磁悬浮球用PWM开关型功率放大器

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Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol . 22 No. 2 2005 机电工程 2005 年 第 22 卷 第 2 期
[5 ] Vavilov V , Grinzato E , Bison P G, et al. Surface transient temperature inversion for hidden corrosion characterization : theory and application[J ] . Int J Heat Mass Transfer , 1996 , 39 (2) : 3352371.
GL ( S) = 1 (来自百度文库R + LS) ,则系统的闭环传递函数为 :
G( S)
=
1
K/ ( R + K/ (
+ R
LS) + LS)
=
R
K +
· K1
1 + TaS
(11)
Ta
=
R
L +
K
(12)
(2) 采用电流反馈校正
设 GF ( S) = KP + Kd ·S ,则系统的闭环传递函
数为 :
G( S)
机电工程 2005 年 第 22 卷 第 2 期 Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol . 22 No. 2 2005
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磁悬浮球用 PWM 开关型功率放大器
袁开茂 ,林小玲
(上海大学 自动化系 ,上海 20072)
双向流动 ,开关管 T1 、T4 同时通断 ,T2 、T3 同时通断 。 图 2 给出了负载电压和电流波形 。
1 主电路及其工作情况分析
开关功放的主电路及其相关波形如图 1 和图 2 所示 。为了使电磁铁中的电流有尽可能快的响应速 度 ,主电路采用全桥结构 ,负载电磁铁中的电流可以
图 1 开关功放主电路
械工业出版社 ,2000. [2 ] 康华光. 电子技术基础 (第 3 版) [M] . 北京 :高等教育出
益减小 ,这可以由功放的增益补偿环节加以补偿 。由
于微分环节对高频噪声信号的敏感性 , 从稳定的角
度出发 ,实际应用的反馈校正环节的传递函数为 :
GF ( S )
=
Kp
+1
Kd ·S + Td ·S
, 对微分环节的带宽加以
限制 , Td 为微分环节时间常数 。
4 功率放大器的制作及实验结果
笔者制作了一套 PWM 型开关功率放大器 ,三 角波 的 频 率 为 25kHz , 幅 度 为 ±15V ; 功 率 管 采 用 IRFP450 ,驱动芯片采用 IR2110 ,快恢复二极管采用 IXYS 公司的 DSEI12 - 06 ;电磁铁电阻为 4Ω ,电感为 92mH。为了实现功放的高低压隔离 ,我们选用了高 速光耦 6N137 和北京 LEM 公司生产的 LTS25 - NP 型霍尔电流传感器 。
即:
d i0/ d t + Ri0/ L - Vp/ L = 0
(6)
解此微分方程得 :
i0 = Vp (1 - e - R ( t - t1) / L ) / R + I02 e - R ( t - t1) / L (7)
当 t = T 时 , i0 = I01 ,代入上式得 :
I01 = Vp (1 - e - R ( t - t1) / L ) / R + I02 e - R ( t - t1) / L (8)
工业出版社 ,1992 ,1352136. [2 ] 董其国. 红外诊断技术在电力设备中的应用 [ M ] . 北
京 :机械工业出版社 ,1998 ,127. [3 ] 陈 衡 ,侯善敬. 电力设备故障红外诊断 [M] . 北京 :中
国电力出版社 ,1989 ,5213.
[4 ] 梅 林 ,陈自强 ,王裕文 ,于德弘. 脉冲加热红外热成像 无损检测的有限元模拟及分析 [J ] . 西安交通大学学 报 ,2000 ,34 (1) :66270.
文章编号 :1001 - 4551 (2005) 02 - 0029 - 03
A PWM Power Amplifier for Magnetic Levitation Ball System YUAN Kai2mao , LIN Xiao2ling
( Department of Automation , Shanghai University , Shanghai 20072 , China) Abstract : The main circuit’s working conditions of a magnetic levitation ball’s power amplifier is analyzed. A useful circuit to regulate dead - time is proposed . From the point view of control strategy , the paper puts forward the method of current feedback correction to reduce time constant Ta. At last , experimental results are presented. Key words : magnetic levitation ; power amplifier ; dead2time ; feedback correction
图 7 正弦波频率为 20Hz
图 8 正弦波频率为 600Hz
5 结束语
由单稳态芯片 74121 和 74LS08 形成的死区调节 电路工作可靠 ,死区时间易于调整 ;采用电流馈校正 , 能有效地改善系统的动态响应 ,扩展功放的频带。
参考文献 : [1 ] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统 (第 2 版) [M] . 北京 :机
功放的直流电源电压为 100V ,主要性能指标 : 额定输出电流 2. 7A ,最大输出电流 9A 。不采用电 流反馈校正时 ,功放的带宽只有 60Hz ; 采用电流反 馈校正后 ,功放的带宽可达 700Hz 。图 7 和图 8 分别 给出了在 20Hz 和 600Hz 单位正弦输入信号下的输 出电流波形 (幅值为 1. 3A) 。从波形中可以看出 ,输 出波形能很好的跟踪输入信号波形 ,并且输出电流 在输入频率为 600Hz 时的幅值与输入频率在 20Hz 时的幅值相比衰减很小 。实验结果表明该功放足以 满足磁悬浮球的悬浮要求 。
设功放开关周期为 T ,导通起始时刻为 t1 , 工作 情况分析如下[1] :
(1) 0 < t < t1 t = 0 时 , i0 = I01 ,在 0 < t < t1 期间 , T1 、T4 关 断 ,T2 、T3 导通 , UL = - Vp , 在反向电压的作用下 i0 按指数迅速下降 ,电压方程式为 :
收稿日期 :2004 - 04 - 18 修订日期 :2004 - 08 - 08 作者简介 : 袁开茂 (1976 - ) ,男 ,湖北省荆州市人 ,上海大学硕士研究生 ,主要研究方向 :磁悬浮球系统及其应用 。
参考文献 : [1 ] 虞和洛 ,宋利明. 故障诊断的热像技术 [M] . 北京 :冶金
联立求解式 (4) 和式 (8) 可得 :
I01
=
Vp [ R
e-
R T/
L
-
2 e - R ( T- t1) / L
+ 1 ]/ (1
-
e - RT/ L )
(9)
I02
=
Vp R
[
e-
R T/
L
-
2 e - Rt1/ L
+ 1 ]/ ( e - RT/ L
-
1)
(10)
图 3 死区时间形成框图
I02 = Vp ( e - Rt1/ L - 1) / R + I01 e - Rt1/ L
(4)
(2) t1 < t < T 在这期间 , T1 、T4 导通 ,T2 、T3 关断 。在电源电压 作用下 , i0 按指数规律增长 ,电压方程式为 :
Ri0 + L d i0/ d t = Vp
(5)
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K —前置放大 、RC 滤波 、功率放大三个环节近似传 递函数 (为了分析方便起见)
GL ( S) —电磁铁绕组传递函数 GS ( S) —传感器传递函数 GF ( S) —反馈校正传递函数
图 6 功率放环节传递函数框图
(1) 采用直接电流反馈
GF ( S) = 1 ,设传感器的传递函数 GS ( S) = 1 ,
磁悬浮球作为高科技智能型展品 ,充分体现了 科技性 、趣味性与时代感 ,具有很高的观赏价值 ,是 会展业中极具潜力的发展项目 。目前全国各地有许 多展览馆和科技馆都有意向引进该项目 ,还有一些 大型百货商店也想把其作为橱窗展示来吸引顾客 。 功率放大器作为磁悬浮球系统的核心部件之一 ,其性 能的好坏直接影响到整个磁悬浮球系统的动态性能 。
=
1
K/ ( R + LS )
+
K/
( Kp + Kd S ) R + LS
=
R
+
K
K ·Kp
· 1
1 + TaS
(13)
Ta
=
L+ R+
K ·Kd K ·Kp
(14)
比较式 (12) 和式 (14) 中可以看出 , 适当选择
Kp 、Kd 能大幅减小时间常数 Ta 的值 。从式 (11) 和式
(13) 可看出 ,采用电流反馈校正后 , 功放环节的增
2 死区时间形成电路[2]
全桥结构电路的电流响应速度快 , 但也有一个 严重的缺点 : 桥臂容易产生直通 , 电源发生短路事 故 。因此可靠的死区时间形成电路就显得非常重要 了 ,可以用一片单稳态芯片 74121 和一片 74LS08 (与 门) 芯片来形成死区时间 。将 74121 的 3 脚 ( A1) 和 4 脚 ( A2) 接地 ,在 10 脚与 11 脚之间外接一个电容 C , 在 14 脚与 11 脚之间接一个可调电阻 R ,将来用于调 节死区时间 。在 5 脚 ( B ) 输入端 ,每当输入信号发生 一次从低电平向高电平的正跳变 ,1 脚输出一个负 脉冲 ,脉冲时间为 Td = 0. 7 RC , 将此输出信号和输 入信号相与即可得到最后所需的信号 。对于开关元 件采用 MOSFET 的全桥电路 , 死区时间一般设为 3μs 。死区时间形成框图和波形如图 3 和图 4 所示 。
摘 要 :对磁悬浮球功率放大器的主电路及其工况进行了分析 ,给出了一种调节死区时间的实
用电路 ,并从控制系统角度出发 ,提出了采用反馈校正以减少功放时间常数 Ta 的方法 ,最后给出
了实验结果 。
关键词 :磁悬浮 ;功率放大器 ;死区时间 ;反馈校正
中图分类号 :TN722. 7 + 6 文献标识码 :A
图 4 波形
3 反馈校正网络
功率放大器的系统结构框图 。如图 5 所示 。 功率放大器的负载是电磁铁线圈 , 若采用直接 电流反馈 , 由于线圈的电感值 L 较大 , 故时间常数 Ta 较大 , 电流相位滞后严重 , 这极大地影响了系统 的动态性能[3][4] 。要想改善系统的动态性能 ,必须减 小时间常数 Ta ,采用电流反馈校正的方法可以明显 地减小时间常数 , 改善系统动态性能 , 扩展功放的 频带 。
图 5 功率放大器的系统结构框图
功放环节的传递函数框图 ,如图 6 所示 。
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图 2 负载电压和电流波形
Ri0 + L d i0/ d t = - Vp
(1)
即:
d i0/ d t + Ri0/ L + Vp/ L = 0
(2)
解此微分方程得 :
i0 = Vp ( e - Rt/ L - 1) / R + I01 e - Rt/ L
(3)
当 t = t1 时 , i0 = I02 ,代入式 (4) 得 :