磁懸浮軸承數(shù)字功率放大器的研究

1、.PAGE ;PAGE 6磁懸浮軸承數(shù)字功率放大器的研究*常肖1 徐龍祥1 董繼勇2（1南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 中國，210016 2南京磁谷科技有限公司，南京 中國，210000）摘 要：本文研制了基于DSP和FPGA的三電平磁懸浮軸承數(shù)字功率放大器。用DSP芯片取代模擬電路進(jìn)行PI調(diào)節(jié)、三角載波產(chǎn)生以及負(fù)載線圈驅(qū)動信號PWM波的產(chǎn)生，通過DSP內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)PWM占空比在線調(diào)節(jié)，并給出了采用FPGA對驅(qū)動信號PWM波進(jìn)行移相180的方法，實現(xiàn)了三電平的數(shù)字功率放大器。將此數(shù)字功率放大器應(yīng)用于五自由度磁懸浮軸承試驗臺，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的靜態(tài)穩(wěn)定懸浮，靜態(tài)懸浮時轉(zhuǎn)子振動的峰峰值小于5m。關(guān)鍵詞

2、：磁懸浮軸承；數(shù)字功率放大器；DSP；FPGA；PWMResearch on Digital Power Amplifier of Active Magnetic Bearing Chang Xiao1 Xu Longxiang1 Dong Jiyong2(1 College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanning 210016, China 2 Nanning Cigu Company, Nanning 210000, China

3、)Abstract: The three-level digital power amplifier based on DSP and FPGA of the active magnetic bearing is researched in this paper, the DSP chip is used to replace the analog circuit to generate the PWM wave which is used to drive the load winding, the PWM waves duty cycle is modulated through the

4、internal program, the method of making phase shift of the PWM wave of the drive signal through FPGA is also given in this paper and the three-level digital power amplifier is achieved through this method. The rotor is suspended statically while the peak value of the rotors vibration is less than 5m

5、on the base of five-degree-of-freedom of active magnetic bearing through this digital power amplifier.Key words: Active magnetic bearing；Digital Power amplifier；DSP；FPGA, PWM0 引言磁懸浮軸承的功率放大器是磁懸浮軸承系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分，是影響磁懸浮軸承穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一1，同時對整個系統(tǒng)的動態(tài)性能起著重要的作用，嚴(yán)重制約著控制器的設(shè)計效果2。所以，磁懸浮軸承的功率放大器需滿足效率高、電流紋波小、響應(yīng)快以及可靠性高等幾

6、個要求。按照實現(xiàn)形式的不同，磁懸浮軸承功率放大器分為模擬功率放大器和數(shù)字功率放大器。模擬功率放大器是應(yīng)用模擬運(yùn)算電路搭建起來的控制系統(tǒng)來驅(qū)動功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生電流的。其中，三角波產(chǎn)生電路、PI調(diào)節(jié)電路、PWM波產(chǎn)生電路都是由模擬器件來完成的，因此，模擬功率放大器體積一般較為龐大，復(fù)雜程度高，降低了系統(tǒng)的可靠性，模擬器件存在的溫漂和零漂也會降低功率放大器的精度，而且控制算法是由模擬器件實現(xiàn)的，如果需要改進(jìn)算法往往要對硬件電路進(jìn)行修改，不利于磁懸浮軸承系統(tǒng)的調(diào)試，也給功率放大器其他控制策略的試驗研究帶來了一定的難度。數(shù)字功率放大器是通過AD轉(zhuǎn)換將磁懸浮軸承負(fù)載線圈的電流信號以及控制器輸出到功率放大器

7、的控制信號數(shù)字化，功率放大器的CPU對轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理，進(jìn)而產(chǎn)生驅(qū)動信號PWM波來驅(qū)動磁懸浮軸承的負(fù)載線圈，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮或高速旋轉(zhuǎn)所需的電流。其優(yōu)點是系統(tǒng)簡單、體積小、可靠性高、可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制方案3，并且可以進(jìn)行大量額外任務(wù)的處理。國內(nèi)很多高校對磁懸浮軸承的數(shù)字功率放大器做了研究工作，武漢理工大學(xué)成功研制了基于TMS320F2407 DSP的磁懸浮主軸功率放大器，采用五塊DSP作為此數(shù)字功率放大器的CPU分別對磁懸浮軸承的五個自由度進(jìn)行控制4，實現(xiàn)了磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。西安交通大學(xué)研制的基于兩塊TMS320F240 DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)也已經(jīng)成功應(yīng)用于磁懸浮軸承系

8、統(tǒng)5，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。1 磁懸浮軸承功率放大器的工作原理一般情況下，磁懸浮軸承功率放大器的功率轉(zhuǎn)換電路采用半橋主電路來產(chǎn)生單向電流，如圖1所示。圖中，Vref 為控制器輸入到功率放大器中的參考信號， I為線圈中的電流大小，e(t)為參考信號與反饋電流的差值，T1、T2分別表示半橋主電路的上橋臂和下橋臂驅(qū)動信號。圖1 功率放大器半橋控制原理圖在三電平功率放大器中，PWM發(fā)生器根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生兩路不同的驅(qū)動信號PWM波，分別來驅(qū)動功率放大器半橋主電路中的兩只功率管。功率放大器根據(jù)參考信號Vref來調(diào)整驅(qū)動信號PWM波的占空比，從而控制負(fù)載線圈中電流的大小。當(dāng)反饋的電流值小于給定的

9、參考值時，e(t) 0，驅(qū)動波形T1、T2占空比大于50%，在上下橋臂同時導(dǎo)通時，線圈中流過驅(qū)動電流，線圈電流I增大；當(dāng)反饋的電流值等于給定的參考值時，e(t)=0，驅(qū)動波形T1、T2占空比等于50%，線圈通過半橋主電路的二極管D1或D2續(xù)流，線圈中的電流既不增大也不減?。划?dāng)反饋的電流值大于給定的參考值時，e(t) 0，驅(qū)動波形T1、T2占空比小于50%，在上下橋臂同時關(guān)斷時，半橋主電路的兩個二極管D1和D2同時導(dǎo)通，線圈中電流減小6。半橋主電路工作過程中，負(fù)載線圈的驅(qū)動波形及電流波形如圖2所示：圖2 半橋驅(qū)動波形及三電平電流原理圖綜上所述，磁懸浮軸承三電平功率放大器工作時，就是通過這幾種狀態(tài)

10、之間的相互轉(zhuǎn)換，使得線圈中的電流增大、減小或續(xù)流來跟蹤控制器給定的參考信號工作的7。2 三電平數(shù)字功率放大器的實現(xiàn)方法分析由圖1可以看出，磁懸浮軸承中一組負(fù)載線圈需要兩路不同的PWM波來分別驅(qū)動半橋主電路的兩個功率管，五自由度的磁懸浮軸承共有十組線圈，那么就需要20路不同的PWM波。本文總結(jié)出了以下幾種三電平控制策略的實現(xiàn)方法：（1）完全利用DSP內(nèi)部資源。這種方式下，CPU在中斷程序中計算出每個PWM波所需要的占空比，從而產(chǎn)生連續(xù)的PWM波，并通過DSP的通用I/O引腳輸出。這種方法目前較少采用，其缺點是產(chǎn)生PWM波需要CPU參與工作，占用了DSP的大量資源，使得DSP的實時運(yùn)行能力下降，不

11、利于整個系統(tǒng)的控制8。（2）完全利用DSP的PWM模塊。通過配置DSP中兩個比較寄存器的值，可以獲得兩路不同的PWM波，從而完成一組負(fù)載線圈的驅(qū)動，一塊DSP中只有12個比較寄存器，因此不能同時完成五自由度磁懸浮軸承功率放大器部分的控制，可采用兩塊DSP進(jìn)行分散控制，一塊控制三個自由度，另一塊控制兩個自由度，但是這樣造成了DSP資源的浪費(fèi)，同時降低了系統(tǒng)的可靠性。（3）由DSP中PWM模塊中每個全比較單元產(chǎn)生的PWM波分別控制十組負(fù)載線圈的上橋臂，然后根據(jù)對應(yīng)每個橋臂，通過外部增加數(shù)字邏輯電路的方法來實現(xiàn)PWM驅(qū)動波形的移相180，從而控制對應(yīng)的下橋臂。這種方法的控制策略與第二種方法相同，代價

12、就是要增加外圍電路。綜上所述，本文總結(jié)出了一種實現(xiàn)五自由度磁懸浮軸承三電平數(shù)字功率放大器的方法：由DSP產(chǎn)生十路不同的PWM波完成磁懸浮軸承十組負(fù)載線圈上橋臂的驅(qū)動，通過數(shù)字邏輯芯片F(xiàn)PGA（FieldProgrammable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）對每組線圈上橋臂驅(qū)動波形進(jìn)行移相180即驅(qū)動波形周期的一半，移相后的PWM波驅(qū)動所對應(yīng)的下橋臂，移相180后的PWM波與未移相的PWM波占空比完全一致，只是在相位上滯后了180，這樣的兩路PWM波相結(jié)合，就可以完成一組負(fù)載線圈的驅(qū)動。這種基于DSP和FPGA的三電平數(shù)字功率放大器的原理如圖3所示：圖3 數(shù)字功率放大器原理圖在此數(shù)字

13、功率放大器中，DSP芯片完成PI調(diào)節(jié)和驅(qū)動信號PWM波的產(chǎn)生，PWM波的占空比可在線調(diào)節(jié)，取代模擬功率放大器中的三角波產(chǎn)生電路、PI調(diào)節(jié)電路和PWM波產(chǎn)生電路。 FPGA完成驅(qū)動信號PWM波的移相，實現(xiàn)三電平功率放大器對電流的實時控制。與之前的數(shù)字功率放大器相比，本文研制的數(shù)字功率放大器只采用了一塊DSP就可以實現(xiàn)五個自由度的同時控制，提高了系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約資源，實現(xiàn)簡單且易于調(diào)試。下面結(jié)合DSP內(nèi)部資源結(jié)構(gòu)和半橋驅(qū)動原理來說明此磁懸浮軸承數(shù)字功率放大器中驅(qū)動信號PWM波的實現(xiàn)策略。本論文所研制的數(shù)字功率放大器采用TI公司最新推出的32位浮點高性能DSP控制器TMS320F28335 DSP

14、作為核心處理器，它彌補(bǔ)了浮點DSP芯片TMS320VC33和定點DSP芯片TMS320F2812各自的不足，同時具有了浮點運(yùn)算功能和專門的PWM產(chǎn)生模塊以及內(nèi)置AD模塊。此數(shù)字功率放大器中采用TMS320F28335 DSP完成PI調(diào)節(jié)從而產(chǎn)生所需占空比的驅(qū)動信號PWM波，用DSP芯片取代了模擬功率放大器中的部分硬件電路。此DSP芯片在5.33s的時間內(nèi)即可實現(xiàn)單路PI調(diào)節(jié)進(jìn)而產(chǎn)生負(fù)載線圈驅(qū)動信號PWM波，因此將此數(shù)字功率放大器應(yīng)用于功放開關(guān)頻率為25KHz的五自由度磁懸浮軸承控制箱，完全可以滿足要求。選用TMS320F28335 DSP的EPWM模塊產(chǎn)生PWM波，可產(chǎn)生非對稱和對稱的PWM波

15、形。當(dāng)產(chǎn)生非對稱PWM波形時，定時器被設(shè)置為連續(xù)遞增模式，其周期寄存器被賦予一個與所需的PWM載波周期相對應(yīng)的值。在定時器的每個周期內(nèi)，EPWM模塊的比較寄存器的值與對應(yīng)定時器的值比較，當(dāng)發(fā)生比較匹配后，會在相應(yīng)的EPWM模塊的輸出產(chǎn)生PWM信號，如圖4所示：圖4 非對稱PWM波產(chǎn)生原理圖當(dāng)產(chǎn)生對稱PWM波形時，定時器工作在連續(xù)遞增遞減計數(shù)模式。這時定時器周期值應(yīng)為PWM的開關(guān)周期的二分之一。對稱PWM波形的特點是其調(diào)制脈沖是關(guān)于每個PWM周期對稱的，在對稱PWM波形的發(fā)生過程中，一個PWM周期內(nèi)有兩次比較匹配：一次是在周期匹配前的遞增計數(shù)期間，另一次是在周期匹配后的遞減計數(shù)期間。EPWM模塊

16、會在相應(yīng)的輸出口產(chǎn)生PWM波，波形如圖5所示：圖5 對稱PWM波產(chǎn)生原理圖本文應(yīng)用的是對稱PWM波發(fā)生器原理，即載波為三角波的方法產(chǎn)生PWM波。因為在采用非對稱PWM方法產(chǎn)生原理（即載波為鋸齒波方法）時，在電平切換時電流波形上會產(chǎn)生毛刺，即在控制半橋主電路時，每結(jié)束一個PWM周期，PWM波必定會出現(xiàn)一次電平轉(zhuǎn)換，續(xù)流狀態(tài)時會出現(xiàn)從上橋臂切換到下橋臂、或者從下橋臂切換到上橋臂的狀態(tài)，而在此切換過程當(dāng)中會因為開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時間不對稱產(chǎn)生電流紋波。所以綜合考慮本文采用了對稱PWM波產(chǎn)生方法，不會出現(xiàn)續(xù)流狀態(tài)切換的現(xiàn)象，電流紋波比較小。利用DSP產(chǎn)生PWM波，EPWM模塊的設(shè)置很關(guān)鍵。PWM波的時

17、間基準(zhǔn)由EPWM模塊的定時器提供，可以通過DSP內(nèi)部軟件的配置達(dá)到各個EPWM模塊時基同步的效果。當(dāng)EPWM模塊的比較操作被使能時，定時器的值不停地與比較寄存器的值比較，當(dāng)比較匹配后，PWM輸出引腳上的輸出電平將發(fā)生變化，產(chǎn)生所需占空比的PWM波，所產(chǎn)生PWM波的頻率由定時器的周期寄存器來決定，占空比則隨比較寄存器值的改變而改變。當(dāng)比較寄存器的值在規(guī)定范圍內(nèi)變化時，DSP可以產(chǎn)生占空比從0%到100%變化的PWM波。DSP在其軟件部分計算出線圈中電流值與參考值的偏差，通過PI算法得出驅(qū)動信號的占空比，從而控制比較寄存器的值，只需通過配置比較寄存器的值就可產(chǎn)生所需占空比的驅(qū)動信號PWM波，這種方

18、法方便靈活， TMS320F28335 DSP強(qiáng)大的EPWM模塊給此數(shù)字功率放大器的研究帶來了很大的方便，而且此DSP芯片的浮點功能使得程序編寫中無需IQ格式的轉(zhuǎn)換，其自帶的AD模塊，使系統(tǒng)簡單、抗干擾能力強(qiáng)。在DSP產(chǎn)生所需占空比的驅(qū)動信號PWM波的基礎(chǔ)上，F(xiàn)PGA利用移位寄存器對PWM波進(jìn)行移相，移相原理如圖6所示：圖6 移相原理圖n位移位寄存器的最低位接輸入FPGA的PWM信號，最高位信號作為移相后的PWM信號輸出，每一次時鐘到來時，每位的值左移一位，這樣輸入信號經(jīng)過n個時鐘的位移后輸出，此輸出信號和輸入信號就會有個相位差，移相時，相角的大小可以通過移位寄存器的位數(shù)和時鐘的頻率來控制。本

19、文采用上述原理可以通過FPGA芯片成功實現(xiàn)PWM波移相180，圖7為具體的試驗圖，從圖中可以看出，此方法的移相精度較高。圖7 FPGA對PWM波移相波形圖FPGA具有豐富的I/O口資源、強(qiáng)大的邏輯實現(xiàn)能力，利用此芯片進(jìn)行系統(tǒng)移相電路的軟、硬件開發(fā)設(shè)計，移相電路的參數(shù)可以通過軟件來調(diào)節(jié)，靈活方便且移相精度高。因此，一塊DSP 和一塊FPGA相結(jié)合便可以完成五自由度磁懸浮軸承功率放大器的控制，實現(xiàn)了三電平的數(shù)字功率放大器。3 試驗結(jié)果分析本文采用上述控制策略研制了基于DSP和FPGA的三電平數(shù)字功率放大器，控制了磁懸浮軸承負(fù)載線圈電流的實時變化，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。下面討論此數(shù)字功率放大器在實現(xiàn)

20、磁懸浮軸承負(fù)載線圈電流控制方面的性能。該數(shù)字功率放大器驅(qū)動波形的開關(guān)頻率為25KHz，母線電壓為200V，最大輸出電流為4A。圖8為此數(shù)字功率放大器輸出為直流2A時的電流波形圖及負(fù)載線圈驅(qū)動信號PWM波的波形圖。圖8 數(shù)字功率放大器跟蹤直流信號如圖8所示，示波器通道1對應(yīng)于DSP產(chǎn)生的PWM驅(qū)動波形，通道2對應(yīng)于經(jīng)過FPGA移相處理的PWM驅(qū)動波形，通道3對應(yīng)于負(fù)載線圈的電流波形，可以看出，通過數(shù)字功率放大器的實時控制，可以使負(fù)載線圈電流穩(wěn)定在2A。 接下來討論此數(shù)字功率放大器的動態(tài)性能。圖9 數(shù)字功率放大器跟蹤正弦信號數(shù)字功率放大器的輸入信號是一個偏置為0V、幅值為10V、頻率為400Hz的

21、正弦波電壓信號，輸出為負(fù)載線圈的驅(qū)動電流。由圖9可以看出，本文所研制的數(shù)字功率放大器能較好地跟蹤此輸入信號，信號失真小，可以適用于普通的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)。將此數(shù)字功率放大器應(yīng)用于五自由度磁懸浮軸承試驗臺，實現(xiàn)了磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，由于傳感器信號處理電路的輸出電壓范圍是0+5V，穩(wěn)定懸浮時，其輸出電壓應(yīng)在2.5V附近，此時轉(zhuǎn)子處于磁懸浮軸承的中心位置。本設(shè)計中，將轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮時負(fù)載線圈的偏置電流通過軟件設(shè)置為了2A，因此穩(wěn)定懸浮時，負(fù)載線圈的電流應(yīng)為2A。下圖為數(shù)字示波器抓取的靜態(tài)懸浮試驗波形。圖10 靜態(tài)懸浮時電流和位移波形圖從圖10中可看出位移信號電壓曲線峰峰值小于100mV，本文采

22、用的傳感器靈敏度為20mV/m，因此靜態(tài)懸浮時轉(zhuǎn)子振動的峰峰值小于5m。4 結(jié)論本文主要研究討論了三電平磁懸浮軸承數(shù)字功率放大器的工作原理及其三電平控制策略的實現(xiàn)方法。從DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，詳細(xì)分析了DSP數(shù)字功率放大器的控制原理，為了實現(xiàn)三電平功率放大器的控制策略，總結(jié)出了一種經(jīng)濟(jì)可靠的方法，采用FPGA進(jìn)行驅(qū)動信號PWM波的移相，并且研制成功了這種基于DSP、FPGA的數(shù)字功率放大器，此功率放大器的體積比傳統(tǒng)的模擬功率放大器小，并且可以通過改變DSP、FPGA的程序來調(diào)整功率放大器的控制算法以及控制參數(shù)。由具體的試驗結(jié)果可以看出，此數(shù)字功率放大器達(dá)到了磁懸浮軸承功率放大器基本性能的要求，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。磁懸浮軸承的負(fù)載是電感，因此本文所研制的數(shù)字功率放大器可推