磁轴承开关功率放大器控制策略研究

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为提高开关功放的集成度从而降低磁悬浮轴承控制系统的成本和功耗,本文研究了五相六桥臂开关功放及其控制策略,该拓扑可以实现磁悬浮轴承五自由度悬浮,节省了开关功放系统开关管的数量以及数字控制IO接口。对磁悬浮系统而言,电流型开关功放相对于电压型开关功放更容易使系统达到稳定,因此本文主要研究电流型开关功放。本文主要研究了一种非线性电流控制策略即最大电流误差采样保持控制,该控制方法可以推广到任意多桥臂开关功放控制中。最大电流误差采样保持控制中,分别对公共桥臂和负载桥臂进行控制,其中公共桥臂采用最大电流误差控制,负载桥臂采用采样保持控制,通过公共桥臂控制策略的改进最大程度解决了六桥臂开关功放五路输出电流相互干扰的问题。在上述研究基础上基于五相六桥臂拓扑研究了三种适用于该拓扑的控制策略,一种线性控制,两种非线性控制,对比分析了线性控制和非线性控制的优缺点。其中线性控制为基于PID控制的节点电位控制法,非线性控制分别为最大电流误差滞环控制,可变占空比采样保持控制。节点电位控制法中,通过控制各个桥臂的节点电位来控制各相输出电流,此种方法的优点在于实现简单,电流纹波小,缺点在于PID参数受负载参数影响。最大电流误差滞环控制在保持公共桥臂最大电流误差调节方案不变的情况下,其余5个桥臂采用两态滞环比较器来调节,相比于采样保持控制省去了D触发器,简化了六桥臂功放的控制,但是负载桥臂的开关频率受母线电压、电流环宽、电感等参数影响。可变占空比采样保持控制结合了线性控制和非线性控制的优点,公共桥臂占空比可以根据负载电流变化需要在0~1之间变化,减小电流纹波,提高控制精度的同时对负载适应能力较强。本文在仿真验证的基础上,运用数字控制器搭建了基于CPLD的原理样机,并对其进行了实验。仿真和实验均表明:基于五相六桥臂拓扑的开关功放输出五路独立的电流均能跟踪给定电流,具有电流纹波小,动态响应快,受负载参数影响小的优点。
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