主動磁懸浮軸承系統智能開關電源技術方案

本實用新型專利技術涉及一種主動磁懸浮軸承系統智能開關電源。它包括輸入整流濾波器、全橋高頻開關變換器、高頻變壓器、輸出整流濾波器以及控制電路。220V市電連接所述輸入整流濾波器輸入端，輸入整流濾波器的輸出端經全橋高頻開關變換器和高頻變壓器后連接輸出整流濾波器的輸入端，輸出整流濾波器的輸出端連接到負載；所述控制電路的輸入端連接輸出整流濾波器的輸出端，而輸出端連接全橋高頻開關變換器。本實用新型專利技術可以確保在磁懸浮軸承支承的轉子高速轉動時，能夠向功率放大器及時提供所需要的合適電壓，當轉子的轉速改變時，電源的輸出電壓可以自動進行調整，以適應轉子轉速的變化要求。本實用新型專利技術具有體積小、重量輕、效率高、發熱量低和性能穩定等優點。（*該技術在2021年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術是ー種主動磁懸浮軸承系統智能開關電源。
技術介紹
隨著磁軸承應用技術的不斷發展，磁軸承系統對其電源的要求也越來越高。目前國內外在磁軸承系統中采用的系統電源和功率放大器主要有以下組合線性電源+線性功放；線性電源+開關功放；開關電源+開關功放。這些組合中，線性電源+線性功放的控制精度是最高的，其缺點是功放器件的發熱嚴重及其電源的利用率極低，僅僅適合于小功率的磁懸浮軸承系統使用。這類組合的特征是當電磁軸承支承的轉子在靜態吋，負載的阻抗很小(此時電感的感抗不起作用)，因此，功放線性供電電源的電壓將全部由功放器件承受，導致發熱嚴重；此時降低電源的電壓可以有所改善，但固定的電源電壓又不能適應當轉子轉速升高后的需要(此時電感的感抗將要考慮)。而線性電源+開關功放，以及開關電源+開 關功放均存在信號的中斷區間，雖然開關部件的存在可以適當降低發熱和提高電源的利用率，但是實踐證明這樣的設計效果并不明顯。對電磁軸承而言，理想的電源應該是這樣的當支持的轉子處于靜止或低轉速吋，電源的輸出電壓應當保持一個較低的數值；而隨著轉子轉速的升高，電源的輸出電壓也應當逐步升高，其幅度應該是滿足相應轉速的最佳值。這個時候，功放將無需再用開關功放，傳統的線性功放就可以滿足要求，而且其發熱情況與能源利用率都將能夠獲得ー個滿意的結果。本技術之電源正是可以實現這個目標的電源之一 O目前，主動磁軸承(Active Megnetic Bearing,簡稱AMB)正在向智能磁軸承(Intelligent Megnetic Bearing,簡稱IMB)的方向發展,智能磁軸承是ー種可以適應未來機械一般要求的支承部件，它是目前常見的磁軸承“獲得”設計者的智慧后構成的ー種新型磁力軸承。其優點是將實時建模、分析計算、自校正控制技術以及系統轉子動力學分析計算方法等專業知識“融干”自身，將大部分的專業設計工作轉移到通過“在線設計”的手段完成，專業設計人員要進行的產品全部設計工作，只是從應用的角度考慮，在MB的外圍部分進行設計即可。隨著磁軸承由AMB向MB的發展，現用的電源也有必要根據實際情況做相應的改迸，以適應智能化磁軸承的需要。線性電源，是將市電經過エ頻變壓器變壓，再經過整流輸出直流電壓；直接整流電源與線性電源工作原理相同，只是在市電和エ頻變壓器之間增加了調壓器。這兩種電源的優點是可以達到很高的穩定度，波紋也很小，而且沒有開關電源具有的干擾與噪音，但其缺點是需要龐大而笨重的エ頻變壓器，所需的濾波電容的體積和重量也相當大，而且效率低、發熱量也大。鑒于開關電源與線性電源以及直接整流電源相比具有體積小、重量輕、效率高、發熱量低和性能穩定等優點，所以，本技術之電源也是智能磁軸承系統設計的首選。
技術實現思路
本技術的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提供ー種主動磁懸浮軸承系統智能開關電源，解決該軸承能源利用率低、功率放大器件熱量過大問題。本技術的構思是首先是輸入基準源不同于常用開關電源，常用開關電源的基準源需采用精度較高的外界基準源，而且要求具有較高的溫度穩定性和較低的噪聲等級，一旦輸入基準確定，則系統輸出PWM占空比也被確定。而本系統的輸入基準信號是與磁軸承轉子的轉速信號相對應的電壓信號，當轉子轉速變化時該信號也不斷發生變化。其次是由于本技術是為磁力軸承系統設計的，其控制電路軟件系統需采用特定的智能控制算法，根據磁軸承轉子的轉速信號不斷調節輸出PWM占空比，達到使輸出電壓滿足磁軸承系統要求的目的。而常用集成PWM控制器無法導入算法，占空比的改變是隨輸入信號連續變化的，若要滿足本技術系統的特定要求，則需對轉子信號做模數轉換后進行繁瑣的數字信號處理，為了滿足信號處理的實時性，對系統的硬件提出了更高的要求。鑒于以上分析，采用常用集成PWM控制器無法滿足本技術控制電路所要求實現的功能，因此控制電路的設計需以微控制器為核心，導入智能控制算法，在其他外圍電路的配合下實現前面提及的所有功能。微控制器的選擇對于電源系統的指標有直接的影響，常用的微控制器主要有單片機SCM (Single Chip Micyoco)和數字信號處理器DSP (DigitalSignal Processing)。兩者相比，DSP要比SCM的主頻高，單指令執行周期也要短得多。·TMS320F2812主頻為150MHz，單指令執行周期為6. 67ns ；8051單片機主頻僅為12MHz，單指令周期高達1000ns。由于本技術主電路采用全橋高頻變換器拓撲結構，若采用8051作為控制電路的核心，則需用多片8051來完成控制電路的設計，采用TMS320F2812的DSP則僅需要一片。此外，TMS320F2812采用了改進的哈佛結構，程序和數據具有獨立的存儲空間，有著各自獨立的程序總線和數據總線，片內含有Flash，大大提高了數據處理能力，適用于實時的數字信號處理。同時其具有很好的兼容性，可以實現與TMS320F24x/LF240x處理器的源代碼兼容，更好的實現硬件移植。并且TMS320F2812是ー個結構復雜，指令龐雜的處理器，可同時處理多條指令。因此，本技術采用TMS320F2812芯片為核心進行控制電路的設計。根據上述構思，本技術采用下述技術方案—種主動磁懸浮軸承系統智能開關電源，包括輸入整流濾波器、全橋高頻開關變換器、高頻變壓器、輸出整流濾波器以及控制電路。220V市電連接所述輸入整流濾波器輸入端，輸入整流濾波器的輸出端經全橋高頻開關變換器和高頻變壓器后連接輸出整流濾波器的輸入端，輸出整流濾波器的輸出端連接到負載；所述控制電路的輸入端連接輸出整流濾波器的輸出端，而輸出端連接全橋高頻開關變換器。所述輸入整流濾波器的電路是由I個整流橋KBPC3510與第一濾波電容器和第二濾波電容器并聯構成。所述全橋高頻開關變換器的電路是由第一大功率晶體管、第二大功率晶體管、第三大功率晶體管、第四大功率晶體管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻，第三電容、第四電容、第五電容、第六電容組成；所述4個大功率晶體管分成第一大功率晶體管和第二大功率晶體管、第三大功率晶體管和第四大功率晶體管兩對分別構成全橋的兩臂，所述4個電阻和4個電容分成四對第一電阻和第三電容、第二電阻和第四電容、第三電阻和第五電容、第四電阻和第六電容分別串聯再分別并聯所述4個大功率晶體管，組成四個能量吸收回路。所述高頻變壓器是以EE55/21磁心為核心繞制而成。所述輸出整流濾波器是由第一快恢復ニ極管、第二快恢復ニ極管、第三快恢復ニ極管和第四快恢復ニ極管構成橋式整流器，而其輸出串聯第一濾波電感后并聯第七濾波電容、第八濾波電容；所述4個快恢復ニ極管都選用30120RHRG，其耐壓為1200V，額定電流為30A ;第一濾波電感選用EE55/55/21 ;第七濾波電容、第八濾波電容選用2只220uF/200V的電解電容并行連接，得到的總容量是440uF。所述控制電路是由驅動電路、第二隔離處理器、DSP、光耦隔離處理器、隨機存儲器、第一隔離處理器和電壓電流檢測器構成。所述電壓電流檢測器的輸入連接所述輸出整流濾波器的輸出，而其輸出經第一隔離處理器后連接到DSP，所述DSP連接隨機存儲器，所述光耦隔離處理器輸入轉子轉速信號本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種主動磁懸浮軸承系統智能開關電源，包括輸入整流濾波器（1）、全橋高頻開關變換器（2）、高頻變壓器（3）、輸出整流濾波器（4）以及控制電路（5）,其特征在于：220V市電連接所述輸入整流濾波器（1）輸入端，輸入整流濾波器（1）的輸出端經全橋高頻開關變換器（2）和高頻變壓器（3）后連接輸出整流濾波器（4）的輸入端，輸出整流濾波器（4）的輸出端連接到負載；所述控制電路（5）的輸入端連接輸出整流濾波器（4）的輸出端，而輸出端連接全橋高頻開關變換器（2）。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：汪希平，郭麗，楊玉敏，樊曼，
申請(專利權)人：上海大學，
類型：實用新型
國別省市：