【摘 要】
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电磁轴承具有无机械摩擦、无需润滑、损耗小、效率高、寿命长等优点,可广泛应用于高速电机、离心机、真空泵等领域。开关功率放大器作为电磁轴承中的关键组成部分,对电磁轴承性能有重要影响。本文针对电磁轴承开关功率放大器的性能开展相关研究。1)分析了开关功率放大器性能的影响因素。针对采样保持型、滞环比较型以及脉宽调制型（PWM）三种控制方式,通过Matlab/Simulink仿真分别分析了它们的动态特性和谐波
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电磁轴承具有无机械摩擦、无需润滑、损耗小、效率高、寿命长等优点,可广泛应用于高速电机、离心机、真空泵等领域。开关功率放大器作为电磁轴承中的关键组成部分,对电磁轴承性能有重要影响。本文针对电磁轴承开关功率放大器的性能开展相关研究。1)分析了开关功率放大器性能的影响因素。针对采样保持型、滞环比较型以及脉宽调制型（PWM）三种控制方式,通过Matlab/Simulink仿真分别分析了它们的动态特性和谐波特性。采样保持型控制方式在高频下拥有良好跟踪效果,滞环比较型控制方式在环宽小的情况下性能较佳,脉宽调制型控制方式拥有最小的电流谐波。然后根据稳态时电流的波形以及线圈电流变化率,推导了两电平PWM型开关功率放大器电流纹波的计算公式,得出了减小电流纹波大小的可能方式。2)针对功率放大器的控制问题,提出了一种基于斜率匹配的PI控制策略。首先建立了两电平PWM型开关功率放大器的数学模型,得到其系统传递函数的表达式。在此基础上,依据斜率匹配的原则及截止频率的分析结果,设计了一种功率放大器的PI控制策略。该方法在满足斜率匹配的原则下,针对带零点的二阶功率放大系统设定相应的PI参数,使功率放大系统能够获得较好的动态性能,较传统PID相比,超调量减少5%。3)进一步考虑功率放大系统的延时,提出了一种开关功率放大器的内模PID控制策略。将传统PID控制方法的三个参数的整定问题转变成一个参数的整定问题,简化了参数整定过程,并且使得系统拥有更好的性能,较传统PID相比,超调量减少25%,调节时间减少0.2ms。最后,设计了两电平PWM型开关功率放大器的硬件系统,并制作实验平台,通过实验验证了控制策略的有效性。并对所设计的开关功率放大器线性度、跟踪性能、电流纹波等性能开展了测试,将实验性能结果与理论值进行了对比,结果表明:线性度在给定信号幅值较低时偏差,但总体表现良好,跟踪性能在截止频率范围内都有较好效果,电流纹波的大小符合功放系统要求。设计的PI控制方法在考虑了斜率匹配问题后相比于传统PID方法超调量小并有更好的稳定性,但设计方法略复杂,内模PID控制方法简化了参数整定问题,超调量进一步减小且有良好的鲁棒性和动态性能。
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