基于Multisim仿真的用于磁懸浮系統的新型混合功率放大器設計概述

1 引言

磁懸浮技術由于其無接觸的特點，避免了物體之間的摩擦和磨損，能延長設備的使用壽命，改善設備的運行條件，因而在交通、冶金、機械、電器、材料等各個方面有著廣闊的應用前景。功率放大器作為磁懸浮控制系統的重要組成部分，其作用是控制電磁鐵中電流產生電磁力。其性能優劣對磁懸浮控制系統有著顯著的影響。

用于磁懸浮控制系統的功率放大器主要有線性功率放大器和開關型功率放大器，前者是指功率器件工作在放大區的功率放大器，其優點是低噪音、結構簡單、易于調試、對給定信號跟隨特性好，但功率消耗大，效率不高，發熱大;后者的功率器件只工作在飽和區和截止區，即只有開、斷兩種狀態，通過控制器調節PWM信號的占空比進而調節流過線圈的電流大小。由于功率器件上只有開關損失以及傳導損失，因此開關功放的效率很高，但由于繞組兩端電壓在若干電壓等級之間切換，會導致電流波形失真。

本文介紹的新型混合功率放大器則集合了線性功放以及開關型功放的優點，效率高、速度快、電流脈動小、系統運行穩定。

2 新型混合功率大器的原理

本文介紹的新型混合功率放大器的原理如圖1所示：

圖1 新型混合功率放大器的原理

為了降低功率放大器的損耗，利用電壓環使晶體管電壓穩定。先檢測出晶體管集電極電壓，使之與給定電壓做比較，得到的偏差信號經過控制器，通過某種控制策略，產生控制信號，之后經PWM環節得到一定占空比的脈沖信號，改變電源電壓U，使其在動態時提高功率放大器的電源電壓，提高動態響應;在穩態時降低功率放大器的電源電壓，降低放大器自身損耗。電流環則起到控制線圈電流的作用。給定值來自位置傳感器，與反饋電流比較后，產生的偏差信號被送入控制器，得到晶體管的控制信號，從而控制線圈電流，進而控制電磁鐵的電磁力。

當系統處于穩態時，線圈中電流變化小，可忽略電感電壓，此時電源電壓為：

U = iRl+ uT

其中i為線圈電流，Rl為線圈電阻，uT為功率管電壓。

當系統處于動態時，位置傳感器檢測到位置的變化而引起i r的變化，通過與 if比較，從而使晶體管電壓uT變化，從而使線圈中的電流跟隨給定值變化。而的變化將通過電壓環調節功率放大器電源電壓，使其保持恒定。此時的電源電壓為：

U = iRi+ uT+ Ldi/dt

這種混合型功率放大器采用斬波器控制線性放大器電源電壓，而放大器的主體采用線性功放，既保留了線性功放噪聲低、穩定性好的優點，又克服了其損耗大的不足，將改善整個磁懸浮控制系統的性能。

3 控制電路拓撲

磁懸浮軸承上應用的繞組控制電路拓撲結構主要以橋式電路為主，而橋式電路又分為半橋式電路和全橋式電路。半橋式電路原理如圖2所示。

圖2 半橋式電路原理

圖3 全橋式電路原理

圖4 基于Multisim的混合功率放大器仿真電路

圖5 混合功率放大器的階躍響應

圖6 混合功率放大器跟蹤特性仿真波形

功率管VT1、VT2同時導通，電路處于充電狀態，線圈兩端電壓為+U，電流增大;VT1、VT2一通一斷，則電路處于續流狀態;VT1、VT2同時關斷，電流經過VD1、VD2回饋電源。

由電路的運行狀態可知，半橋式控制電路中，經過線圈的電流是單向的，這顯然是不適合應用于磁懸浮控制系統的。全橋式電路原理如圖3所示。

T1、T2、T3、T4分別為四個功率管，其中T1、T3工作在開關狀態，T2、T4工作在放大狀態。T2、T3導通，T1、T4截止時，電流正向流過線圈，電流大小通過T2控制;當T1、T4導通，T2、T3截止時，電流逆向流過線圈，電流大小通過T4控制。

四個功率管截止時，電流通過二極管進行續流。由電路的運行狀態可知，全橋式電路可以實現電流的雙向流動，滿足磁懸浮控制系統的要求。因此選擇全橋式電路拓撲結構。

4 混合功率放大器的性能分析

系統的Multisim仿真電路如圖4所示，L2、C1、D1、V2構成了BUCK變換器，電壓環控制采用了滯環控制。V2為電流傳感器，XSC1為示波器，A5、A6、A8則構成了PID調節器。功率管集電極反饋電壓輸入電壓滯回模塊，控制模擬開關開斷，調節占空比，從而達到控制電源電壓的目的。直流電源VCC、二極管D4是為了解決BUCK電路占空比低所引起的電壓波形變差的問題。當電源電壓低于8V，由8V直流電源直接供電。

當給定信號為階躍信號時，混合功率放大器的仿真如圖5所示。其中圖（a）、（b）分別為電源電壓在300V與400V時的階躍響應，由圖可以清晰地看出，電流的跟蹤速度與放大器的電源電壓有著密切的關系，電壓越高，響應速度越快。

由于復雜的電流波形可以通過不同頻率的正弦波疊加而成，因此，將給定的電流信號設定為正弦信號，頻率值為1500Hz，電源電壓設為300V。系統的仿真波形如圖6所示。A曲線為給定值曲線，B曲線為電流傳感器測得的實際值曲線，由此可知，實際電流值很好地跟隨了給定電流的變化。

結束語

對新型混合功率放大器的原理、拓撲進行了介紹，并通過Multisim仿真，對其特性進行了分析。結果表明，新型混合功率放大器效率高、響應速度快，能夠滿足磁懸浮控制系統的要求。