功率放大器OPA544在主動磁懸浮控制系統(tǒng)中的應用

摘 要： 在磁懸浮系統(tǒng)的功放中采用OPA544功率器件實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出負載電流的放大作用，其性能將隨功放的類型而變化。針對毫米級氣隙的懸浮系統(tǒng)，設計前級PID控制調理電路，與OPA544功率放大器配合實現(xiàn)差動式電流控制，最終在一臺主動磁懸浮平板試驗臺上實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮，仿真結果與試驗情況基本吻合。
關鍵詞： OPA544；PID控制；平衡板懸浮實驗臺；功率放大器

　目前，以磁懸浮系統(tǒng)為主的制造業(yè)發(fā)展較為緩慢，其關鍵是產品的設計方法有待提高。而作為磁懸浮基礎的單自由度控制策略與方法則可以視為多自由度系統(tǒng)控制的基礎，因而具有很高的研究意義[1]。
磁懸浮平衡板作為實現(xiàn)單自由度控制系統(tǒng)的典型模型，在原理性的實驗平臺得到應用。由于其模型精度較低，所以可將空間的控制模型轉化為平面的單自由度研究。一般控制系統(tǒng)的結構均以位移傳感器、PID調節(jié)器（模擬或數(shù)字）以及功率放大器（模擬或開關）組成。其中，功率放大器提供系統(tǒng)輸出負載電流，以達到適當改變電磁鐵（磁軸承）的電磁力，使得平衡板能夠得以穩(wěn)定懸浮。
功率器件OPA544具有響應速度快、線性度好、失真小等特點。本文采用OPA544器件，通過對單自由度平衡板控制系統(tǒng)功率放大器電路進行實驗測試，實現(xiàn)其單自由度的懸浮控制。對放大器的要求是線性度好、放大后信號的失真程度應≤10%以及散熱條件需滿足系統(tǒng)的要求。經過仿真模擬以及平衡板懸浮實驗，證明器件OPA544可以實現(xiàn)單自由度的磁懸浮控制系統(tǒng)的功率放大作用。為簡化實驗中的控制過程，在功放前的信號調理使用了模擬PID控制。
1 平臺懸浮系統(tǒng)模型
1.1 平衡板懸浮系統(tǒng)的數(shù)學模型
圖1所示為本文實驗所用的平衡板懸浮系統(tǒng)模型的外形圖。平衡板由其質量中心支點支承，并達到消除整個平衡板重力在控制中的影響。在平衡板的左右兩側，對稱安置電磁鐵，其上繞組以四線平行繞制（4×120 匝/組），平衡板與電磁鐵上平面之間設有氣隙。通過對兩側電磁鐵輸出電流的控制變化，使其對平衡板施加的電磁力得到調整，實現(xiàn)平衡板在繞組中心支點的擺動且達到和力矩為零，使得平衡板在兩側電磁鐵有效工作氣隙間實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。

平衡板實驗臺的相關參數(shù)：偏磁電流為1 A，平衡氣隙為1.17 mm，磁極的截面積為800 mm2，電磁線圈的匝數(shù)為4×120匝，求得平衡板的轉動慣量為0.232 kg·m2，設置前級PID控制系統(tǒng)與后級功率放大器的最小截止頻率為5 kHz。電渦流傳感器的靜態(tài)標定的靈敏度為8 000 V/m，其線性工作范圍為-2 V～-12 V。經測量，可知平臺系統(tǒng)中的干擾力fd在系統(tǒng)中暫不考慮；對應的位移剛度系數(shù)kx=3 615 N/m，電流剛度系數(shù)ki=4 230 A/m[2]。
1.2 控制器的設計
由上述分析獲得系統(tǒng)在微分控制與積分控制并聯(lián)，而比例增益控制串聯(lián)時的PID調節(jié)閉環(huán)控制電路框圖如圖2所示。其相關參數(shù)為：積分時間常數(shù)范圍Ti=2.5 ms~25 s，微分環(huán)節(jié)慣性常數(shù)ε=0.02，電路的最大超前角Φc=74°。由此可實現(xiàn)微分控制，使得系統(tǒng)響應速度快，微分時間常數(shù)為Td=0.544 2 ms。
2 功率放大電路仿真與實驗結果
仿真實驗以實際單自由度功率放大電路為模型，實驗中使用兩個OPA544器件，通過差動式控制方式，并采用雙極性晶體管，以確保功放及負載（支承電磁鐵線圈）中的電流無逆流現(xiàn)象[3]。閉環(huán)仿真模塊的功放部分電路如圖3所示，電阻R2接入PID控制電路的輸出，支承電磁鐵線圈中預置偏磁電流I0=1 A。設負載電阻RL=3 ?贅，經過NI仿真后得到uco波形如圖4 所示[3]。仿真結果表明，本設計基本正確，電路可滿足平衡板的實驗要求。