磁悬浮轴承开关功率放大器系统建模及控制研究
王
军徐龙祥
磁悬浮轴承开关功率放大器系统建模及控制研究
王军徐龙祥
南京航空航天大学,南京,
210016
摘要:磁悬浮轴承开关功率放大器系统为一非线性系统,开关功率放大器的性能影响磁悬浮轴承控
制系统的稳定性,为此,提出了一种建立磁悬浮轴承开关功率放大器系统模型的方法。在分析三电平功
率放大器工作原理的基础上,对系统中非线性部分进行分析,以相应的傅里叶级数表达式来代替,建立
了非线性网络的传递函数并推导了开关功率放大器闭环系统的稳态数学模型。
MATLAB
软件的仿真
和试验验证结果表明,该系统模型能有效反映开关功率放大器和闭环控制系统的实际工作特性,建模的
方法是可行有效的。
关键词:开关功率放大器;系统模型:磁悬浮轴承;闭环系统
中图分类号:
TN722.
7;
TH133
文章编号
:1004~132X(2010)04
一
0477
一
05
System
Modeling
and
Control
for
Switching
Power
Amplifier
of
Magnetic
Bearings
Wang
J
un
Xu
Longxiang
Nanjing
University
of
Aeronautics
and
Astronautics
,
Nanjing
,210016
Abstract:
Switching
power
amplifier
of
magnetic
bearing
was
a
nonlinear
system.
The
performance
of
the
switching
power
amplifier
affected
the
stability
of
the
magnetic
bearing
control
system.
A
way
of
establishing
the
closed-loop
system
model
of
magnetic
bearing
was
presented.
Based
on
the
analy
sis
of
three
一
level
power
amplifier
principle
,
the
nonlinear
circuit
model
was
replaced
by
using
Fourier
series
and
the
transfer
function
of
the
nonlinear
net
was
established.
A
closed
一
loop
system
math
model
of
three
一
level
power
amplifier
was
obtained.
The
model
was
verified
by
MATLAB
simulations
and
experiments.
The
results
show
that
the
deduced
system
model
can
effectively
reflect
the
actual
characteristics
of
control
system
for
three
-level
power
amplifier
and
the
proposed
model
is
feasible
and
effective.
Key
words:
switching
power
amplifier;
system
model;
magnetic
bearing;
closed-loop
system
O
引言
磁悬浮轴承由于无机械摩擦、损耗小、无润滑
的特点而适用于高速旋转的场合
[HJ
。磁悬浮轴
承改变了传统的支承形式,提高了工作效率,广泛
应用在透平膨胀机、高速电机
[3J
和元轴承电机[
4-6 J
等高新技术领域。磁悬浮轴承开关功率放大器的
作用是控制电磁线圈的电流以产生相应的电磁
力,需要根据控制器信号转换成不失真的电流信
号,其性能对磁悬浮轴承系统控制效果有显著影
响,因此建立开关功率放大器数学模型成为理论
分析磁悬浮轴承控制系统的关键
[7-9J
。目前磁悬
浮轴承开关功率放大器系统的分析方法有两种:
一种是基于仿真软件建立的开关功率放大器模
型
[10-1
飞如利用
Simulink
中的电力系统模型库和
电路仿真软件
PSPICE
建立的仿真模型。这种方
法的缺点是没有建立清晰的物理概念,不能用于
收稿日期:
2009-04-28
基金项目:国家自然科学基金资助项目
(50437010);
国家
863
高
技术研究发展计划资助项目
(2006AA05Z205)
;江苏省"六大人
才高峰"资助项目
(07
一
0-013)
指导功率放大器设计;另外一种方法是简化开关
功率放大器模型
[1
飞采用近似一阶惯性环节作为
实际的功率放大器模型,但是开关功率放大器本
质是一个非线性的系统,这种近似的模型不能完
全反映开关功率放大器的特性。
磁悬浮轴承功率放大器有两电平和三电平两
种形式。两电平功率放大器应用广泛,但是其电
流纹波大,取代它的是三电平功率放大器。三电
平功率放大器电流纹披小,非常适合用于高精度
的磁悬浮轴承系统。本文以三电平功率放大器为
例,在分析开关功率放大器三电平控制工作原理
的基础上
[1416]
,以傅里叶级数表达式来代替功率
放大器非线性部分,推导系统各部分数学模型,建
立了开关功率放大器的闭环传递函数。
1
开关功率放大器问环系统
开关功率放大器主要由
PI
控制器、
PWM
调
制器、功率主电路和电流反馈环节组成,开关功亘在
放大器控制系统框图见图
10
PI
调节器对参考信
号
U
,
ef(S)
与反馈信号
Uf
(S)
相减所得的误差信号
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