承开关功放理论，出现了多种三态开关型功率放大器［9，10］，如三态 PWM 功率放大器［11］、三态采样－保持功率放大器、三态滞环比较功率放大器等。所谓三态调制(三电平)调制，即线圈内的电流存在能量吸收、自然续流和能量回馈三种状态。三态调制技术的提出不但很好地解决了两态调制技术中难以同时实现低电流纹波和良好动态特性的问题，而且基于三态调制技术的开关功放还具有开关损耗小、动态特性好等优点。

北京航空航天大学的田希晖博士等人提出了基于空间矢量PWM［12］(SVPWM)的三态开关功放，仿真和实验结果均表明该功放可同时驱动两个自由度的线圈，且具有输出电流纹波、可靠性好等优点［13］。南京航空航天大学的臧晓敏提出了一种改进的基于采样－保持策略的电流三态调制开关功放，它既保留了采样－保持策略开关功放控制简单、动态响应快等优点，同时又降低了电流纹波和损耗，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

磁悬浮轴承功放的负载是一个大电感小电阻的感性负载。稳态时，由于负载的等效电阻很小，从降低功耗的角度考虑，线圈两端电压不需要太高。动态时，要在线圈中获得足够大的电流变化率，因而需要较高的电源电压。因此，减小电源电压、降低功耗、提高电源电压提高动态响应是矛盾的。为了解决两者之间的矛盾，可以通过线性功放和开关功放的组合来解决该问题，即混合型功率放大器［15］。

如图4所示，稳态时，由线性功放对磁悬浮轴承线圈供电，此时电流纹波小，损耗低;动态时，由 UH对磁悬浮轴承线圈进行供电，产生足够大的电流变化率，动态特性好;给定电流与反馈电流相比较后，经逻辑控制器输出信号来分配开关 S1、S2、S3。

但其复杂的控制电路会给系统带来可靠性不高的影响，因此在目前磁悬浮轴承功放的研究中并没有广泛应用。

图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开关功率放大器体积一般较大，国外已经利用脉宽调制技术制造出了集成的开关功放。比如美国的德州仪器推出的PWM型音频功放用的集成功放，效率可以达到97%;美国A-pex公司推出的大功率脉宽调制型功放SA60，具有体积小、效率高、可靠性高等优点，集成化功放的研究非常有利于磁悬浮轴承功放向小型化发展［16］。

2.3.3 G 类功放

G类功放的原理图如图5所示。G类功放的特点是由两个不同大小的电源对其供电。当控制器的输入信号较小时，磁悬浮轴承线圈受场效应管T2控制，由低电压电源对负载进行控制，可获得较高的效率;当控制器的输入信号较大时，磁悬浮轴承线圈受T1控制，由高电压电源对负载进行控制，可获得较好的动态特性。

文献［17］提出了一种应用于磁悬浮轴承的改进型G类功率放大器。这种新型的G类功放包含三个功率晶体管，其中两个晶体管由不同的电源供电，另外一个晶体管接地，有效地降低了功耗。

图5 G类功率放大器

3 结 语

磁悬浮轴承的应用前景非常广泛，研制出低成本、高性能的功率放大器对磁悬浮轴承的推广有着深远的意义。本文对磁悬浮轴承功放的性能参数和分类进行了研究，然后比较了每一类功率放大器的优缺点，并分析了开关功放的拓扑结构、控制策略以及研究现状。从近年发表的论文和技术特征来看，采用三态调制技术的磁悬浮轴承开关功放凭借电流纹波小、开关损耗低、动态特性好等优点，得到了磁悬浮轴承功放研究者的青睐。随着电力电子技术和制造工艺的发展，磁悬浮轴承系统向小型化方面发展，集成化的开关功放更加成为今后磁悬浮轴承功率放大器的研究热点之一。

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