一种用于电磁轴承开关功率放大器的分析方法技术

一种用于电磁轴承开关功率放大器的分析方法，该发明专利技术是一种能够用来对电磁轴承开关功率放大器系统负载线圈中的输出电流特性进行分析的方法。通过将实际电磁轴承开关功率放大器系统进行等效，并根据功率主电路的开关函数模型得到脉宽调制发生器的非线性模型，再利用谐波线性化原理将脉宽调制发生器进行谐波线性化处理。本发明专利技术实现了本质是一个非线性系统的电磁轴承开关功率放大器的谐波线性化，其不但可以简化对电磁轴承开关功率放大器系统的分析，而且也可以准确描述电磁轴承开关功率放大器的输出电流特性，给电磁轴承控制系统的稳定性分析也带来相当的便利。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电磁轴承开关功率放大器系统的分析方法，用于电磁轴承开关功率放大器的电流输出特性分析。
技术介绍
电磁轴承是一种高科技机电一体化产品，它具有高转速、无摩擦、长寿命、无需润滑、无污染等优点，在航空航天、高速机床、涡轮机械和离心机、真空及超净室技术等领域具有广泛的应用前景。功率放大器作为电磁轴承控制系统的执行器，其性能将直接影响电磁轴承控制系统的稳定性。在对电磁轴承开关功率放大器进行分析时，现有技术方法都是将电磁轴承开关功率放大器等效为一阶惯性环节。用一阶惯性环节近似电磁轴承开关功率放大器，虽然可以简化电磁轴承开关功率放大器的分析模型，但是并不能反映实际系统的输出特性。实际上，电磁轴承开关功率放大器的输出特性不仅受到输入信号频率的影响，而且受到输入信号幅度的影响。当输入信号的频率过高或幅度过大时，电磁轴承开关功率放大器的输出电流均不能完全跟随输入信号的变化，而是表现为输出电流滞后于输入信号的变化。因此，现有技术方法的缺点是没有考虑电磁轴承开关功率放大器的非线性特性，而是利用分析线性系统所采用的传递函数模型方法来分析电磁轴承开关功率放大器这一非线性系统。这种近似处理方法并不能完全反映实际系统的输出电流特性，造成了实际系统模型不准确的结果，最终会影响电磁轴承控制系统稳定性分析结果的可信度。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术方法的不足，提供一种直观且反映实际系统特性的电磁轴承开关功率放大器控制系统的分析方法，采用该方法得到的电磁轴承开关功率放大器的分析模型能更精确地逼近实际系统，且步骤简单，最终的分析结果同实际测试结果的一致性好。本专利技术的技术解决方案是，其特征在于包括下列步骤(1)将实际电磁轴承开关功率放大器系统进行等效将实际电磁轴承开关功放系统中电流控制器和电磁轴承负载线圈之间的信号处理电路等效为脉宽调制发生器。实际电磁轴承开关功放系统经过等效后，由电流控制器、脉宽调制发生器、电磁轴承负载线圈以及电流传感器共四个环节组成。(2)建立脉宽调制发生器的非线性模型脉宽调制发生器的非线性模型为uAB(t)=U,kT≤t<kT+tk-U,kT+tk<t≤(k+1)T]]>tk=T2+T2sat(ur(kT)A)]]>sat(x)=x,|x|<1±1,|x|≥1]]>式中U表示直流母线电源电压；T表示锯齿载波信号的周期；A表示锯齿载波信号的幅值；tk表示区间里电磁轴承线圈两端的输出电压uAB(t)的切换时刻，k＝0，1，2，…。(3)建立脉宽调制发生器的谐波线性化模型脉宽调制发生器的谐波线性化的模型为uAB(t)≈UAur(kT)+]]>其中ω=2πT]]> a1=-2Uπsin]]>b1=2U+2Ucosπ]]>式中uT(kT)表示脉宽调制信号发生器的输入信号，ω为一次谐波的角频率。(4)建立电磁轴承开关功率放大器分析模型，并对电磁轴承开关功率放大器的电流输出特性进行分析。建立电磁轴承开关功率放大器分析模型的步骤如下(a)电流控制器的传递函数为Gpi(s)=Kpiτs+1τs,]]>Kpi为比例积分电流控制器比例部分的放大系数，τ为比例积分电流控制器的积分时间常数；(b)脉宽调制发生器的谐波线性化模型由上述步骤(3)给出；(c)电磁轴承负载线圈的传递函数为Gcoil(s)=1Ls+R,]]>L和R分别为电磁轴承线圈的等效电感和等效电阻；(d)电流传感器的传递函数为Gcm(s)＝Kui，Kui为电流传感器增益系数。电流控制器、脉宽调制发生器、电磁轴承负载线圈和电流传感器4个环节的数学模型共同组成了电磁轴承开关功率放大器的分析模型。本专利技术与现有技术相比的优点在于本专利技术考虑到电磁轴承开关功率放大器的非线性特性，并将造成系统非线性特性的脉宽调制发生器实施谐波线性化处理，实现了电磁轴承开关功率放大器的谐波线性化分析。本专利技术方法克服了现有技术方法采用线性模型近似实际非线性系统的缺点，采用本专利技术方法得到的电磁轴承开关功率放大器的分析模型能更精确地逼近实际系统。本专利技术实施步骤简单，最终的分析结果同实际测试结果的一致性好。附图说明图1为本专利技术的流程图； 图2为本专利技术的电磁轴承开关功率放大器系统结构框图；图3为本专利技术的脉宽调制信号发生器的谐波线性化模型图；图4为本专利技术的电磁轴承开关功率放大器分析模型；图5为本专利技术的电磁轴承开关功率放大器电流输出特性曲线图；图6为电磁轴承开关功率放大器的实验曲线图。具体实施例方式结合一种电磁轴承开关功率放大器系统介绍本专利技术的具体内容。本专利技术方法实施的步骤如图1所示。(1)将实际电磁轴承开关功率放大器系统进行等效实际电磁轴承开关功率放大器系统经过等效后，其系统结构框图如图2所示，主要由电流控制器1、脉宽调制发生器2、电磁轴承负载线圈3以及电流传感器4共四个环节组成；电流传感器4检测到电磁轴承负载线圈3中的实际电流信号，该信号和电流给定信号所产生的电流误差信号输入至电流控制器1；电流控制器1产生的经过调节后的电流误差信号输入至脉宽调制发生器2；脉宽调制发生器2的输出电压脉冲信号直接加在电磁轴承负载线圈两端，从而控制电磁轴承负载线圈中的电流。(2)建立脉宽调制发生器的非线性模型为了便于建立脉宽调制发生器的非线性模型，定义全桥功率主电路的开关函数。对于全桥功率主电路，每个桥臂上的两个功率开关管交替导通与关断，引入开关函数S1和S2，分别定义如下 根据开关函数定义，电磁轴承线圈两端的输出电压uAB(t)可以表示为uAB(t)＝S1U-S2U＝(S1-S2)U通常对全桥功率主电路进行控制时，功率开关管VT1、VT4同时导通或同时关断，VT2、VT3亦同时导通或同时关断，而功率开关管VT1、VT2则交替导通与关断。因此，开关函数S1和S2满足 式中uc(t)表示锯齿载波信号，ur(t)表示脉宽调制发生器的输入信号。根据全桥功率主电路的开关函数的定义，得到脉宽调制信号发生器的输出电压uAB(t)和脉宽调制信号发生器的输入电压ur(t)的关系表达式uAB(t)=U,kT≤t<kT+tk-U,kT+tk<t≤(k+1)T]]>tk=T2+T2sat(ur(kT)A)]]>sat(x)=x,|x|<1±1,|x|≥1]]>式中T表示锯齿载波信号的周期；A表示锯齿载波信号的幅值；tk表示区间里电磁轴承线圈两端的输出电压uAB(t)的切换时刻。(3)建立脉宽调制发生器的谐波线性化模型假设脉宽调制信号发生器的输入信号为ur(t)，其频率远低于载波信号频率f(f＝1/T)，将脉宽调制信号发生器的输出信号uAB(t)进行傅立叶级数展开，得uAB(t)=a02+Σn=1∞]]>式中ω=2&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电磁轴承开关功率放大器的分析方法，其特征在于包括下列步骤：（１）将实际电磁轴承开关功率放大器系统进行等效；将实际电磁轴承开关功放系统中电流控制器（１）和电磁轴承负载线圈（３）之间的信号处理电路等效为脉宽调制发生器（２ ），实际电磁轴承开关功放系统经过等效后，由电流控制器（１）、脉宽调制发生器（２）、电磁轴承负载线圈（３）以及电流传感器（４）共四个环节组成；（２）建立脉宽调制发生器的非线性模型；（３）建立脉宽调制发生器的谐波线性化模型； （４）建立电磁轴承开关功率放大器分析模型，并对电磁轴承开关功率放大器的电流输出特性进行分析。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，张亮，刘刚，刘虎，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]