一种多路电流型开关功率放大器

本申请涉及电磁轴承转子系统控制，具体涉及一种多路电流型开关功率放大器。

背景技术：

1、电磁轴承相比于传统机械轴承，在传动过程中不存在滑动或者滚动摩擦，因此可有效解决高转速设备受制于机械摩擦力的问题。电磁轴承系统的每一个自由度都需要用功率放大器来进行驱动。根据控制对象的不同，可以将开关功率放大器分为：电压型、电流型和磁通型。电流型开关功率放大器的主要功能是将输出的电压信号变换成电流信号用来驱动负载线圈。根据调制电平的不同，功率放大器又可以分为两电平开关功率放大器和三电平开关功率放大器。

2、随着电磁轴承转子系统日渐复杂化，对于具有两个及以上电磁轴承的转子系统，要实现其控制需要配备多个开关功率放大器，但每个开关功率放大器均需配置一个供电电源，导致整个电磁轴承转子系统的控制电路集成度和电源使用效率较低，成本较高。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于，提供一种多路电流型开关功率放大器，能够提高电源的使用效率，解决单独使用两套控制电路板的冗余问题，并降低电路板成本，同时能够提高响应速度和带宽，减小电流纹波。

2、本实用新型采取的技术方案是：一种多路电流型开关功率放大器，用于控制和驱动电磁轴承转子系统，包括至少两个单路开关功率放大器和一个dc/dc电源模块，所述单路开关功率放大器均与所述dc/dc电源模块电性连接，由dc/dc电源模块为各个单路开关功率放大器供电；各个单路开关功率放大器结构相同，用于根据输入控制信号输出电磁轴承线圈驱动电流，各个单路开关功率放大器之间相互独立，互不影响；所述dc/dc电源模块用于实现直流降压，将直流母线电压转换为单路开关功率放大器工作电压，所述dc/dc电源模块具有多组电压输出端和输出公共地，电压输出端的组别数量n不少于单路开关功率放大器的数量m，每组电压输出端包括直流高电压输出和直流低电压输出；每组电压输出端分别为一个单路开关功率放大器供电。

3、进一步地，所述dc/dc电源模块的输入电压为18v～72v，输出电压为12v或15v；其中，输出公共地为0v，直流高电压输出和直流低电压输出分别为+12v和-12v或+15v或-15v。

4、进一步地，所述dc/dc电源模块包括直流降压芯片和输出连接器；所述直流降压芯片的输入端连接直流母线电压，输出端包括输出正接口、输出负接口和输出地接口；所述输出连接器具有不少于2n+1个引脚，所述输出正接口、输出负接口和输出地接口与所述输出连接器的引脚连接，其中，输出正接口和输出负接口分别与n个输出连接器的引脚连接，与输出地接口连接的引脚构成dc/dc电源模块的输出公共地，与输出正接口和输出负接口连接的引脚以两两一组的方式构成dc/dc电源模块的电压输出端的直流高电压输出和直流低电压输出。

5、进一步地，所述单路开关功率放大器包括pi控制模块、pwm调制模块、隔离驱动电路模块、功率电路模块和电流传感器；pi控制模块用于对输入的电压信号和电流传感器反馈的电流信号的差值进行pi控制，pi控制模块的信号输出端与pwm调制模块连接，将pi控制模块输出的调制波输入pwm调制模块；pwm调制模块用于根据所述调制波输出调制信号，pwm调制模块的输出端与所述隔离驱动电路模块连接，所述隔离驱动电路模块用于升高调制信号的电压值，为功率电路模块提供足够的开启电压，隔离驱动电路模块的输出端与所述功率电路模块连接，所述电流传感器与所述功率电路模块串联，并与pi控制模块连接，用于采集功率电路模块输出的电流信号并反馈至pi控制模块，形成闭环控制。

6、本实用新型的有益效果在于：

7、(1)本实用新型可以实现对电磁轴承系统中同一个自由度上的两个线圈绕组同时进行电流控制，可根据2个控制指令输出规定的2个磁轴承线圈驱动电流，提高电磁轴承转子系统的稳定性及悬浮动态性能，具有响应快，带宽高，纹波小，集成度高，成本低的特点；

8、(2)本实用新型的功率电路模块采用半桥式功放的电路拓扑结构，半桥式结构相对简单，成本低，且拥有较快的电流响应速度。功率电路中允许的输入母线电压为18v～72v，允许输入信号的带宽为1khz，允许输入的控制信号为0～5v，输出的电感线圈上电流为0～5a，输出电压为12v或15v；

9、(3)通过pwm调制模块可实现对功率电路中两个mosfet开关管的开关频率的调节，允许的开关频率在10k到50k之间，可以减小电感线圈上电流纹波，使得到的电流波形与输入的给定信号更加吻合，从而提高电磁轴承转子系统的稳定性；

10、(4)本实用新型的两个相互独立的单路开关功率放大器和共用的dc/dc电源模块集中设计在一块pcb板上，单路开关功率放大器在pcb板呈上、下两路对称分布，dc/dc电源模块居中，从而使得电路板集成度高，成本低，电源使用效率高，适用于电磁轴承转子振动控制的实验平台。

技术特征：

1.一种多路电流型开关功率放大器，用于控制和驱动电磁轴承转子系统，其特征在于，包括至少两个单路开关功率放大器和一个dc/dc电源模块，所述单路开关功率放大器均与所述dc/dc电源模块电性连接，由dc/dc电源模块为各个单路开关功率放大器供电；各个单路开关功率放大器结构相同，用于根据输入控制信号输出电磁轴承线圈驱动电流，各个单路开关功率放大器之间相互独立，互不影响；所述dc/dc电源模块用于实现直流降压，将直流母线电压转换为单路开关功率放大器工作电压，所述dc/dc电源模块具有多组电压输出端和输出公共地，电压输出端的组别数量n不少于单路开关功率放大器的数量m，每组电压输出端包括直流高电压输出和直流低电压输出；每组电压输出端分别为一个单路开关功率放大器供电。

2.根据权利要求1所述的一种多路电流型开关功率放大器，其特征在于，所述dc/dc电源模块的输入电压为18v～72v，输出电压为12v或15v；其中，输出公共地为0v，直流高电压输出和直流低电压输出分别为+12v和-12v或+15v或-15v。

3.根据权利要求1所述的一种多路电流型开关功率放大器，其特征在于，所述dc/dc电源模块包括直流降压芯片和输出连接器；所述直流降压芯片的输入端连接直流母线电压，输出端包括输出正接口、输出负接口和输出地接口；所述输出连接器具有不少于2n+1个引脚，所述输出正接口、输出负接口和输出地接口与所述输出连接器的引脚连接，其中，输出正接口和输出负接口分别与n个输出连接器的引脚连接，与输出地接口连接的引脚构成dc/dc电源模块的输出公共地，与输出正接口和输出负接口连接的引脚以两两一组的方式构成dc/dc电源模块的电压输出端的直流高电压输出和直流低电压输出。

4.根据权利要求1所述的一种多路电流型开关功率放大器，其特征在于，所述单路开关功率放大器包括pi控制模块、pwm调制模块、隔离驱动电路模块、功率电路模块和电流传感器；pi控制模块用于对输入的电压信号和电流传感器反馈的电流信号的差值进行pi控制，pi控制模块的信号输出端与pwm调制模块连接，将pi控制模块输出的调制波输入pwm调制模块；pwm调制模块用于根据所述调制波输出调制信号，pwm调制模块的输出端与所述隔离驱动电路模块连接，所述隔离驱动电路模块用于升高调制信号的电压值，为功率电路模块提供足够的开启电压，隔离驱动电路模块的输出端与所述功率电路模块连接，所述电流传感器与所述功率电路模块串联，并与pi控制模块连接，用于采集功率电路模块输出的电流信号并反馈至pi控制模块，形成闭环控制。

技术总结
本申请涉及一种多路电流型开关功率放大器，用于控制和驱动电磁轴承转子系统，它包括至少两个单路开关功率放大器和一个DC/DC电源模块，所述单路开关功率放大器均与所述DC/DC电源模块电性连接，由DC/DC电源模块为各个单路开关功率放大器供电；各个单路开关功率放大器结构相同，用于根据输入控制信号输出电磁轴承线圈驱动电流，所述DC/DC电源模块具有多组电压输出端和输出公共地，电压输出端的组别数量不少于单路开关功率放大器的数量。本技术能够提高电源的使用效率，解决单独使用两套控制电路板的冗余问题，并降低电路板成本，同时能够提高响应速度和带宽，减小电流纹波。

技术研发人员：程柳峰,陈亮亮,彭元修,郭至城,吴佳颖,王一舰
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：20230725
技术公布日：2024/2/1