高压大电流磁轴承功率放大器的系统研究与应用

摘" 要： 针对三相三线制交流电网输入、高压大电流隔离输出、交流掉电不间断供电10 min，以及较大频率响应范围、稳态特性和动态特性良好的要求，提出一种N+1冗余不间断的稳压电源和三态PWM调制的功率放大器。阐述了磁悬浮轴承控制系统的工作原理，设计并制造了600 V/60 A的高压大电流功率放大器系统。实验结果表明，稳压电源能够实现10 min左右的不间断供电且变换器具有冗余功能，磁轴承功率放大器具有较小的输出电流纹波，同时具有较好的跟随特性、稳态特性、动态特性和较大频率响应范围。样机实验结果表明，所设计系统能够满足要求，对磁悬浮轴承控制系统的商业化生产制造具有一定的指导意义。

关键词： 高压大电流； 磁轴承功率放大器； 三态PWM调制； 稳压电源； DC/DC变换器； 频率响应

中图分类号： TN722.7+5⁃34" " " " " " " " " " " "文献标识码： A" " " " " " " " " " " "文章编号： 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

磁悬浮运动通过控制线圈阵列电流，让转子悬浮于定子阵列上运动。由于悬浮方式无接触、无摩擦、无磨损、无需机械导轨，可极大简化运动结构与大幅减轻运动质量，由此实现高速、高加速度与精密运动，以及可有效地延长设备的使用寿命[1⁃2]，因而在当今的许多行业中都有广泛的应用[3⁃5]。

磁悬浮轴承控制系统由传感器、控制器、功率放大器、转子、定子（电感线圈）[4]和稳压电源等组成。其中，功率放大器是系统的执行机构，能把控制信号放大为直接驱动定子的电流，其性能不仅决定磁悬浮能否实现稳定悬浮[6⁃7]，也影响系统的承载能力和动态性能。稳压电源为系统提供电能，同时保证转子的悬浮功率的供应。

针对三相三线制交流电网输入、高压大电流隔离输出、交流掉电不间断供电10 min、较大频率响应范围、稳态性能和动态性能良好的要求，提出了N+1冗余不间断的稳压电源和三态PWM调制的功率放大器，设计了600 V/60 A输出的五自由度独立控制的高压大电流功率放大器系统，并通过实验验证来满足系统要求。实验结果表明，稳压电源能够实现10 min左右的不间断供电且变换器具有冗余功能，磁轴承功率放大器具有较小的输出电流纹波，同时具有较好的跟随特性、稳态特性、动态特性和较大频率响应范围。

样机实验结果表明，所设计系统能够满足要求，对磁悬浮轴承控制系统的商业化生产制造具有一定的指导意义。

1" 系统研究与设计

本研究将五自由度分别看成10个独立的单负载线圈（电感）控制系统，图1所示为磁悬浮轴承控制系统的工作原理示意图[2]，具体如下：当被悬浮体偏离平衡位置时，传感器检测[8]到偏离位移信号，然后将其转换为电压信号进入控制器中，接着通过特定的控制算法给出相应的输入参考值控制信号，再通过功率放大器转化为负载线圈中的控制电流，使转子回到设定的平衡位置。

1.1" 稳压电源

1.1.1" 系统组成及工作原理

本系统中的稳压电源采用N+1冗余不间断技术，其由AC/DC变换器[9⁃10]、电池管理单元、DC/DC变换器和辅助电源等组成。

图2所示为稳压电源的工作原理示意图，其工作原理如下。

1） 当交流电网正常时，交流电通过AC/DC变换器和DC/DC变换器给功率放大器的输入提供与电网隔离且稳定的直流电源，并且母线电压通过辅电给系统中的其他部分进行供电。同时电池管理单元中的充电机给蓄电池进行充电，蓄电池的端电压低于母线电压，与蓄电池串联的二极管不导通。

2） 当交流电网掉电时，蓄电池通过二极管提供母线电压，然后通过DC/DC变换器给功率放大器的输入提供与电网隔离且稳定的直流电源，并且母线电压通过辅电给系统中的其他部分进行供电。此时，电池管理单元的充电机保护不对蓄电池进行充电。

1.1.2" DC/DC变换器的设计

根据单负载线圈满负荷600 V/60 A工作时的有功功率为900 W，可以得到DC/DC变换器的输出有功功率大约为9 kW，采用3 kW的DC/DC变换器4台并机，其设计的原理示意图如图3所示。

DC/DC变换器的输入为蓄电池组电压或者AC/DC变换器的输出电压，输出为稳定的600 V直流电压且与输入高频隔离，同时作为磁轴承功率放大器的供电输入。

1.1.3" 蓄电池的选择

选取12 V蓄电池，由6只2 V电池单体组成，由于是短时（10 min）大电流放电，电池充放电电压范围按10.02～14.1 V（对应单体电压为1.67～2.35 V）设计。直流母线电压为240 V，电池组采用20只12 V电池串联组成，则电池组的电压范围为200.4～282 V。确保当AC/DC单元正常供电时，蓄电池不会出现放电工况。

按最大负载9 000 W，直流母线电压最低为210 V，放电电流最大为42.86 A。按最大3C放电倍率计算，则铅酸蓄电池容量大于12.86 A·h。DC/DC变换单元由电池组供电时，设备转换效率为93%，则铅酸蓄电池容量最低为13.82 A·h。考虑最低温度-15 ℃下，铅酸蓄电池约能释放出35%的额定容量，则铅酸蓄电池容量最低为39.5 A·h。故系统的蓄电池选用12 V/42 A·h铅酸蓄电池。

因此，此稳压电源实现三相三线制交流电网输入、高压大电流隔离输出、交流掉电不间断供电10 min的设计要求。

1.2" 磁轴承功率放大器

本系统中磁轴承功率放大器采用三态PWM技术[11⁃14]，由Q1和Q2功率开关管、D1和D2快恢复功率二极管组成的半桥主电路拓扑、功放调节、三态PWM、隔离驱动和电流互感器CT等组成。图4为功率放大器的工作原理示意图。功率放大器工作原理如下。

1） 充电状态

Q1和Q2同时开通，D1和D2同时关断，线圈电流增大，线圈两端的电压为电源电压（忽略功率管压降）。其回路为Q1、CT、Lm、Rm和Q2。

2） 续流状态

Q1开通，Q2关断，D1开通，D2关断，线圈电流同方向续流。其回路为Q1、Lm、Rm和D1。

3） 放电状态

Q1和Q2同时关断，D1和D2同时开通，线圈电流减小，线圈两端的电压为电源电压的反压（忽略功率管压降）。其回路为D1、CT、Lm、Rm和D2。

三态PWM调制技术的原理示意图如图5所示。

输入参考值和电流反馈信号通过功放调节得到电流误差信号ierr，然后与两路三角载波进行比较，得到uG_Q1和uG_Q2两路驱动信号，再经过隔离驱动电路获得驱动信号uDRV_Q1和uDRV_Q2，它们来直接驱动半桥主拓扑中Q1和Q2的开通与关断，从而达到控制电磁轴承线圈电流的目的。

2" 实验验证

设计并制造了600 V/60 A输出的五自由度独立控制的高压大电流功率放大器系统。其中，每个功率放大器的技术参数如下。

直流输入为600 V，最大输出电流为60 A；

负载参数为：线圈电感为10 mH，线圈电感电阻小于1 Ω；

稳压电源参数为：6 kW的AC/DC变换器3台并机，3 kW的DC/DC变换器4台并机，蓄电池的单体为42 A·h/12 V，600 W的充电机1台。

此外，功放的电流即可为正弦峰值电流60 A，频率0.1 Hz～1 kHz，也可为直流0～60 A。测试仪器：数字示波器MS03014，示波器探头P6139A，差分探头P5205，函数发生器AFG3022B，直流枪TCPA400。给定电流1 V对应6 A，反馈电流1 V对应10 A。

图6为稳压电源不间断工作的波形图。图中：CH1为电流给定（5 V/格），CH2为电流反馈（5 V/格），CH3为功放输入电压（250 V/格），CH4为三相交流输入Uab（500 V/格）。从图中可以看出：当交流掉电后，功率放大器的输入电压稳定且输出能够正常工作；掉电10 min后，交流恢复供电，功率放大器的输入电压稳定和输出能够正常工作，说明系统具有不间断供电的稳压电源。

按照输入电压与输出电流的变比为6 A/V，电流传感器LAH⁃100NP的转换比为2 000∶1。控制器设定的指令信号电压与功率放大器输出电流之间的关系如图7所示，横坐标为转换后的给定电流（单位为A），纵坐标为实际测量的输出电流（单位为A）。从图中可以看出输入与输出呈良好的线性关系。

图8为给定端加入直流偏置5 V，交流分量幅值为1 V，频率8～10 Hz和600 Hz～1 kHz的正弦波，CH1为电流给定（5 V/格），CH2为电流反馈（5 V/格），CH4为功放输入电压（250 V/格）。

从图中可以看出：输出电流纹波小，输出电流能够快速跟踪输入信号的变化，反映了三态PWM调制的纹波小，且具有较好的跟踪特性和稳态特性；从低频到高频波形稳定，反映了动态特性和稳态特性较好，且具有较大频率响应范围。

频率响应是指将一个以恒电压输出的模拟信号与系统相连接时，线圈两端产生的电压随频率的变化而发生增大或衰减，相位随频率而发生变化的现象，其幅频特性和相频特性如图9所示。

在200 Hz时的增益为-5.077 dB，相位为-2.234°；在1 Hz～1.5 kHz之间，其幅频特性和相频特性都较好，且具有较大频率响应范围。

3" 结" 论

本文设计与制造了高压大电流功率放大器系统，阐述了磁悬浮轴承控制系统的工作原理，设计了N+1冗余不间断稳压电源和三态PWM调制的磁轴承功率放大器。实验结果表明，稳压电源能够实现10 min左右的不间断供电且变换器具有冗余功能，磁轴承功率放大器具有较小的输出电流纹波，同时具有较好的跟随特性、稳态特性、动态特性和较大频率响应范围，对高压大电流功率放大器系统的商业化制造生产提供了依据。

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