CN106763185B - 一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器 - Google Patents

一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，包括：2N个绕组桥臂和一个共用桥臂，绕组桥臂包括绕组上桥臂和绕组下桥臂，绕组下桥臂上设有可控开关，共用桥臂包括共用上桥臂和共用下桥臂，共用上桥臂上设有可控开关，通过同时控制每个绕组桥臂上可控开关导通时间以及共用桥臂上可控开关管导通时间，实现对每个绕组进行充放电时间以及续流时间，实现对电流控制，从而实现对多轴磁悬浮轴承中电磁力控制，符合实际应用要求。相对于传统的轴悬浮轴承控制器，本发明能大量的减少开关器件使用数目，有效的缩减控制系统体积，并能降低设计成本，具有很好的实际应用价值。

Description

一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，是一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器。
技术背景
电磁轴承是指利用电磁力将转子无接触地悬浮起来的支撑器件，其具有无摩擦、无污染、寿命长等优点，已广泛引起学术界和工业界重视。当前电磁轴承可分为三类：(1)有源磁轴承：通过控制电磁力实现转子可控悬浮；(2)无源磁轴承：利用永磁体或超导体实现转子的部分或全部支撑；(3)混合磁轴承：既含有电磁铁，又有永磁体和超导体。针对于高速、真空、超净等特殊环境，磁悬浮轴承具有十分好的应用前景。国外自上世纪70年代，已进入实际的应用阶段，相关产品备受关注；国内近三十年来才逐渐开展磁悬浮轴承的相关研究，研究成果多处于实验室阶段，在大规模实用化上还有一段距离。磁悬浮轴承市场潜力巨大，开展其研究及工业应用具有战略意义。
电磁轴承是机电一体化控制系统，其电磁设计决定了承载能力，控制系统设计则关系着其静动态性能。针对于多自由度耦合、非线性磁悬浮轴承系统，当前控制方式的实现主要为模拟控制和数字控制两大类。数字控制相对于模拟控制，实现简单，控制灵活，可靠性高。功率放大器是磁悬浮轴承的关键组成部分，其将控制信号转换为磁悬浮轴承的控制电流，从而控制磁拉力。已有相关学者开展控制器拓扑研究，主要目标是：提高磁悬浮轴承控制系统的高效性，节约成本。
发明内容
针对于绕组电流呈现单向性的多轴磁悬浮轴承，例如主动式磁轴承等，本发明提供了一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，其目的在于减少电力电子开关器件的使用数目，减少控制信号驱动通道数，从而降低控制器体积、节约成本。
为实现上述目的，本发明提出了一种多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，针对绕组电流呈单向性的多轴磁悬浮轴承，包括：2N个绕组桥臂及一个共用桥臂；其中，N为多轴磁悬浮轴承自由度数；
绕组桥臂包括绕组上桥臂，其第一端与电源正极连接，其第二端与绕组的第一端连接，绕组上桥臂从第二端向第一端单向导通；以及
绕组下桥臂，设有第一可控开关，其第一端与绕组的第一端连接，其第二端与电源负极连接；
共用桥臂包括共用上桥臂，设有第二可控开关，其第一端与电源正极连接，其第二端与所有绕组的第二端连接；以及
共用下桥臂，其第一端与所有绕组的第二端连接，其第二端与电源负极连接，绕组上桥臂从第二端向第一端单向导通；
可控开关可控制其导通时间；通过同时控制第一可控开关和第二可控开关控制每个绕组通过每个绕组桥臂和共用桥臂的充放电时间，通过同时控制第一可控开关和第二可控开关控制每个绕组通过每个绕组桥臂和共用桥臂的续流时间。
共用桥臂构成每个绕组的充放电回路以及续流回路，能够有效的减少本发明提供的电力电子控制器中开关器件的使用，同时通过控制共用桥臂的第二可控开关的导通时间以及绕组桥臂的第一可控开关的导通时间实现对每个绕组电流的控制，使得本发明提供的用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器能够在减少开关元器件同时实现对绕组电流的控制。
进一步地，绕组下桥臂上第一可控开关和共用上桥臂上第二可控开关均为IGBT，绕组上桥臂和共用下桥臂均为二极管；
IGBT的集电极为绕组下桥臂的第一端，IGBT的发射极极为绕组下桥臂的第二端，IGBT的集电极为共用上桥臂的第一端，IGBT的发射极为共用上桥臂的第二端，通过改变IGBT门极控制信号控制开关管导通时间，二极管的负极为绕组上桥臂的第一端，二极管的正极为绕组上桥臂的第二端，二极管的负极为共用下桥臂的第一端，二极管的正极为共用下桥臂的第二端。
进一步地，第二可控开关的门极控制信号为占空比固定的脉冲调制信号，第一可控开关的门极控制信号为占空比可调的脉冲调制信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)由共用桥臂构成每个绕组的充放电回路以及续流回路，能够在确保同样电流控制需求的前提下，明显的减少了二极管和开关管的使用数目。
(2)开关管数目的减少，则控制信号通道数也相应减少，一定程度上减轻了控制器负担，减弱了控制复杂度。
(3)减轻了磁悬浮轴承控制器体积重量，提高了其功率密度。
(4)直接的减少了控制器设计成本。
附图说明
图1是本发明提供的五轴磁悬浮轴承的结构图；
图2是本发明提供的单个径向轴承结构；
图3为本发明提供的五轴磁悬浮轴承控制器拓扑图；
图4为本发明提供的单轴磁悬浮轴承控制器拓扑图；
图5为本发明提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中四种可控开关组合状态下单个绕组的励磁电流控制电路；(a)为第一可控开关与第二可控开关均导通时绕组电流控制电路，(b)为第一可控开关截止、第二可控开关均导通时绕组电流控制电路，(c)第一可控开关导通、第二可控开关均截止时绕组电流控制电路，(d)第一可控开关截止、第二可控开关均截止时绕组电流控制电路；
图6为本发明提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中绕组L1的电流单周期控制图
图7为本发明提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中绕组L2的电流单周期控制图；
图8为本发明提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中绕组L1电流上升的控制图；
图9为本发明提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中绕组L2电流下降的控制图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是五轴磁悬浮轴承的结构图，五轴磁悬浮轴承共需设计两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承，即有五个自由度的电磁力需要控制，并且各个自由度之间互相耦合，用该五轴磁悬浮轴承控制一根转子彻底悬浮，至少需要四个径向电磁力和一个轴向电磁力。
图2为单个径向轴承结构图，该径向轴承结构图有x方向径向电磁力Fx和y方向的径向电磁力Fy需要控制。x方向的电磁力Fx通过绕组2中电磁力和绕组4中电磁力共同确定，y方向的电磁力Fy通过绕组1中电磁力和绕组3中电磁力共同确定。电磁力Fmag和绕组励磁电流is以及转子相对位置s之间满足：Fmag＝Ki.is-Ks.s，其中，Ki为绕组励磁电流系数，Ks为转子相对位置系数，Ki和Ks均与径向轴承结构有关。控制方法上普遍采用双环控制，外环为位置环，通过位置传感器的反馈转子相对位置信号与控制目标位置进行对比，给出内环绕组励磁电流指令信号，最终通过电流环的迅速跟踪，实现各个自由度电磁力之间的有效控制。
本发明提供的用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，包括2N个绕组桥臂及一个共用桥臂；其中N为多轴磁悬浮轴承的自由度数，通过控制2个绕组的励磁电流来实现对1个自由度上电磁力的控制。
绕组桥臂包括绕组上桥臂和绕组下桥臂，绕组上桥臂第一端与电源正极连接，绕组上桥臂第二端与绕组的第一端连接，绕组上桥臂从第二端向第一端单向导通。绕组下桥臂上设有第一可控开关，可控开关可控制其导通时间，其第一端与绕组的第一端连接，其第二端与电源负极连接。
共用桥臂包括共用上桥臂和共用下桥臂，共用上桥臂上设有第二可控开关，其第一端与电源正极连接，其第二端与2N个绕组的第二端连接。共用下桥臂的第一端与2N个绕组的第二端连接，其第二端与电源负极连接,共用下桥臂从第二端向第一端单向导通。
每个绕组下桥臂和共用上桥臂组成该绕组的充电回路，通过控制第一可控开关和第二可控开关实现对绕组充电时间的控制，实现增大绕组励磁电流的控制。
每个绕组上桥臂和共用下桥臂组成该绕组的放电回路，通过控制第一可控开关和第二可控开关实现对绕组放电时间的控制，实现减少绕组励磁电流控制。
每个绕组下桥臂和共用下桥臂组成该绕组的续流回路，每个绕组上桥臂和共用上桥臂组成该绕组的续流回路，通过控制第一可控开关和第二可控开关实现选择绕组续流回路以及对绕组续流时间的控制，实现保持绕组励磁电流控制。
本发明提供的电力电子控制器中，由于每个绕组的充放电回路以及续流回路均共享共用桥臂，能够有效的减少电力电子控制器中开关元器件使用，同时通过控制共用桥臂上的第二可控开关的导通时间以及绕组桥臂上的第一可控开关的导通时间实现对每个绕组电流的控制，使得本发明提供的用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器能够在减少开关元器件同时实现对绕组电流的控制。
为更好地说明本发明提出的方案，接下来分析以五轴磁悬浮轴承为例，本发明提出的控制器适用于任意多轴磁悬浮轴承控制，并不局限于五轴磁悬浮轴承，通过调整绕组桥臂数量，即可改变控制轴数。
图3为本发明提供的用于五轴磁悬浮轴承的电力电子控制器的拓扑图，该磁悬浮轴承的自由度为5，故该磁悬浮轴承的电力电子控制器包括10个绕组桥臂及一个共用桥臂，以第一个绕组的绕组桥臂为例，第一个绕组的绕组桥臂包括绕组上桥臂和绕组下桥臂，绕组上桥臂为二极管，二极管负极与电源正极连接，二极管正极与第一个绕组第一端a1连接，绕组下桥臂为IGBT，IGBT的集电极与第一个绕组的第一端a1连接，IGBT的发射极与电源负极连接，其他绕组的绕组桥臂的连接关系同第一绕组的绕组桥臂连接关系相同。
共用桥臂包括共用上桥臂和共用下桥臂，共用上桥臂为IGBT，IGBT的集电极与电源正极连接，IGBT的发射极与10个绕组的第二端O连接，共用下桥臂为二极管，二极管负极与10个绕组的第二端O连接，二极管正极与电源负极连接。
按照本发明方案，每个自由度的绕组励磁电流控制不相互耦合，因此，单个自由度的电流控制电路可简化为图4。单个自由度的控制电路包括两个绕组桥臂和共用桥臂。为说明本发明提出的电力电子控制器的可行性，对单个励磁绕组的电流控制进行说明。本发明中多轴磁悬浮轴承的绕组励磁电流为单向，即电流i1始终由端点O流向端点a1。
开关管N和开关管A1共有四种组合状态，以‘1’表示开状态、‘0’表示关状态，图5为四种组合状态下单个绕组的励磁电流控制电路：
如图5(a)所示，‘11’状态，此时开关管N和开关管A1都导通，绕组电感压降VL等于母线电压Vdc，i1迅速增加，电磁力同步迅速增大；
如图5(b)所示，‘10’状态，此时开关管N导通、开关管A1关断，绕组电感压降VL等于0，i1续流状态，电磁力基本不变；
如图5(c)所示，‘01’状态，此时开关管N关断、开关管A1导通，绕组电感压降VL等于0，i1续流状态，电磁力基本不变；
如图5(d)所示，‘00’状态，此时开关管N关断、开关管A1关断，绕组电感压降VL等于-Vdc，i1迅速减小，电磁力同步迅速减小。
以上四种开关管组合能动态灵活的控制绕组励磁电流的大小，对于单个绕组只需两个二极管和两个开关管，并且其中一个二极管和一个开关管为共用桥臂。因此，本发明提供的多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，由于采用共用桥臂作为各绕组充放电回路以及续流回路的一部分，其使用的开关管数量明显减少，并且能够实现绕组励磁电流的控制。
本发明提出的电力电子控制器拓扑中，二极管数目D和开关管数目S和磁悬浮轴承自由度K的关系为：D＝2K+1；S＝2K+1。例如：五轴磁悬浮轴承有五个控制自由度，则K＝5，因此共需要11个二极管和11个开关管。
本发明提供的多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，对各绕组桥臂上第一可控开关和共用桥臂上第二可控开关可以采用如下控制方法：
在单个开关周期内，共用桥臂的第二可控开关管的导通时间固定，则单独控制各绕组桥臂上第一开关管的导通时间，即可控制绕组励磁电流，并且单个自由度上两绕组励磁电流的控制互不耦合；从而控制该自由度上的电磁力，使得转子在该自由度上悬浮。同理，其他自由度的绕组励磁电流的控制亦能实现。
此下面描述的励磁绕组电流控制方式仅以数字单周期控制方式为例，并仅说明单轴(单个自由度)绕组电流的控制情况，其他各轴绕组电流的控制均能实现。
图6为绕组L1的电流单周期的控制图，N为共用桥臂开关管的控制信号，导通时间占周期50％，A1为开关管A1控制信号，两个PWM控制信号将整个开关周期分为了五段，‘01’状态、‘11’状态、‘10’状态、‘11’状态以及‘01’状态，当开关管N和开关管A1的组合方式为‘01’状态或‘10’状态时，此时绕组L1两端电压VL1为0，绕组L1进入续流模式，由于含有较小的电阻特性，绕组L1的励磁电流i1缓慢减小；当开关管N和开关管A1组合方式为‘11’状态时，此时绕组L1两端电压VL1＝Vdc，绕组L1的励磁电流迅速增加；因而，绕组L1的励磁电流i1将会增大。
图7为绕组L2的电流单周期的控制图，N同样为共用桥臂开关管的控制信号，导通时间占周期50％，A2为开关管A2的控制信号，两个PWM控制信号将整个开关周期分为了五段，‘01’状态、‘00’状态、‘10’状态、‘00’状态以及‘01’状态，同样的，当开关管N和开关管A2的组合方式为‘01’状态或‘10’状态时，此时绕组L2两端电压VL2为0，绕组L2进入续流模式，由于含有较小的电阻特性，励磁电流i2缓慢减小；当开关管N和A2组合方式为‘00’状态时，此时励磁绕组两端电压VL2＝-Vdc，绕组L2励磁电流迅速减小；因而，绕组L2励磁电流i2将会减小。
由此可见，每个绕组的励磁电流均可实现独立控制，并能通过简单的PWM控制信号实现绕组励磁电流的迅速增大或减小。
图8给出了绕组L1电流上升的控制过程图，通过控制每个开关周期内开关管N和开关管A1的PWM信号，从而控制绕组电压VL1。在电流i1上升过程中，VL1呈现为0和Vdc之间的脉冲波，其电流响应速度迅速，控制性能良好。图9给出了绕组L2电流下降的控制过程图，通过控制每个开关周期内开关管N和开关管A2的PWM信号，从而控制绕组电压VL2。在电流i2下降过程中，VL2呈现为0和-Vdc之间的脉冲波。
以上电流控制过程互不干扰，其中共用桥臂开关管N始终保持50％占空比导通，为各个绕组电流控制起到参考作用，通过调节与各绕组桥臂的开关管占空比，即可迅速调节励磁绕组电流。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，针对绕组电流呈单向性的多轴磁悬浮轴承，其特征在于，包括：2N个绕组桥臂及一个共用桥臂；其中，N为多轴磁悬浮轴承自由度数；
所述绕组桥臂包括绕组上桥臂，其第一端与电源正极连接，其第二端与绕组的第一端连接，所述绕组上桥臂从第二端向第一端单向导通；以及
绕组下桥臂，设有第一可控开关，其第一端与所述绕组的第一端连接，其第二端与电源负极连接；
所述共用桥臂包括共用上桥臂，设有第二可控开关，其第一端与所述电源正极连接，其第二端与2N个绕组的第二端连接；以及
共用下桥臂，其第一端与2N个绕组的第二端连接，其第二端与所述电源负极连接，共用下桥臂从第二端向第一端单向导通；
可控开关可控制其导通时间；通过同时控制第一可控开关和第二可控开关控制每个绕组通过每个绕组桥臂和共用桥臂的充放电时间，通过同时控制第一可控开关和第二可控开关控制每个绕组通过每个绕组桥臂和共用桥臂的续流时间。
2.如权利要求1所述的电力电子控制器，其特征在于，所述绕组下桥臂上第一可控开关和所述共用上桥臂上第二可控开关均为IGBT，所述绕组上桥臂和所述共用下桥臂均为二极管；
IGBT的集电极为绕组下桥臂的第一端，IGBT的发射极为绕组下桥臂的第二端，IGBT的集电极为共用上桥臂的第一端，IGBT的发射极为共用上桥臂的第二端，通过改变IGBT门极控制信号控制IGBT导通时间，二极管的负极为绕组上桥臂的第一端，二极管的正极为绕组上桥臂的第二端，二极管的负极为共用下桥臂的第一端，二极管的正极为共用下桥臂的第二端。
3.如权利要求2所述的电力电子控制器，其特征在于，所述第二可控开关的门极控制信号为占空比固定的脉冲调制信号，所述第一可控开关的门极控制信号为占空比可调的脉冲调制信号。
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