功率放大器OPA544在主动磁悬浮控制系统中的应用

摘  要： 在磁悬浮系统的功放中采用OPA544功率器件实现对系统输出负载电流的放大作用，其性能将随功放的类型而变化。针对毫米级气隙的悬浮系统，设计前级PID控制调理电路，与OPA544功率放大器配合实现差动式电流控制，最终在一台主动磁悬浮平板试验台上实现系统的稳定悬浮，仿真结果与试验情况基本吻合。
关键词： OPA544；PID控制；平衡板悬浮实验台；功率放大器
   　目前，以磁悬浮系统为主的制造业发展较为缓慢，其关键是产品的设计方法有待提高。而作为磁悬浮基础的单自由度控制策略与方法则可以视为多自由度系统控制的基础，因而具有很高的研究意义[1]。
     磁悬浮平衡板作为实现单自由度控制系统的典型模型，在原理性的实验平台得到应用。由于其模型精度较低，所以可将空间的控制模型转化为平面的单自由度研究。一般控制系统的结构均以位移传感器、PID调节器（模拟或数字）以及功率放大器（模拟或开关）组成。其中，功率放大器提供系统输出负载电流，以达到适当改变电磁铁（磁轴承）的电磁力，使得平衡板能够得以稳定悬浮。
     功率器件OPA544具有响应速度快、线性度好、失真小等特点。本文采用OPA544器件，通过对单自由度平衡板控制系统功率放大器电路进行实验测试，实现其单自由度的悬浮控制。对放大器的要求是线性度好、放大后信号的失真程度应≤10%以及散热条件需满足系统的要求。经过仿真模拟以及平衡板悬浮实验，证明器件OPA544可以实现单自由度的磁悬浮控制系统的功率放大作用。为简化实验中的控制过程，在功放前的信号调理使用了模拟PID控制。
1 平台悬浮系统模型
1.1 平衡板悬浮系统的数学模型
     图1所示为本文实验所用的平衡板悬浮系统模型的外形图。平衡板由其质量中心支点支承，并达到消除整个平衡板重力在控制中的影响。在平衡板的左右两侧，对称安置电磁铁，其上绕组以四线平行绕制（4×120 匝/组），平衡板与电磁铁上平面之间设有气隙。通过对两侧电磁铁输出电流的控制变化，使其对平衡板施加的电磁力得到调整，实现平衡板在绕组中心支点的摆动且达到和力矩为零，使得平衡板在两侧电磁铁有效工作气隙间实现稳定悬浮。
   
       平衡板实验台的相关参数：偏磁电流为1 A，平衡气隙为1.17 mm，磁极的截面积为800 mm2，电磁线圈的匝数为4×120匝，求得平衡板的转动惯量为0.232 kg·m2，设置前级PID控制系统与后级功率放大器的最小截止频率为5 kHz。电涡流传感器的静态标定的灵敏度为8 000 V/m，其线性工作范围为-2 V～-12 V。经测量，可知平台系统中的干扰力fd在系统中暂不考虑；对应的位移刚度系数kx=3 615 N/m，电流刚度系数ki=4 230 A/m[2]。
1.2 控制器的设计
     由上述分析获得系统在微分控制与积分控制并联，而比例增益控制串联时的PID调节闭环控制电路框图如图2所示。其相关参数为：积分时间常数范围Ti=2.5 ms~25 s，微分环节惯性常数ε=0.02，电路的最大超前角Φc=74°。由此可实现微分控制，使得系统响应速度快，微分时间常数为Td=0.544 2 ms。
2 功率放大电路仿真与实验结果
     仿真实验以实际单自由度功率放大电路为模型，实验中使用两个OPA544器件，通过差动式控制方式，并采用双极性晶体管，以确保功放及负载（支承电磁铁线圈）中的电流无逆流现象[3]。闭环仿真模块的功放部分电路如图3所示，电阻R2接入PID控制电路的输出，支承电磁铁线圈中预置偏磁电流I0=1 A。设负载电阻RL=3 ?赘，经过NI仿真后得到uco波形如图4 所示[3]。仿真结果表明，本设计基本正确，电路可满足平衡板的实验要求。