摘要：根據(jù)三態(tài)開關功放理論,利用SG3524,IR2110等集成芯片設計了磁軸承三態(tài)PWM開關功率放大器。理論分析和試驗表明,該功率放大器具有電流紋波小、電磁干擾小、效率高等優(yōu)點。

　　1 引言

　　磁軸承是利用電磁鐵產(chǎn)生可控電磁力將轉(zhuǎn)子進行無接觸懸浮的一種新型軸承，它具有無 摩擦、壽命長、無需潤滑和維護簡單等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用在真空及超凈室技術、透平機械、 高速機床、儲能飛輪及航天器中姿態(tài)控制陀螺等領域。在磁軸承系統(tǒng)中，功率放大器（簡稱 功放）的作用是向電磁線圈提供電流以產(chǎn)生所需要的電磁力。對于較大功率的功放（0.6kVA 以上），一般都要采用開關型功率放大器。功率放大器應該具有足夠的帶寬，以保證磁軸承 控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性，并能滿足抑制高頻擾動的需要；同時功率放大器的輸出電流 失真要小，也就是電流紋波要小。

　　傳統(tǒng)開關型功率放大器大多為兩態(tài)開關功放，即負載線圈要么處于充電狀態(tài)，要么處于 放電狀態(tài)，會在磁軸承中產(chǎn)生較大的鐵耗和銅耗，且由于電流沖擊的存在使得電磁干擾嚴重。 三態(tài)開關功放由于工作在充電、放電和續(xù)流狀態(tài)，所以可解決兩態(tài)功放的問題。文獻[1~2]介 紹了磁軸承三態(tài)開關功放，實驗證明三態(tài)開關功放可以有效地抑制電流紋波。文獻[3]介紹了 基于CPLD 的磁軸承開關功放設計。磁軸承在工作過程中并不需要使線圈中的電流雙向流動，因此本文主要研究橋路拓撲結(jié)構為半橋的三態(tài)脈寬調(diào)制開關功放設計。

　　2 功放原理分析及設計

　　在電流設定值固定時，兩電平開關功放的電流紋波大小約為udc / 2Lfk（其中，udc為功 放直流電源電壓，L 為線圈電感， fk為開關頻率），與直流電源電壓成正比，與開關頻率和 線圈電感成反比，所以要減小兩電平開關功放的電流紋波，可以通過降低電源電壓或提高開 關頻率的方法實現(xiàn)。但是電源電壓與磁軸承電磁力的響應速度成正比，所以電源電壓不能過 低。而提高開關頻率，會使開關損耗增加，開關功放效率降低[4]。

　　三態(tài)脈寬調(diào)制開關功放可以解決這個問題。三態(tài)開關功放是在兩電平調(diào)制的基礎上再增 加一種零電平輸出狀態(tài)，即作為負載的磁軸承線圈被開關器件短路，線圈中電流呈自然續(xù)流 狀態(tài)。這樣可以降低功率器件的開關頻率，而且功率開關通斷過程中電壓跳變只有兩電平功 放的一半，有利于降低開關損耗，延長開關功放的壽命。由于三態(tài)開關功放的電流紋波和電 源電壓幾乎無關，因此可以通過提高電源電壓來提高磁軸承力的響應速度，改善功放動態(tài)特性，又不會增加電流紋波[5]。

　　本文研究的磁軸承系統(tǒng)電磁線圈采用電流迭加式繞制法，線圈電流I0 ± ic ≥ 0，始終單 方向流動，因此橋路拓撲結(jié)構采用半橋結(jié)構。磁軸承開關功放主要包括PI 控制器，PWM 發(fā) 生器、半橋電路和電流采樣電路，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

　　三態(tài)功放與兩態(tài)功放不同之處在于將 MOSFET 管VT2 控制脈沖uVT 2進行了移相，即 uVT 2保持波形不變，只是相對于uVT1延遲了一定時間。圖2 表示經(jīng)過移相后，橋路的三種 工作狀態(tài)。當兩路給定驅(qū)動脈沖信號為高電平時，VT1 和VT2 同時導通，此時橋路工作狀態(tài) 如圖2(c)所示，處于充電狀態(tài)；當兩路驅(qū)動脈沖信號分別為高電平和低電平時，VT1 和VT2 只有一個導通，此時橋路工作狀態(tài)如圖2(a)和2(b)所示，處于續(xù)流狀態(tài)；當兩路驅(qū)動脈沖信 號同為低電平時，VT1 和VT2 同時截止，此時橋路工作狀態(tài)如圖2(d)所示，處于放電狀態(tài)。

　　由于三態(tài)開關功放在電磁線圈電流上升時處于充電與續(xù)流的交替變化，下降時處于放電 與續(xù)流的交替變化，維持不變時完全處于續(xù)流狀態(tài)，因此理論上不存在電流紋波，電流紋波 可以得到很好的抑制。

　　3 電路實現(xiàn)

　　三態(tài)脈寬調(diào)制開關功放的關鍵在于能夠?qū)崿F(xiàn)上下兩個MOSFET 管控制信號相互之間延 遲一定的相位，并且能夠?qū)崿F(xiàn)占空比大范圍變化的脈沖移相。文獻[2]證明半橋電路中兩個控 制信號之間相差180o時，線圈中電流紋波可以得到較好的抑制。TI公司的PWM芯片SG3524 可以很方便地輸出兩路相位相差180o的PWM 信號， 該芯片是一種雙端輸出式脈寬調(diào)制器 （PWM），內(nèi)部包含了雙端輸出所必需的各種基本電路，其原理圖如圖3 所示[6]：

　　由原理圖易知，取樣電壓和基準電壓分別接入管腳1 和2，經(jīng)誤差放大器放大后，輸出 控制電壓U3，接入PWM 調(diào)制器反相輸入端，與其同相輸入端的鋸齒波電壓進行比較，輸 出一個寬度受U3控制的方波脈沖U4，送至兩個或非門的輸入端，同時來自振蕩器的同步方 波脈沖U2經(jīng)兩分頻觸發(fā)器輸出兩路相位互差180o的方波脈沖也送至兩或非門的輸入端。因 此按圖3 接法，兩路輸出端的輸出信號正好相位差180o，占空比可調(diào)，分別用來驅(qū)動上下 兩個MOSFET 管，滿足三態(tài)開關功放的控制要求。

　　隔離驅(qū)動環(huán)節(jié)采用了美國 IR 公司生產(chǎn)的隔離驅(qū)動芯片IR2110[7~8]。IR2110 兼有光耦隔 離體積小和電磁隔離速度快的優(yōu)點，具有獨立的低端和高端輸出通道；懸浮電源采用自舉電 路，其高端工作電壓可達500V；輸出的電源端電壓范圍10~20V；邏輯電源電壓5~15V，可 方便地與TTL，CMOS 電平匹配；工作頻率高，可達500KHz。IR2110 特別適合于作為中小 功率變換裝置中的驅(qū)動器件。

　　同時其價格便宜，體積較小，使用方便，因此選用IR2110 作 為隔離驅(qū)動元件。 電流反饋環(huán)節(jié)直接用 0.1Ω 的采樣電阻串聯(lián)進線圈回路中，將電流采樣值反饋回SG3524 構成電流反饋。圖4 為完整的三態(tài)脈寬調(diào)制開關功放電路原理圖。

　　4 實驗及分析

　　用上文設計的三態(tài)脈寬調(diào)制開關功放電路驅(qū)動某磁軸承實驗臺軸向線圈，實驗過程中分 別測得線圈電流為1.2A 時，兩態(tài)和三態(tài)開關功放實驗波形如圖5 所示。圖5(a)和(b)分別是 線圈平均電流為1.2A 時，兩態(tài)和三態(tài)功放中MOSFET 管VT1 和VT2 控制電壓波形以及電 磁線圈中電流波形。

　　圖5(a) 兩態(tài)，1.2A，控制波形和電流波形圖5(b) 三態(tài)，1.2A，控制波形和電流波形(注：圖5（a）中控制波形：10V/格，電流波形：50mv/格；圖5(b)中控制波形：5V/格，電流波形：50mv/格，時間均為：20us/格)

　　由圖5 可見，三態(tài)功放中控制電壓波形經(jīng)過移相后，功放的輸出電流紋波明顯減小，原因是橋路工作狀態(tài)由兩態(tài)時的充電狀態(tài)和放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為充電、放電和續(xù)流三種狀態(tài)。

　　5 結(jié)論

　　采用 SG3524，IR2110 和MOSFET 管IRPF450，設計了三態(tài)脈寬調(diào)制開關功放。實驗證 明，該功放具有良好的工作特性，電流紋波和電磁干擾得到很好的抑制，功放效率得到提高， 運行穩(wěn)定能夠滿足磁軸承系統(tǒng)運行要求。

　　文章創(chuàng)新點：

　　1、利用SG3524 解決了三態(tài)開關功放控制脈沖的移相

　　2、三態(tài)功放減小了功放電流紋波和電磁干擾，提高了功放效率