CN100438292C - 一种用于磁悬浮飞轮磁轴承***的数字开关功率放大器 - Google Patents
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Abstract
一种用于磁悬浮飞轮磁轴承***的数字开关功率放大器，是一种用来对磁轴承线圈中的电流进行主动控制的装置，其主要包括FPGA、隔离驱动电路、全桥主电路、电流检测电路、调理电路、A/D芯片和过流检测电路。该数字开关功率放大器由FPGA根据给定数字控制量和电流反馈信号的采样结果所形成的误差信号进行PWM调制，再将调制完成的PWM信号经隔离驱动电路直接控制全桥主电路中功率开关管的导通与关断，从而达到控制磁轴承线圈电流的目的。本发明实现了一种适用于磁悬浮飞轮磁轴承***的数字开关功率放大器，具有结构简单，可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于磁悬浮飞轮磁轴承***的数字开关功率放大器，用于对磁悬浮飞轮磁轴承线圈的输出电流进行控制。
背景技术
飞轮是三轴姿态稳定的中小型卫星上基本的姿态控制执行机构，磁悬浮反飞轮相对于传统的机械轴承飞轮具有无转速过零摩擦且可以进行振动主动控制的优点，所以在高精度卫星上具有广阔的应用前景。另外磁轴承没有摩擦，避免了机械轴承本身由于摩擦带来的磨损，其可靠性取决于控制***电子元器件的可靠程度，因此相对于机械轴承飞轮其具有更长的使用寿命。
功率放大器作为磁悬浮飞轮磁轴承控制***的执行器，其能量消耗最大，同时也是整个磁轴承控制***中可靠性最薄弱的环节。提高功率放大器的能量转换效率和可靠性是功率放大器设计的最主要目的，同时也是磁悬浮飞轮空间应用所要解决的关键技术之一。
为了提高功率放大器的效率，磁悬浮飞轮磁轴承控制***普遍采用开关功率放大器。说明书附图1所示为现有磁轴承***用开关功率放大器的一般结构，脉冲宽度调制信号产生电路根据电流给定信号和电流反馈信号生成PWM信号，PWM信号经光耦隔离及开关驱动电路生成全桥主电路功率开关管的栅极驱动信号，全桥主电路的功率开关管在栅极驱动信号的控制下导通与关断，在线圈中生成相应需要的电流，电流隔离检测电路完成线圈电流信号的检测。根据脉冲宽度调制信号产生电路的实现方式不同，磁轴承用开关功率放大器分为模拟器件和DSP实现两种。基于模拟器件实现的开关功率放大器集成度低、功耗大且脉宽调制方式不灵活，而基于单片DSP实现的开关功率放大器的PWM信号输出个数有限，如果完成多通道控制需要使用多片DSP，造成可靠性降低，资源浪费，且PWM调制方式固定，因此基于模拟器件实现和DSP实现的磁轴承开关功率放大器均不适于空间应用。另外目前的开关功率放大器中PWM信号的隔离和电流反馈信号的隔离普遍采用开关光耦和线性光耦器件实现，在空间环境中光耦器件的可靠性差，在卫星器件选型时应当避免使用，不适于空间环境应用场合使用。为了实现磁悬浮飞轮的在卫星姿态控制***中的应用，必须研制新型的磁轴承开关功率放大器。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服目前使用模拟器件或DSP实现的磁轴承开关功率放大器不适于空间应用的缺点，提供一种适于空间应用的磁悬浮飞轮磁轴承控制***用数字开关功率放大器结构，提高磁轴承开关功率放大器的效率和可靠性。
本发明的技术解决方案：一种用于磁悬浮飞轮磁轴承***的数字开关功率放大器，主要包括FPGA、隔离驱动电路、全桥主电路、电流检测电路、调理电路和A/D芯片，其中：
FPGA：控制A/D芯片在全桥主电路的下桥臂两个功率开关管续流时对调理电路输出的信号进行采样，对采样结果和输入的电流控制量相减所形成的误差信号进行PWM调制，生成四路PWM信号，输出至隔离驱动电路；
隔离驱动电路：输出与全桥主电路相接，用于生成全桥主电路中功率开关管的栅极驱动信号；
全桥主电路：由隔离驱动电路输出的栅极驱动信号控制上桥和下桥四个功率开关管的导通与关断，从而在磁轴承线圈中生成与电流控制量成比例的电流输出；
电流检测电路：输出与调理电路相接，输入与全桥主电路相接，用于输出磁轴承线圈电流反馈信号；
调理电路：输出与A/D芯片相接，用于对电流检测电路输出的电流反馈信号进行电平偏移和低通滤波；
A/D芯片：输出与FPGA相接，由FPGA控制，在下桥两个功率开关管续流时对调理电路的输出信号进行采样。
本发明的原理：对磁悬浮飞轮磁轴承开关功率放大器而言，通过对全桥主电路的两个桥臂上的四个功率开关管(VT1，VT2，VT3，VT4)的导通和关断进行控制，可使磁轴承线圈两端的电压出现三种状态。对于全桥主电路，每个桥臂上的两个开关管交替导通与关断，其中VT1与VT3，VT2与VT4的开关状态互补，引入开关函数S1和S2，定义如下：
S1和S2取不同的值时磁轴承线圈两端的电压状态如下表所示：
对于两态PWM调制方式，S1和S2的状态始终相反，不存在S1和S2相同的状态，即线圈不存在自然续流状态，因此磁轴承线圈两端的电压只存在U和-U两种状态；三态PWM调制方式下，S1和S2存在上表所示的四种状态，即通过控制全桥主电路的四个功率开关管的导通与关断，可以在磁轴承线圈两端得到三种电压状态U、-U和0。三态PWM调制方式与两态PWM调制方式相比，在相同的PWM载波频率条件下，可显著减小开关功放输出电流的纹波，降低磁轴承由于电流纹波引入的损耗。
根据三态PWM调制原理，在每个PWM载波周期根据电流反馈信号与给定数字控制量的差值决定开关管的导通与关断，在下桥自然续流时无感功率电阻Rf1和Rf2两端的电压与线圈的电流成正比，此时电流检测电路的输出电压反映了线圈电流的大小，此时对该电压信号进行采样即可获得线圈的电流大小，将采样结果与给定数字控制量进行运算可实现开关功放的电流闭环控制。由于PWM调制信号及A/D采样控制信号均由FPGA控制，因此可以保证在每个PWM载波周期磁轴承线圈均存在下桥续流状态及在下桥续流状态情况下对调理电路的输出进行采样。
现有的磁轴承用开关功率放大器多用模拟器件或者DSP实现，本发明与现在普遍采用磁轴承开关功率放大器相比优点在于：
(1)与模拟器件实现的开关功率放大器相比，提高了集成度，减小了体积，降低了开关功率放大器电路自身的功耗。
(2)与基于DSP的开关功率放大器相比，由FPGA完成PWM调制功能，***的可靠性得到提高，且IO资源丰富，可在单片FPGA中实现多个控制通道数字开关功率放大器PWM调制功能。
(3)取消了现在普遍采用的功率放大器中的开关光耦及线性光耦器件，使用FPGA完成PWM调制，提高了应用于空间环境情况下开关功率放大器的可靠性。
(4)采用三态PWM调制方式，与两态PWM调制方式相比，降低了线圈电流纹波。
(5)全桥主电路的下桥两个功率开关管续流时对经过调理电路调理后电流反馈信号进行采样，避免功率开关管的导通与关断干扰电流反馈信号。
附图说明
图1为本发明的现有磁轴承***用开关功率放大器的一般结构框图；
图2为本发明的硬件组成框图；
图3为本发明的FPGA内部功能框图；
图4为本发明的PWM信号波形图；
图5为本发明的下桥功率开关管驱动电路；
图6为本发明的上桥功率开关管驱动电路。
具体实施方式
如图1所示，给出了现有磁轴承***用开关功率放大器的一般结构，脉冲宽度调制信号产生电路根据电流给定信号和电流反馈信号生成PWM信号，PWM信号经光耦隔离及开关驱动电路生成全桥主电路功率开关管的栅极驱动信号，全桥主电路的功率开关管在栅极驱动信号的控制下导通与关断，在线圈中生成相应需要的电流，电流隔离检测电路完成线圈电流信号的检测。
如图2所示，本发明的硬件主要包括FPGA1、隔离驱动电路2、全桥主电路3、电流检测电路4、调理电路5、A/D芯片6和过流检测电路7，FPGA1控制A/D芯片6在下桥续流状态时对经调理电路5滤波后的电流反馈信号进行采样，根据采样结果和外部输入数字电流控制量依据三态PWM调制策略进行PWM调制，输出的四路PWM信号，即PWM1～PWM4经隔离驱动电路2生成全桥主电路3的功率开关管VT1～VT4的栅极驱动信号Ug1～Ug4，直接控制四个功率开关管VT1～VT4的导通与关断。电流检测电路4将无感功率电阻Rf1和Rf2两端的电压差经由电阻R1～R4和运算放大器IC1构成的差分放大电路后生成电流反馈信号，由电阻R1～R4和运算放大器IC1构成的差分放大电路也可用仪表放大器替代。
如图2所示，全桥主电路3的下桥两个功率开关管VT3，VT4的源极和参考地之间分别串接无感功率电阻Rf1、Rf2，在上桥两个功率开关管VT1，VT2关断，电流在下桥两个功率开关管VT3，VT4，无感功率电阻Rf1、Rf2和磁轴承线圈L和R构成组成的回路续流时，无感功率电阻Rf1、Rf2两端的电压与线圈电流成正比，将电阻R1，R2，R3，R4和运算放大器IC1构成的差分放大电路的输出作为磁轴承线圈电流反馈信号。
全桥主电路3的下桥两个功率开关管VT3，VT4的驱动信号(Ug3，Ug4)的参考地与PWM信号的参考地直接相接而不进行隔离，避免使用隔离器件。
如图3所示，给出了本发明的FPGA内部功能框图，FPGA主要完成脉宽计算、PWM信号生成和A/D采样控制三个功能。FPGA首先将电流反馈信号采样结果与电流反馈放大系数Ki相乘，从给定数字控制量中减去该乘积得到电流误差e，将电流误差e与误差放大系数Kp相成得到占空比误差e＊，占空比误差e＊经限幅后与偏移量做加减运算得到脉宽调节量，FPGA将两个脉宽调节量寄存在两个脉宽寄存器(脉宽寄存器H和脉宽寄存器L)中，完成脉宽计算，其中偏移量数值等于周期寄存器保存数值的1/2，限幅环节的功能是限制脉宽调节量的大小即限制输出的PWM信号(PWM1～PWM4)的占空比，保证在每个载波周期内磁轴承线圈均存在下桥续流状态，以检测线圈电流信号。FPGA中的增/减计数器是一个最小计数值为0、最大计数值为周期寄存器保存的数值、计数方向交替变化的可逆计数器，用来产生类似模拟电路中的三角波基准。增/减计数器在计数值为0时产生一个同步信号SYN，将两个脉宽寄存器(脉宽寄存器H和脉宽寄存器L)的数据存入各自的缓冲寄存器(缓冲寄存器H和缓冲寄存器L)，实现双缓冲；两个脉宽寄存器在SYN无效时可由FPGA更新而不影响最终的PWM信号输出。在全主电路3下桥臂开关管(VT3，VT4)续流时(即PWM 1和PWM2为高，PWM3和PWM4为低)，增/减计数器产生一个A/D采样触发信号ST，作为A/D芯片6的采样触发信号，启动A/D芯片6对调理电路5的输出信号进行采样，A/D采样控制模块完成A/D芯片6的采样控制信号的生成。比较器将增/减计数器的计数值与缓冲寄存器中的值比较生成开关信号PH和PL，PH和PL经死区逻辑后生成PWM信号(PWM1～PWM4)。死区逻辑由死区计数器和一些组合逻辑组成，使上下桥臂驱动信号错开一个死区时间，防止功率器件直通，死区时间由死区寄存器决定。
如图4所示，给出了在一定误差e＊下两个PWM载波周期内PWM信号的波形图。在每个载波周期中，当增/减计数器的计数值最小时SYN信号为高，两个脉宽寄存器(脉宽寄存器H和脉宽寄存器L)的数据存入各自的缓冲寄存器(缓冲寄存器H和缓冲寄存器L)。当进入磁轴承线圈下桥开关管续流续流(PWM1和PWM2为高，PWM3和PWM4为低)状态时，FPGA产生一个ST信号，启动A/D芯片6进行采样。
如图5所示，给出了本发明的下桥功率开关管驱动电路。输入的PWM信号经三极管Q1进行电平变换，Q2和Q3构成推挽电路，增强驱动能力，电阻R5和R6的作用是防止栅极驱动信号振荡，稳压管Z1的作用是防止栅极电压过高。
如图6所示，给出了本发明的上桥功率开关管驱动电路。输入的PWM信号经三极管Q1进行电平变换，Q2和Q3构成推挽电路，推挽电路的输出经脉冲变压器T1在副边得到隔离后的驱动信号。三极管Q4在驱动信号变低时对栅极的电荷放电，使驱动信号下降沿变陡，电阻R5和R6的作用是防止栅极驱动信号振荡，稳压管Z1防止栅极电压过高。
本发明虽为一种用于磁悬浮飞轮磁轴承***的数字开关功率放大器，但也可以作为一种通用的磁轴承***的数字开关功率放大器应用于其他类型的磁轴承控制***中。
Claims (6)
1、一种用于磁悬浮飞轮磁轴承***的数字开关功率放大器，其特征在于：包括：
FPGA(1)：控制A/D芯片(6)在全桥主电路(3)的下桥臂两个功率开关管(VT3，VT4)续流时对调理电路(5)输出的信号进行采样，对采样结果和输入的电流控制量相减所形成的误差信号进行PWM调制，生成四路PWM信号(PWM1～PWM4)，输出至隔离驱动电路(2)；
隔离驱动电路(2)：输出与全桥主电路(3)相接，用于生成全桥主电路(3)中功率开关管(VT1～VT4)的栅极驱动信号(Ug1～Ug4)；
全桥主电路(3)：由隔离驱动电路(2)输出的栅极驱动信号(Ug1～Ug4)控制上桥和下桥四个功率开关管(VT1～VT4)的导通与关断，从而在磁轴承线圈中生成与电流控制量成比例的电流输出；
电流检测电路(4)：输出与调理电路(5)相接，输入与全桥主电路(3)相接，用于输出磁轴承线圈电流反馈信号；
调理电路(5)：输出与A/D芯片(6)相接，用于对电流检测电路(4)输出的电流反馈信号进行电平偏移和低通滤波；
A/D芯片(6)：输出与FPGA(1)相接，由FPGA(1)控制，在下桥两个功率开关管(VT3，VT4)续流时对调理电路(5)的输出信号进行采样。
2、根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮飞轮磁轴承***的数字开关功率放大器，其特征在于：所述的FPGA(1)采用FPGA内部功能逻辑实现一种三态PWM调制，且外部输入的电流控制量为数字量。
3、根据权利要求1或2所述的一种用于磁悬浮飞轮磁轴承***的数字开关功率放大器，其特征在于：所述的FPGA(1)主要完成脉宽计算、PWM信号生成和A/D采样控制三个功能，首先将电流反馈信号采样结果与电流反馈放大系数Ki相乘，从给定数字控制量中减去该乘积得到误差，将此误差与误差放大系数Kp相成得到占空比误差e＊，占空比误差e＊经限幅后与偏移量做加减运算得到脉宽调节量，再将两个脉宽调节量寄存在两个脉宽寄存器中，完成脉宽计算；增/减计数器产生一个同步信号SYN，将两个脉宽寄存器的数据存入各自的缓冲寄存器，实现双缓冲，还产生一个A/D采样触发信号ST，作为A/D芯片的采样触发信号，启动A/D芯片对调理电路的输出信号进行采样，A/D采样控制模块完成A/D芯片的采样控制信号的生成；比较器将增/减计数器的计数值与缓冲寄存器中的值比较生成两路开关信号PH、PL，该PH和PL开关信号经死区逻辑后生成四路PWM信号。
4、根据权利要求3所述的一种用于磁悬浮飞轮磁轴承***的数字开关功率放大器，其特征在于：所述的增/减计数器是一个最小计数值为0、最大计数值为周期寄存器保存的数值、计数方向交替变化的可逆计数器，用来产生类似模拟电路中的三角波基准。
5、根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮飞轮磁轴承***的数字开关功率放大器，其特征在于：所述的全桥主电路(3)的下桥两个功率开关管(VT3，VT4)的源极和参考地之间分别串接无感功率电阻(Rf1、Rf2)，在上桥两个功率开关管(VT1，VT2)关断，电流在下桥两个功率开关管(VT3，VT4)，无感功率电阻(Rf1、Rf2)与磁轴承线圈L和R组成的回路续流时，无感功率电阻(Rf1、Rf2)两端的电压与线圈电流成正比，将电阻(R1，R2，R3，R4)和运算放大器(IC1)构成的差分放大电路的输出作为磁轴承线圈电流反馈信号。
6、根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮飞轮磁轴承***的数字开关功率放大器，其特征在于：所述的全桥主电路(3)的下桥两个功率开关管(VT3，VT4)的驱动信号(Ug3，Ug4)的参考地与PWM信号的参考地直接相接而不进行隔离，避免使用隔离器件。
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