南京航空航天大学刘程子等：数字单周期控制算法在磁悬浮轴承开关功放控制器上的应用

我心不变

点击标题下「中国电机工程学报」即可关注本刊微信混合型磁悬浮轴承开关功放的单周期数字控制刘程子，邓智泉，曹鑫，李克翔，周杰
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.22.026
1项目背景　　开关功率放大器作为磁悬浮轴承系统的重要组成部分，其性能直接影响了磁悬浮轴承系统的性能。单周控制技术具有电路结构简单，控制精度高，响应速度快等优点；然而，目前开关功放的单周期控制实现方式都是通过模拟电路对电压型开关功放进行控制。这种控制方式存在电感饱和的弊端，对于负载为感性的磁悬浮轴承系统并不适用。而直接反馈电流的电流型开关功放更为简单实用，更加适用于磁悬浮轴承系统。因此，针对电流型全桥开关功放，开展单周期数字控制策略，可以解决上述问题。2论文所解决的问题及意义　在单极性与双极性工作模式下，推导了的单周期数字控制的数学模型，并给出了实现方法。单周期控制方式下的开关功放具有简单、易实现、响应快、控制精度高等特点，与传统的模拟电路相比，可减小功放体积，降低成本。对于电流型的开关功放单周期控制目前还未见文献报道，对其开展研究可促进国内学者对单周期控制的深入了解。
3论文重点内容　单周期控制方法的思想是，假定在k周期内的参考电流为iref，在单周期控制方式下，在k周期内，控制输出电流的周期平均值要等于参考电流iref，这样就能使得输出电流跟踪上给定电流。定义电流周期变量为Δi(k)，根据Δi(k)的极性，本文分别对电流周期的变量Δi(k)>0与Δi(k)
（1）双极性的控制算法

图 1 数字单周期双极性方式控制波形图

图1为数字单周期双极性方式控制波形图，在k时刻的PWM控制周期的占空比公式为

当Δi(k)>0的时候，M1、M4的占空比为d>0.5；当Δi(k)1、M4的占空比为d1、M4的占空比d=0.5时，Δi(k)=0。可见，在双极性控制方式下，电感电流只存在增长与下降两种状态，不存在续流状态。
（2）单极性的控制算法

图 2数字单周期单极性方式控制波形图

图2为数字单周期单极性方式控制波形图，经推导可得Δi(k)≥0情况下在k时刻的PWM控制周期的占空比公式为

Δi(k)k时刻的PWM控制周期的占空比公式为


可见，在单极性控制方式下，周期内电感电流只存在增长、续流，或者下降、续流两种状态。

图3为系统的控制框图，为了验证控制算法的正确性与可行性，设计并搭建了全桥开关功放的实验平台，如图4所示，图5为输出电流及开关信号波形图。在双极性控制方式下，可见输出电流很好的跟踪上了给定电流，但电流纹波较大，理论仿真分析结果一致。在单极性控制方式下，可见控制算法的不同决定了跟踪方式的不同，单极性控制下，电流纹波几乎为0，在电流上升部分，最大电流纹波约为20 mA，理论仿真分析结果一致。

图3 控制系统框图

图4 全桥开关功率放大器与控制器原理样机


(a) 双极性控制   (b) 单极性控制
图5  输出电流及开关信号波形图
4结论单周期数字控制下的电流型全桥开关功放，控制简单，数字控制容易实现，采用双极性控制算法与单极性控制算法时，系统均具有良好的性能。今后工作的重点将是对算法进行优化、拓扑改进，使数字单周控制算法尽快得到更广泛的应用。
引文信息
刘程子，邓智泉，曹鑫，等. 混合型磁悬浮轴承开关功放的单周期数字控制[J]. 中国电机工程学报，2015,35(22):5899-5907.
Liu Chengzi，Deng Zhiquan，Cao Xin，et al. An one-cycle control digital control strategy for switching power amplifiers in hybrid magnetic levitation bearing systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2015,35(22):5899-5907(in Chinese).
团队介绍

刘程子(1984)，2015年毕业于南京航空航天大学获工学博士学位，现任南京邮电大学自动化学院讲师。研究方向为混合磁悬浮轴承本体设计、磁悬浮轴承控制策略研究、磁悬浮轴承开关功放控制策略研究等。

邓智泉(1969)，教授，博士生导师，江苏省电机工程学会理事。入选人才工程包括：2004年度江苏省“青蓝工程”学术带头人培养人选；2006年度霍英东教育基金会第十届高等院校青年教师奖获得者；教育部2006年度“新世纪优秀人才支持计划”；江苏省“六大人才高峰”第八批高层次人才项目等。自1998年起开始系统地从事高速电机的研究，组建了高速电机研究室，研究室相继研制成功多种类型的无轴承电机、磁悬浮电机以及各类磁悬浮轴承等。研究工作相继获得包括十项国家自然科学基金在内的二十余项科研基金的资助，获得省部级科学技术进步奖两项。在国内外学术期刊上发表论文238篇，被SCI和EI收录核心期刊论文150余篇，其中SCI收录30余篇；为2006—2010年《航空学报》高被引频次文章第一名作者。已获国家实用新型专利授权2项，国家发明专利授权52项，申请待授权国家发明专利47项。

曹鑫(1981)，工学博士，副教授，硕士生导师。2011年在南京航空航天大学任教，2011年6月至2012年9月在英国拉夫堡大学从事博士后研究工作。目前主要研究方向包括磁悬浮电机技术、开关磁阻电机、新能源分布式发电技术和电动汽车充电系统等。承担国家自然科学基金青年基金项目和面上项目各1项，参与多项国家自然科学基金和省部级基金项目的研究工作。

李克翔(1991)，博士研究生，研究领域为混合型磁悬浮轴承数字控制技术。
周杰(1992)，硕士研究生，研究领域为磁悬浮轴承功率变换器。
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