本发明涉及一种功放电路，具体的说是一种多桥臂开关功放电路，属于磁轴承技术领域。
背景技术：
磁悬浮轴承(magneticbearing)是一种利用电磁力使得转子和定子无接触运转的机械设备。由于定转子间无接触，运转时无摩擦损耗，因此可以稳定运转在很高的转速，并且不会像传统轴承一样出现磨损现象，十分适合核电设施等追求高稳定性的场合。同时磁轴承也不需要润滑，因此应用磁轴承的电机不需要润滑油，不会造成污染，满足了部分无尘车间和产线的使用需求。总之，磁轴承的优良特性使其在特殊场合具备很强的不可替代性。
通常情况下磁轴承的使用环境都较为特殊，对磁轴承的稳定性有一定的要求。磁轴承系统是一个典型的闭环系统，作为执行器的开关功放，很大程度上决定了磁轴承系统的性能。所以磁轴承的功放必须能够高精度的追踪控制信号并将其放大。传统磁轴承功放均为两电平或三电平，只能提供单一的正向导通电压、反向导通电压，或是零电压续流状态共三种电平。在转子保持稳定运转时，所需要的控制电流波动实际并不大，传统功放的母线电压不可调，导致功放在跟踪目标电流时的纹波较大。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种五电平多桥臂开关功放电路，使得功放可以良好的跟踪放大不同变化率的波形，这一性能十分适用于磁轴承系统。
本发明的目的是这样实现的：一种五电平多桥臂开关功放电路，由有源中点钳位电源、主桥臂、五相负载以及负载桥臂组成，所述有源中点钳位电源、主桥臂、五相负载、负载桥臂按序电性连接在一起；
有源中点钳位电源由直流电压源udc、稳压电容c1和稳压电容c2组成：稳压电容c1和稳压电容c2串联后并接在电源udc两端，稳压电容c1和稳压电容c2中点连接至主桥臂中点n3；
主桥臂由开关管vtn1、开关管vtn2、开关管vtn3、开关管vtn4、开关管vtn5和开关管vtn6组成：开关管vtn1漏极连接至电源正极，开关管vtn1源极连接至开关管vtn2漏极，开关管vtn2源极连接至开关管vtn3漏极，开关管vtn3源极连接至开关管vtn4漏极，开关管vtn4源极连接至电源负极；vtn5源极和开关管vtn6漏极连接，开关管vtn5漏极连接至开关管vtn1、开关管vtn2的中点n2，vtn6源极连接至开关管vtn3、开关管vtn4的中点n4；
五相负载由感性负载l1、感性负载l2、感性负载l3、感性负载l4和感性负载l5组成：感性负载l1、感性负载l2、感性负载l3、感性负载l4和感性负载l5左端均连接至开关管vtn5和开关管vtn6中点n6，右端分别连接至负载桥臂中点a、b、c、d和e点；
负载桥臂由五个桥臂组成，各个桥臂分别由两个开关管组成：开关管vta1和开关管vta2组成a相桥臂、开关管vtb1和开关管vtb2组成b相桥臂、开关管vtc1和开关管vtc2组成c相桥臂、开关管vtd1和开关管vtd2组成d相桥臂、开关管vte1和开关管vte2组成d相桥臂；a相桥臂中开关管vta1漏极连接至电源正极，开关管vta1源极连接至vta2漏极，vta2源极连接至电源负极，其余四路负载桥臂均与a相相同。
作为本发明的进一步限定，主桥臂开关管、负载桥臂开关管的通断状态与负载电压关联如下表：
其余四相b、c、d、e对应负载状态与a相相同。
本发明的工作原理如下：磁轴承转子失稳时，需要快速的电流响应产生足够强的电流刚度，使得转子保持稳定，此时功放需要快速变化提供电流；而在稳定悬浮时，转子保持稳定所需的电磁力变化小，因此要求开关功放提供稳定的电流输出；此两类磁轴承状态要求的功放性能存在一定的矛盾：快速电流效应需要高母线电压，而高精度的稳定电流追踪需要较小的母线电压来纹波；本发明可以根据系统不同的电流需求情况，提供不同的母线电压，以追踪不同变化幅度的电流。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明通过电路拓扑的设计使得电路可提供五种电平，其中主桥臂可提供三种电位，udc、
附图说明
图1为本发明电路原理结构示意图。
图2为本发明中主桥臂电位变换示意图。
图3为本发明中负载桥臂电位变换示意图。
图4为本发明的输出效果和传统五相六桥臂功放输出效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示的一种五电平多桥臂开关功放电路，由有源中点钳位电源、主桥臂、五相负载以及负载桥臂组成，所述有源中点钳位电源、主桥臂、五相负载、负载桥臂按序电性连接在一起；
有源中点钳位电源由直流电压源udc、稳压电容c1和稳压电容c2组成：稳压电容c1和稳压电容c2串联后并接在电源udc两端，稳压电容c1和稳压电容c2中点连接至主桥臂中点n3；
主桥臂由开关管vtn1、开关管vtn2、开关管vtn3、开关管vtn4、开关管vtn5和开关管vtn6组成：开关管vtn1漏极连接至电源正极，开关管vtn1源极连接至开关管vtn2漏极，开关管vtn2源极连接至开关管vtn3漏极，开关管vtn3源极连接至开关管vtn4漏极，开关管vtn4源极连接至电源负极；vtn5源极和开关管vtn6漏极连接，开关管vtn5漏极连接至开关管vtn1、开关管vtn2的中点n2，vtn6源极连接至开关管vtn3、开关管vtn4的中点n4；
五相负载由感性负载l1、感性负载l2、感性负载l3、感性负载l4和感性负载l5组成：感性负载l1、感性负载l2、感性负载l3、感性负载l4和感性负载l5左端均连接至开关管vtn5和开关管vtn6中点n6，右端分别连接至负载桥臂中点a、b、c、d和e点；
负载桥臂由五个桥臂组成，各个桥臂分别由两个开关管组成：开关管vta1和开关管vta2组成a相桥臂、开关管vtb1和开关管vtb2组成b相桥臂、开关管vtc1和开关管vtc2组成c相桥臂、开关管vtd1和开关管vtd2组成d相桥臂、开关管vte1和开关管vte2组成d相桥臂；a相桥臂中开关管vta1漏极连接至电源正极，开关管vta1源极连接至vta2漏极，vta2源极连接至电源负极，其余四路负载桥臂均与a相相同。
如图2-3所示，本发明工作原理如下：主桥臂电位和负载桥臂电位和开关管状态如下：
如上表所示；可实现负载桥臂五种电平的输出，其余四相b、c、d、e对应负载状态与a相相同。
本发明的原理如下：
以a相正向导通为例
1.主桥臂电位选择
主桥臂可通过固定占空比或是结合负载状态的极性及最优控制方法来控制导通；此处以固定占空比的的控制方法介绍其可行性及实现方法：
主桥臂采用固定占空比的方法及将主桥臂的三种电位的占空比设置为相同，主桥臂提供udc、
当主桥电位为udc时，有如下等式：
其中，l为负载绕组电感、r为负载绕组电阻、i(t)为负载电流
由于负载为绕组线圈，电阻值较小可忽略不计，可知负载电流变化率：
单个周期t内，udc电位时电流变化幅值最大可达到：
同理可计算出主桥电位为
单个周期t内，
综上，单个周期t内，最大的电流增幅为
2.负载桥臂的电位选择
当主桥导通电位通过固定占空比的方式确定时，负载桥臂可通过多种方式实现电位控制，此处以a相为例使用单周算法介绍其可行性和实现方法：
当a相电流实际值为i(t0)且目标值为i(t1)时，其差值为
δi＝i(t0)-i(t1)
当δi＜δi2时，即单个导通周期之中主桥电位为
进一步，可以计算出下管导通占空比为：
于是可通过下管导通占空比控制负载桥臂导通使得一个周期结束时电流终值稳定跟踪至目标值。
当δi2＜δi＜δi1时，即单个导通周期之中主桥电位为
进一步，可以计算出下管导通占空比为：
于是可通过占空比控制负载桥臂导通使得一个周期结束时电流终值稳定跟踪至目标值。
当δi＞δi3时，即单个导通周期内的电流增量不足以消除电流目标值及真实值之间的误差，则选择全部导通；即不论主桥电位为udc或者
如图4所示为本发明的输出效果和传统五相六桥臂功放输出效果对比图，由图可以明显看出，本发明的输出波形波动明显小于传统五相六桥臂功放。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
1.一种五电平多桥臂开关功放电路，其特征在于，由有源中点钳位电源、主桥臂、五相负载以及负载桥臂组成，所述有源中点钳位电源、主桥臂、五相负载、负载桥臂按序电性连接在一起；
有源中点钳位电源由直流电压源udc、稳压电容c1和稳压电容c2组成：稳压电容c1和稳压电容c2串联后并接在电源udc两端，稳压电容c1和稳压电容c2中点连接至主桥臂中点n3；
主桥臂由开关管vtn1、开关管vtn2、开关管vtn3、开关管vtn4、开关管vtn5和开关管vtn6组成：开关管vtn1漏极连接至电源正极，开关管vtn1源极连接至开关管vtn2漏极，开关管vtn2源极连接至开关管vtn3漏极，开关管vtn3源极连接至开关管vtn4漏极，开关管vtn4源极连接至电源负极；vtn5源极和开关管vtn6漏极连接，开关管vtn5漏极连接至开关管vtn1、开关管vtn2的中点n2，vtn6源极连接至开关管vtn3、开关管vtn4的中点n4；
五相负载由感性负载l1、感性负载l2、感性负载l3、感性负载l4和感性负载l5组成：感性负载l1、感性负载l2、感性负载l3、感性负载l4和感性负载l5左端均连接至开关管vtn5和开关管vtn6中点n6，右端分别连接至负载桥臂中点a、b、c、d和e点；
负载桥臂由五个桥臂组成，各个桥臂分别由两个开关管组成：开关管vta1和开关管vta2组成a相桥臂、开关管vtb1和开关管vtb2组成b相桥臂、开关管vtc1和开关管vtc2组成c相桥臂、开关管vtd1和开关管vtd2组成d相桥臂、开关管vte1和开关管vte2组成d相桥臂；a相桥臂中开关管vta1漏极连接至电源正极，开关管vta1源极连接至vta2漏极，vta2源极连接至电源负极，其余四路负载桥臂均与a相相同。
2.根据权利要求1所述的一种五电平多桥臂开关功放电路，其特征在于，主桥臂开关管、负载桥臂开关管的通断状态与负载电压关联如下表：
其余四相b、c、d、e对应负载状态与a相相同。
技术总结