主动磁悬浮轴承系统智能开关电源技术方案

本实用新型专利技术涉及一种主动磁悬浮轴承系统智能开关电源。它包括输入整流滤波器、全桥高频开关变换器、高频变压器、输出整流滤波器以及控制电路。220V市电连接所述输入整流滤波器输入端，输入整流滤波器的输出端经全桥高频开关变换器和高频变压器后连接输出整流滤波器的输入端，输出整流滤波器的输出端连接到负载；所述控制电路的输入端连接输出整流滤波器的输出端，而输出端连接全桥高频开关变换器。本实用新型专利技术可以确保在磁悬浮轴承支承的转子高速转动时，能够向功率放大器及时提供所需要的合适电压，当转子的转速改变时，电源的输出电压可以自动进行调整，以适应转子转速的变化要求。本实用新型专利技术具有体积小、重量轻、效率高、发热量低和性能稳定等优点。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术是ー种主动磁悬浮轴承系统智能开关电源。
技术介绍
随着磁轴承应用技术的不断发展，磁轴承系统对其电源的要求也越来越高。目前国内外在磁轴承系统中采用的系统电源和功率放大器主要有以下组合线性电源+线性功放；线性电源+开关功放；开关电源+开关功放。这些组合中，线性电源+线性功放的控制精度是最高的，其缺点是功放器件的发热严重及其电源的利用率极低，仅仅适合于小功率的磁悬浮轴承系统使用。这类组合的特征是当电磁轴承支承的转子在静态吋，负载的阻抗很小(此时电感的感抗不起作用)，因此，功放线性供电电源的电压将全部由功放器件承受，导致发热严重；此时降低电源的电压可以有所改善，但固定的电源电压又不能适应当转子转速升高后的需要(此时电感的感抗将要考虑)。而线性电源+开关功放，以及开关电源+开 关功放均存在信号的中断区间，虽然开关部件的存在可以适当降低发热和提高电源的利用率，但是实践证明这样的设计效果并不明显。对电磁轴承而言，理想的电源应该是这样的当支持的转子处于静止或低转速吋，电源的输出电压应当保持一个较低的数值；而随着转子转速的升高，电源的输出电压也应当逐步升高，其幅度应该是满足相应转速的最佳值。这个时候，功放将无需再用开关功放，传统的线性功放就可以满足要求，而且其发热情况与能源利用率都将能够获得ー个满意的结果。本技术之电源正是可以实现这个目标的电源之一 O目前，主动磁轴承(Active Megnetic Bearing,简称AMB)正在向智能磁轴承(Intelligent Megnetic Bearing,简称IMB)的方向发展,智能磁轴承是ー种可以适应未来机械一般要求的支承部件，它是目前常见的磁轴承“获得”设计者的智慧后构成的ー种新型磁力轴承。其优点是将实时建模、分析计算、自校正控制技术以及系统转子动力学分析计算方法等专业知识“融干”自身，将大部分的专业设计工作转移到通过“在线设计”的手段完成，专业设计人员要进行的产品全部设计工作，只是从应用的角度考虑，在MB的外围部分进行设计即可。随着磁轴承由AMB向MB的发展，现用的电源也有必要根据实际情况做相应的改迸，以适应智能化磁轴承的需要。线性电源，是将市电经过エ频变压器变压，再经过整流输出直流电压；直接整流电源与线性电源工作原理相同，只是在市电和エ频变压器之间增加了调压器。这两种电源的优点是可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音，但其缺点是需要庞大而笨重的エ频变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且效率低、发热量也大。鉴于开关电源与线性电源以及直接整流电源相比具有体积小、重量轻、效率高、发热量低和性能稳定等优点，所以，本技术之电源也是智能磁轴承系统设计的首选。
技术实现思路
本技术的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供ー种主动磁悬浮轴承系统智能开关电源，解决该轴承能源利用率低、功率放大器件热量过大问题。本技术的构思是首先是输入基准源不同于常用开关电源，常用开关电源的基准源需采用精度较高的外界基准源，而且要求具有较高的温度稳定性和较低的噪声等级，一旦输入基准确定，则系统输出PWM占空比也被确定。而本系统的输入基准信号是与磁轴承转子的转速信号相对应的电压信号，当转子转速变化时该信号也不断发生变化。其次是由于本技术是为磁力轴承系统设计的，其控制电路软件系统需采用特定的智能控制算法，根据磁轴承转子的转速信号不断调节输出PWM占空比，达到使输出电压满足磁轴承系统要求的目的。而常用集成PWM控制器无法导入算法，占空比的改变是随输入信号连续变化的，若要满足本技术系统的特定要求，则需对转子信号做模数转换后进行繁琐的数字信号处理，为了满足信号处理的实时性，对系统的硬件提出了更高的要求。鉴于以上分析，采用常用集成PWM控制器无法满足本技术控制电路所要求实现的功能，因此控制电路的设计需以微控制器为核心，导入智能控制算法，在其他外围电路的配合下实现前面提及的所有功能。微控制器的选择对于电源系统的指标有直接的影响，常用的微控制器主要有单片机SCM (Single Chip Micyoco)和数字信号处理器DSP (DigitalSignal Processing)。两者相比，DSP要比SCM的主频高，单指令执行周期也要短得多。·TMS320F2812主频为150MHz，单指令执行周期为6. 67ns ；8051单片机主频仅为12MHz，单指令周期高达1000ns。由于本技术主电路采用全桥高频变换器拓扑结构，若采用8051作为控制电路的核心，则需用多片8051来完成控制电路的设计，采用TMS320F2812的DSP则仅需要一片。此外，TMS320F2812采用了改进的哈佛结构，程序和数据具有独立的存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线，片内含有Flash，大大提高了数据处理能力，适用于实时的数字信号处理。同时其具有很好的兼容性，可以实现与TMS320F24x/LF240x处理器的源代码兼容，更好的实现硬件移植。并且TMS320F2812是ー个结构复杂，指令庞杂的处理器，可同时处理多条指令。因此，本技术采用TMS320F2812芯片为核心进行控制电路的设计。根据上述构思，本技术采用下述技术方案—种主动磁悬浮轴承系统智能开关电源，包括输入整流滤波器、全桥高频开关变换器、高频变压器、输出整流滤波器以及控制电路。220V市电连接所述输入整流滤波器输入端，输入整流滤波器的输出端经全桥高频开关变换器和高频变压器后连接输出整流滤波器的输入端，输出整流滤波器的输出端连接到负载；所述控制电路的输入端连接输出整流滤波器的输出端，而输出端连接全桥高频开关变换器。所述输入整流滤波器的电路是由I个整流桥KBPC3510与第一滤波电容器和第二滤波电容器并联构成。所述全桥高频开关变换器的电路是由第一大功率晶体管、第二大功率晶体管、第三大功率晶体管、第四大功率晶体管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，第三电容、第四电容、第五电容、第六电容组成；所述4个大功率晶体管分成第一大功率晶体管和第二大功率晶体管、第三大功率晶体管和第四大功率晶体管两对分别构成全桥的两臂，所述4个电阻和4个电容分成四对第一电阻和第三电容、第二电阻和第四电容、第三电阻和第五电容、第四电阻和第六电容分别串联再分别并联所述4个大功率晶体管，组成四个能量吸收回路。所述高频变压器是以EE55/21磁心为核心绕制而成。所述输出整流滤波器是由第一快恢复ニ极管、第二快恢复ニ极管、第三快恢复ニ极管和第四快恢复ニ极管构成桥式整流器，而其输出串联第一滤波电感后并联第七滤波电容、第八滤波电容；所述4个快恢复ニ极管都选用30120RHRG，其耐压为1200V，额定电流为30A ;第一滤波电感选用EE55/55/21 ;第七滤波电容、第八滤波电容选用2只220uF/200V的电解电容并行连接，得到的总容量是440uF。所述控制电路是由驱动电路、第二隔离处理器、DSP、光耦隔离处理器、随机存储器、第一隔离处理器和电压电流检测器构成。所述电压电流检测器的输入连接所述输出整流滤波器的输出，而其输出经第一隔离处理器后连接到DSP，所述DSP连接随机存储器，所述光耦隔离处理器输入转子转速信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种主动磁悬浮轴承系统智能开关电源，包括输入整流滤波器（1）、全桥高频开关变换器（2）、高频变压器（3）、输出整流滤波器（4）以及控制电路（5）,其特征在于：220V市电连接所述输入整流滤波器（1）输入端，输入整流滤波器（1）的输出端经全桥高频开关变换器（2）和高频变压器（3）后连接输出整流滤波器（4）的输入端，输出整流滤波器（4）的输出端连接到负载；所述控制电路（5）的输入端连接输出整流滤波器（4）的输出端，而输出端连接全桥高频开关变换器（2）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪希平，郭丽，杨玉敏，樊曼，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：实用新型
国别省市：