6.2 磁悬浮轴承：功率放大器与电涡流传感器

6.2 功率放大器与电涡流传感器

磁悬浮轴承闭环控制系统的性能极限，在很大程度上由其“感官”与“四肢”决定，即位移传感器和功率放大器。本节将系统阐述主动磁轴承系统中应用最广泛的两类核心硬件：开关功率放大器与电涡流位移传感器。内容包括功率放大器的分类、拓扑、控制与设计，以及电涡流传感器的原理、探头设计与信号调理，并最终给出工程选型指导。

6.2.1 功率放大器

功率放大器是连接数字控制器与电磁铁线圈的执行接口，其核心任务是将微弱的控制电压信号，精准、快速地转换为驱动电磁铁所需的大电流。

6.2.1.1 分类：线性功放与开关功放

根据功率管的工作模式，磁轴承功放主要分为线性功放和开关功放两类。

1. 线性功率放大器
线性功放使其功率晶体管工作在线性放大区。其输出电流连续，且与输入控制电压成线性比例关系，传递函数可简化为Gamp(s)=Ka/(aus+1)G_{amp}(s) = K_a / ( au s + 1)Gamp​(s)=Ka​/(aus+1)，其中KaK_aKa​为增益，$ au$ 为响应时间常数。

• 优点：电路简单，输出电流纹波极小（通常低于峰值的1%），带宽高（可达数十至数百kHz），电磁干扰小。
• 缺点：效率极低。在任意输出下，功率管承受的压降Vce=Vdc−VcoilV_{ce} = V_{dc} - V_{coil}Vce​=Vdc​−Vcoil​，其瞬时功耗Ploss=Vce⋅IoutP_{loss} = V_{ce} \cdot I_{out}Ploss​=Vce​⋅Iout​。当输出电流大而线圈电压低时，大部分功率消耗在功率管上，效率常低于50%。这导致严重的发热，需要庞大的散热系统，限制了其在多通道、大功率磁轴承中的应用[1]。
• 应用场景：主要用于实验室原型机、小功率（单通道功率<200W）或对电流纹波有极端要求（如超精密实验）的场合。

2. 开关功率放大器
开关功放使其功率晶体管工作在饱和导通与完全截止两种状态。通过高频脉宽调制控制导通与关断时间的比例，来调节输出电流的平均值。

• 优点：效率极高（通常>85%）。功率管在导通时压降低，截止时电流近乎为零，开关瞬间的损耗虽大，但通过优化设计可控制，因此总损耗远低于线性功放，体积和散热成本显著降低。
• 缺点：设计复杂，输出存在与开关频率同频的电流纹波，可能引入高频振动和额外铁损；会产生电磁干扰；带宽受开关频率限制。
• 应用场景：是当前工业磁轴承产品的绝对主流选择，覆盖从几十瓦到数十千瓦的功率范围。

6.2.1.2 开关功放拓扑结构

磁轴承功放需提供双向电流，常用拓扑有以下几种：

1. 半桥拓扑
由两个功率管（Q1， Q2）、两个续流二极管（D1， D2）和一个直流母线电容构成。负载（电磁铁线圈）连接在桥臂中点与母线电容中点之间。通过互补开关Q1和Q2，在负载两端产生+Vdc/2、-Vdc/2或0的电压。其输出电流ILI_LIL​的动态方程近似为VL=LdILdt+RILV_L = L \frac{dI_L}{dt} + R I_LVL​=