CN107448476B - 一种用于多轴磁悬浮轴承的电流相反的电力电子控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于多轴磁悬浮轴承的电流相反的电力电子控制器，包括：2N个绕组桥臂及一个共用桥臂，其中，N为多轴磁悬浮轴承自由度数，2N个绕组桥臂分为N个A组绕组桥臂以及N个B组绕组桥臂，每一个绕组桥臂设置一个可控开关，共用桥臂设置2个可控开关，通过改变可控开关的导通时间控制通过每个绕组的电流，实现对多轴磁悬浮轴承中电磁力的控制。本发明的各绕组励磁电流在公共接点处相互抵消，改变了以往结构共用桥臂电流为各绕组桥臂之和，显著减小了流过共用桥臂可控开关的电流，降低了开关器件的负担，同时减小了开关损耗，并且采用共用桥臂的结构一定程度的减少了电子器件的数量，降低的成本，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流相反的电力电子控制器
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及一种用于多轴磁悬浮轴承的电流相反的电力电子控制器。
背景技术
电磁轴承是指利用电磁力使转子悬浮，从而实现与定子的无接触运行。磁轴承具有无摩擦、无污染、寿命长等特点，应用在高速、超高速以及需要无接触、无润滑、无污染的高性能传动场合。目前电磁轴承可分为三类：(1)有源磁轴承：通过控制电流来控制产生的电磁力来实现转子的控控悬浮；(2)无缘磁轴承：利用永磁体或超导体实现转子的部分或者全部支撑；(3)混合磁轴承：既含有电磁铁，又有永磁体和超导体。磁悬浮轴承目前已得到学术界和工业界的重视，具有十分好的应用前景。国外自上世纪70年代，已进入世纪的应用阶段，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。
对于一个有源磁轴承系统，其控制系统的设计关系着其静动态的性能。功率放大器是磁悬浮轴承系统中关键的组成部分，其将控制信号转换为控制电流从而控制电磁力。由于磁轴承系统是一个多自由度的系统，使用传统的全桥等拓扑结构会使整个控制系统结构变得复杂，成本高。目前已有学者提出一种共用桥臂的方法来减少所用器件数量降低成本，但共用桥臂的电流大，会使相应的器件负担较大，并且开关损耗较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于多轴磁悬浮轴承的电流相反的电力电子控制器，由此解决使用传统的全桥等拓扑结构会使整个控制系统结构变得复杂，成本高，使用共用桥臂的电流大，会使相应的器件负担较大，并且开关损耗较高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于多轴磁悬浮轴承的电流相反的电力电子控制器，包括：2N个绕组桥臂及一个共用桥臂，其中，N为多轴磁悬浮轴承自由度数，2N个绕组桥臂分为N个A组绕组桥臂以及N个B组绕组桥臂，每一个绕组桥臂设置一个可控开关，共用桥臂设置2个可控开关，通过改变可控开关的导通时间控制通过每个绕组的电流，实现对多轴磁悬浮轴承中电磁力的控制。
进一步的，A组绕组桥臂包括A组绕组上桥臂和A组绕组下桥臂，A组绕组上桥臂的第一端与电源正极连接，A组绕组上桥臂的第二端与A组绕组的第一端连接，A组绕组上桥臂从的第二端向A组绕组上桥臂的第一端单向导通；A组绕组下桥臂设有第一可控开关，第一可控开关的第一端与A组绕组的第一端连接，第一可控开关的第二端与电源负极连接。
进一步的，B组绕组桥臂包括B组绕组上桥臂和B组绕组下桥臂，B组绕组上桥臂设有第二可控开关，第二可控开关的第一端与电源正极连接，第二可控开关的第二端与B组绕组的第一端连接；B组绕组下桥臂的第一端与B组绕组的第一端连接，B组绕组下桥臂的第二端与电源负极连接，B组绕组下桥臂的第二端向B组绕组下桥臂的第一端单向导通。
进一步的，共用桥臂包括共用上桥臂和共用下桥臂，共用上桥臂设有第三可控开关，第三可控开关的第一端与电源正极连接，第三可控开关的第二端与2N个绕组的第二端连接，共用上桥臂的第二端向共用上桥臂的第一端通过二极管导通；共用下桥臂设有第四可控开关，第四可控开关的第一端与2N个绕组的第二端连接，第四可控开关的第二端与电源负极连接，共用下桥臂的第二端向共用下桥臂的第一端通过二极管导通。
进一步的，通过改变可控开关的导通时间控制通过每个绕组的电流包括：
通过同时控制第一可控开关和第三可控开关控制每个A组绕组通过每个A组绕组桥臂和共用桥臂的充放电时间以及续流时间；通过同时控制第二可控开关和第三可控开关控制每个B组绕组通过每个B组绕组桥臂和共用桥臂的充放电时间以及续流时间，由于A组绕组电流的方向与B组绕组电流的方向相反，使得两组绕组的电流在共用桥臂公共接点处得以互相抵消，从而使得流过第三可控开关和第四可控开关的电流大大减少，A组绕组电流与B组绕组电流由于大小不相等而没有互相抵消的部分，通过共用桥臂进行续流；通过控制A组绕组桥臂的第一可控开关以及共用上桥臂第三可控开关的导通时间实现对每个A组绕组电流的控制，通过控制B组绕组桥臂的第二可控开关以及共用下桥臂第四可控开关的导通时间实现对每个B组绕组电流的控制，使得用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器在减小通过共用桥臂的第三可控开关和第四可控开关的电流大小的同时实现对绕组电流的控制。
进一步的，第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关以及第四可控开关均为主动开关管，所述A组绕组上桥臂和B组绕组下桥臂均为二极管，第三可控开关以及第四可控开关各自并联一个二极管；A组绕组下桥臂的第一端为主动开关管的集电极，A组绕组下桥臂的第二端为主动开关管的发射极；B组绕组上桥臂的第一端为主动开关管的集电极，B组绕组上桥臂的第二端为主动开关管的发射极；共用上桥臂的第一端为主动开关管的集电极，共用上桥臂的第二端为主动开关管的发射极；共用下桥臂的第一端为主动开关管的集电极，共用下桥臂的第二端为主动开关管的发射极；通过改变主动开关管门极控制信号控制主动开关管导通时间；A组绕组上桥臂的第一端为二极管的负极，A组绕组上桥臂的第二端为二极管的正极；B组绕组下桥臂的第一端为二极管的负极，B组绕组下桥臂的第二端为二极管的正极；共用上桥臂的第一端为二极管的负极，共用上桥臂的第二端为二极管的正极；共用下桥臂的第一端为二极管的负极，共用下桥臂的第二端为二极管的正极。
进一步的，主动开关管门极控制信号包括：第一可控开关的门极控制信号、第二开关的门极控制信号、第三可控开关的门极控制信号与第四可控开关的门极控制信号，第三可控开关的门极控制信号与第四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与第二开关的门极控制信号为占空比可调的脉冲调制信号。
进一步的，主动开关管为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或者MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)。
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)本发明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导通时间，控制每个绕组进行充放电时间以及续流时间，实现对电流的控制，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。相对于传统的磁悬浮轴承控制器，本发明能使各绕组励磁电流在公共接点处中和，改变了以往结构共用桥臂电流为各绕组桥臂之和，显著减小了流过共用桥臂可控开关的电流，降低了开关器件的负担，同时减小了开关损耗，并且采用共用桥臂的结构一定程度的减少了电子器件的数量，降低的成本，具有很好的实际应用价值。
(2)本发明由共用桥臂构成每个绕组的充放电回路，能够在确保同样电流控制需求前提下，有效减少二极管和开关管的使用数目；将绕组桥臂分为了A、B两组，两组绕组电流方向相反，使其能在共用桥臂的公共接点处中和，从而减少了通过共用桥臂可控开关器件的电流大小，减小了其负担；通过共用桥臂可控开关器件电流的减小，则共用桥臂上的可控开关器件的开关损耗也会显著的减小，从而降低了整个控制器的功率损耗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的五轴磁悬浮轴承的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的单个径向轴承结构；
图3为本发明实施例提供的五轴磁悬浮轴承电力电子控制器的拓扑图；
图4为本发明实施例提供的单轴磁悬浮轴承电力电子控制器的拓扑图；
图5(a)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中A组桥臂在第一可控开关与第三可控开关均导通时单个绕组的励磁电流控制电路；
图5(b)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中A组桥臂在第一可控开关截止、第三可控开关导通时单个绕组的励磁电流控制电路；
图5(c)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中A组桥臂在第一可控开关导通、第三可控开关截止时单个绕组的励磁电流控制电路；
图5(d)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中A组桥臂在第一可控开关与第三可控开关均截止时单个绕组的励磁电流控制电路；
图6(a)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中B组桥臂在第二可控开关与第四可控开关均导通时单个绕组的励磁电流控制电路；
图6(b)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中B组桥臂在第二可控开关截止、第四可控开关导通时单个绕组的励磁电流控制电路；
图6(c)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中B组桥臂在第二可控开关导通、第四可控开关截止时单个绕组的励磁电流控制电路；
图6(d)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中B组桥臂在第二可控开关与第四可控开关均截止时单个绕组的励磁电流控制电路；
图7为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中绕组电流上升单周期控制图；
图8为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中绕组电流下降单周期控制图；
图9(a)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中死区时间内A组绕组总电流iA大于B组绕组总电流iB时的电路模态图，
图9(b)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中死区时间内A组绕组总电流iA小于B组绕组总电流iB时的电路模态图；
图10(a)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的店里电子控制器在考虑死区时间影响时iA小于iB时绕组电流下降单周期控制图；
图10(b)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的店里电子控制器在考虑死区时间影响时iA小于iB时绕组电流上升单周期控制图；
图10(c)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的店里电子控制器在考虑死区时间影响时iA大于iB时绕组电流下降单周期控制图；
图10(d)为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的店里电子控制器在考虑死区时间影响时iA大于iB时绕组电流上升单周期控制图；
图11为本发明实施例提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器各种情况下的电流控制结果图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是五轴磁悬浮轴承的结构图，五轴磁悬浮轴承系统控制一根转子实现完全悬浮，需两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承，有五个自由度的电磁力需要进行控制，各自由度之间存在相互耦合。
图2为单个径向磁轴承的结构图。该径向磁轴承结构有x方向的电磁力Fx和y方向的电磁力Fy需要控制。其中x方向的电磁力Fx通过绕组2产生的电磁力和绕组4产生的电磁力共同确定，y方向的电磁力Fy通过绕组1产生的电磁力和绕组3产生的电磁力共同确定。每个绕组产生的电磁力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为电磁力/电流系数，Ks为电磁力/位移系数，Ki与Ks均与径向轴承结构有关。控制上通常采用双环控制，外环为位置环，通过位置传感器反馈的转子相对位置信号与给定位置进行对比，通过控制器给出内环绕组励磁电流指令信号，最终通过电流环迅速跟踪，实现各个自由度电磁力之间的有效控制。
本发明实施例提供的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，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；绕组桥臂分为N个A组绕组桥臂以及N个B组绕组桥臂，通过控制一个A组绕组的励磁电流以及一个B组绕组的励磁电流来实现对一个自由度上电磁力的控制。
其中，A组绕组桥臂包括A组绕组上桥臂和A组绕组下桥臂，A组绕组上桥臂的第一端与电源正极连接，A组绕组上桥臂的第二端与A组绕组的第一端连接，A组绕组上桥臂从的第二端向A组绕组上桥臂的第一端单向导通；A组绕组下桥臂设有第一可控开关，第一可控开关的第一端与A组绕组的第一端连接，第一可控开关的第二端与电源负极连接；
B组绕组桥臂包括B组绕组上桥臂和B组绕组下桥臂，B组绕组上桥臂设有第二可控开关，第二可控开关的第一端与电源正极连接，第二可控开关的第二端与B组绕组的第一端连接；B组绕组下桥臂的第一端与B组绕组的第一端连接，B组绕组下桥臂的第二端与电源负极连接，B组绕组下桥臂的第二端向B组绕组下桥臂的第一端单向导通；
共用桥臂包括共用上桥臂和共用下桥臂，共用上桥臂设有第三可控开关，第三可控开关的第一端与电源正极连接，第三可控开关的第二端与2N个绕组的第二端连接，共用上桥臂的第二端向共用上桥臂的第一端通过二极管导通；共用下桥臂设有第四可控开关，第四可控开关的第一端与2N个绕组的第二端连接，第四可控开关的第二端与电源负极连接，共用下桥臂的第二端向共用下桥臂的第一端通过二极管导通；
通过控制可控开关的导通时间来控制电路工作：通过同时控制第一可控开关和第三可控开关控制每个A组绕组通过每个A组绕组桥臂和共用桥臂的充放电时间以及续流时间；通过同时控制第二可控开关和第三可控开关控制每个B组绕组通过每个B组绕组桥臂和共用桥臂的充放电时间以及续流时间。
由于A组绕组电流的方向与B组绕组电流的方向相反，使得两组绕组的电流在共用桥臂公共接点处得以中和，从而使得流过第三可控开关和第四可控开关的电流大大减少，A组绕组电流与B组绕组电流由于大小不相等而没有中和的部分，通过共用桥臂进行续流；通过控制A组绕组桥臂的第一可控开关以及共用上桥臂第三可控开关的导通时间可以实现对每个A组绕组电流的控制，通过控制B组绕组桥臂的第二可控开关以及共用下桥臂第四可控开关的导通时间可以实现对每个B组绕组电流的控制，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小通过共用桥臂的第三可控开关和第四可控开关的电流大小的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，接下来的分析均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，其中5个绕组桥臂划分为A组，另外5个绕组桥臂划分为B组，及一个公用桥臂。以A组的第一个绕组的绕组桥臂为例，A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A组第一个绕组第一端a1连接，A组绕组下桥臂为IGBT，IGBT的集电极与A组第一个绕组的第一端a1连接，IGBT的发射极与电源负极连接，A组其他绕组桥臂的连接关系同A组第一绕组的绕组桥臂连接关系相同；以B组的第一个绕组的绕组桥臂为例，B组的绕组桥臂包括绕组上桥臂和绕组下桥臂，绕组下桥臂为二极管，二极管正极与电源负极连接，二极管负极与B组第一个绕组第一端b1连接，B组绕组上桥臂为IGBT，IGBT的发射极与B组第一个绕组的第一端b1连接，IGBT的集电极与电源正极连接，B组其他绕组桥臂的连接关系同B组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与二极管并联，IGBT的集电极与二极管的负极连接，并连接到电源的正极，IGBT的发射极与二极管的正极连接，并连接到绕组公共端O点；共用上桥臂为IGBT与二极管并联，IGBT的集电极与二极管的负极连接，并连接到绕组公共端O点，IGBT的发射极与二极管的正极连接，并连接到电源负极。按照本发明的方案，A组绕组的电流都由公共点O流向各个绕组的第一端，B组绕组的电流都由各自绕组的第一端流向公共接点O，并每个自由度的绕组励磁电流控制不相互耦合，因此对单个自由度的电流控制电路可以简化为图4。单个自由度的控制电流包括一个A组的绕组桥臂和一个B组的绕组桥臂以及共用桥臂。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。
对A组绕组来说，由开关管NA和A1对电流进行控制，它们有四种组合状态，以‘1’表示开状态，‘0’表示关状态，图5为四种组合状态下A组单个绕组励磁电流控制电路：
如图5(a)所示，‘11’状态，此时开关管NA和A1都导通，此时绕组电感压降VL等于母线电压Vdc，i1迅速增加，导致绕组产生的电磁力增大；如图5(b)所示，‘10’状态，此时开关管NA导通、开关管A1关断，绕组电感压降VL等于0，i1处于续流状态缓慢下降，产生的电磁力基本维持不变；如图5(c)所示，‘01’状态，此时开关管NA关断、开关管A1导通，绕组电感压降VL等于0，i1处于续流状态缓慢下降，产生的电磁力基本维持不变；如图5(d)所示，‘00’状态，此时开关管NA和A1都关断，此时绕组电感压降VL等于-Vdc，i1迅速减小，导致绕组产生的电磁力减小。
对B组绕组来说，由开关管NB和B1对电流进行控制，它们有四种组合状态，以‘1’表示开状态，‘0’表示关状态，图6为四种组合状态下B组单个绕组励磁电流控制电路：
如图6(a)所示，‘11’状态，此时开关管NB和B1都导通，此时绕组电感压降VL等于母线电压Vdc，i2迅速增加，导致绕组产生的电磁力增大；如图6(b)所示，‘10’状态，此时开关管NB导通、开关管B1关断，绕组电感压降VL等于0，i2处于续流状态缓慢下降，产生的电磁力基本维持不变；如图6(c)所示，‘01’状态，此时开关管NB关断、开关管B1导通，绕组电感压降VL等于0，i2处于续流状态缓慢下降，产生的电磁力基本维持不变；如图6(d)所示，‘00’状态，此时开关管NB和B1都关断，此时绕组电感压降VL等于-Vdc，i2迅速减小，导致绕组产生的电磁力减小。
对于每组中的绕组，都有4种开关组合能动态灵活地控制绕组励磁电流的大小。对于所有的A组绕组，可共用一个开关管和二极管；对于所有的B组绕组，可共用一个开关管和二极管。
本发明提出的多轴磁悬浮的电力电子控制器，对A组绕组桥臂上第一可控开关、B组绕组桥臂上第二可控开关以及共用上桥臂的第三可控开关和共用下桥臂的第四可控开关可以采用如下控制方式：
在单个开关周期内，共用上桥臂的第三可控开关以及共用下桥臂的第四可控开关导通时间固定，并且互补，单独控制A组各绕组桥臂上第一可控开关或B组各绕组桥臂上第二可控开关的导通时间，即可控制各个绕组的励磁电流，并且各电流控制互不耦合；从而可以控制各绕组产生的电磁力，使得转子悬浮。
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，并仅说明单个绕组电流源控制情况，其他各绕组控制原理相同。
图7为增加绕组L电流单周期的控制图，N为共用桥臂开关管(对A组绕组为NA，对B组绕组为NB)，控制其导通时间固定为50％，S为绕组桥臂的控制信号，两个PWM控制信号将整个开关周期分为了五段，‘01’、‘11’、‘10’‘11’‘01’，当开关管状态为‘01’或‘10’，绕组处于续流模式，由于有较小的电阻特性，电流会缓慢减少；当开关管状态为‘11’时，绕组两端电压为Vdc，绕组L的励磁电流迅速上升，因此，通过一个开关周期，绕组L励磁电流增大；
图8为减小绕组L电流单周期的控制图，N为共用桥臂开关管(对A组绕组为NA，对B组绕组为NB)，控制其导通时间固定为50％，S为绕组桥臂的控制信号，两个PWM控制信号将整个开关周期分为了五段，‘01’、‘00’、‘10’‘00’‘01’，当开关管状态为‘01’或‘10’，绕组处于续流模式，由于有较小的电阻特性，电流会缓慢减少；当开关管状态为‘00’时，绕组两端电压为-Vdc，绕组L的励磁电流迅速下降，因此，通过一个开关周期，绕组L励磁电流减小。
由此可见，每个绕组的励磁电流可实现独立控制，通过改变PWM信号来控制绕组励磁电磁的增大或减小。
进一步地，为了防止共用桥臂直通，需要在第三可控开关与第四可控开关导通之间加入死区。加入死区之后，在死区时间内绕组公共接点O的电位将不直接由可控开关器件控制，而O点在死区时间内的电位将会影响绕组电流的控制效果。
图9为死区时间内O点电位的两种情况。图9(a)为A组绕组总电流iA大于B组绕组总电流iB时，电流没被中和的部分需要通过共用下桥臂的并联二极管DB流入O点，此时DB导通，O点连接到电源负极，为低电平；图9(b)为A组绕组总电流iA小于B组绕组总电流iB时，电流没被中和的部分需要通过共用上桥臂的并联二极管DA流出O点，此时DA导通，O点连接到电源正极，为高电平。
图10为考虑死区时间td后实际单个绕组的单周期控制图。从本质上来说，绕组电流的变化是根据其端电压的大小，也就是绕组两端的电位差。由此可见，在加入死区时间之后，需要通过比较A组绕组总电流iA与B组绕组总电流iB大小，来确定O点实际的电平状态，再来控制各绕组桥臂上的第一可控开关或第二可控开关，从而达到电流控制的效果。
由此可见，本发明提出的电力电子控制装置，A组绕组的电流与B组绕组电流正好相反，在公共接点O处发生了中和，只有两组电流由于大小不相等而没有完全中和的部分通过了共用桥臂其中一个开关管，降低了共用桥臂开关管的负担。例如：当A组绕组的总电流为15A，B组绕组总电流为20A，此时通过共用桥臂开关管NA的电流为0，通过开关管NB的电流为5A；当A组绕组的总电流为20A，B组绕组总电流为15A，此时通过共用桥臂开关管NA的电流为5A，通过开关管NB的电流为0。图11展示了A组B组绕组电流上升以及下降的控制过程，以及在不同情况下通过共用桥臂可控开关器件的电流大小：在0～0.003s之间，A组的绕组的电流从0A上升至3A，B组绕组的电流从0A上升至3A，此时A组绕组电流与B组绕组的电流相等，通过共用桥臂可控开关器件的电流都为0；在0.003～0.007s之间，A组的绕组的电流从3A下降至2A，B组绕组的电流从3A上升至4A，此时A组绕组电流小于B组绕组的电流，此时通过共用桥臂上桥臂可控开关管NA的电流为0A，通过共用桥臂下桥臂可控开关管NB的电流为A组绕组电流与B组绕组电流的差2A；在0.007～0.01s之间，A组的绕组的电流从2A上升至4A，B组绕组的电流从4A下降至2A，此时A组绕组电流大于B组绕组的电流，此时通过共用桥臂上桥臂可控开关管NA的电流为为A组绕组电流与B组绕组电流的差2A，通过共用桥臂下桥臂可控开关管NB的电流为0A。
另外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与自由度N的关系为：D＝2K+2；S＝2K+2。例如：五轴磁悬浮轴承自由度N＝5，因此共需要12个二极管和12个开关管。与传统的多轴控制器相比，能一定程度的减少电子器件的使用，降低成本。
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 (5)

1.一种用于多轴磁悬浮轴承的电流相反的电力电子控制器，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，2N个绕组桥臂分为N个A组绕组桥臂以及N个B组绕组桥臂，每一个绕组桥臂设置一个可控开关，共用桥臂设置2个可控开关，通过改变可控开关的导通时间控制通过每个绕组的电流，实现对多轴磁悬浮轴承中电磁力的控制；
所述A组绕组桥臂包括A组绕组上桥臂和A组绕组下桥臂，A组绕组上桥臂的第一端与电源正极连接，A组绕组上桥臂的第二端与A组绕组的第一端连接，A组绕组上桥臂从的第二端向A组绕组上桥臂的第一端单向导通；A组绕组下桥臂设有第一可控开关，第一可控开关的第一端与A组绕组的第一端连接，第一可控开关的第二端与电源负极连接；
所述B组绕组桥臂包括B组绕组上桥臂和B组绕组下桥臂，B组绕组上桥臂设有第二可控开关，第二可控开关的第一端与电源正极连接，第二可控开关的第二端与B组绕组的第一端连接；B组绕组下桥臂的第一端与B组绕组的第一端连接，B组绕组下桥臂的第二端与电源负极连接，B组绕组下桥臂的第二端向B组绕组下桥臂的第一端单向导通；
所述共用桥臂包括共用上桥臂和共用下桥臂，共用上桥臂设有第三可控开关，第三可控开关的第一端与电源正极连接，第三可控开关的第二端与2N个绕组的第二端连接，共用上桥臂的第二端向共用上桥臂的第一端通过二极管导通；共用下桥臂设有第四可控开关，第四可控开关的第一端与2N个绕组的第二端连接，第四可控开关的第二端与电源负极连接，共用下桥臂的第二端向共用下桥臂的第一端通过二极管导通。
2.如权利要求1所述的一种用于多轴磁悬浮轴承的电流相反的电力电子控制器，其特征在于，所述通过改变可控开关的导通时间控制通过每个绕组的电流包括：
通过同时控制第一可控开关和第三可控开关控制每个A组绕组通过每个A组绕组桥臂和共用桥臂的充放电时间以及续流时间；通过同时控制第二可控开关和第三可控开关控制每个B组绕组通过每个B组绕组桥臂和共用桥臂的充放电时间以及续流时间，由于A组绕组电流的方向与B组绕组电流的方向相反，使得两组绕组的电流在共用桥臂公共接点处得以中和，从而使得流过第三可控开关和第四可控开关的电流减少，A组绕组电流与B组绕组电流由于大小不相等而没有中和的部分，通过共用桥臂进行续流；通过控制A组绕组桥臂的第一可控开关以及共用上桥臂第三可控开关的导通时间实现对每个A组绕组电流的控制，通过控制B组绕组桥臂的第二可控开关以及共用下桥臂第四可控开关的导通时间实现对每个B组绕组电流的控制，使得用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器在减小通过共用桥臂的第三可控开关和第四可控开关的电流大小的同时实现对绕组电流的控制。
3.如权利要求1或2所述的一种用于多轴磁悬浮轴承的电流相反的电力电子控制器，其特征在于，所述第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关以及第四可控开关均为主动开关管，所述A组绕组上桥臂和B组绕组下桥臂均为二极管，第三可控开关以及第四可控开关各自并联一个二极管；A组绕组下桥臂的第一端为主动开关管的集电极，A组绕组下桥臂的第二端为主动开关管的发射极；B组绕组上桥臂的第一端为主动开关管的集电极，B组绕组上桥臂的第二端为主动开关管的发射极；共用上桥臂的第一端为主动开关管的集电极，共用上桥臂的第二端为主动开关管的发射极；共用下桥臂的第一端为主动开关管的集电极，共用下桥臂的第二端为主动开关管的发射极；通过改变主动开关管门极控制信号控制主动开关管导通时间；A组绕组上桥臂的第一端为二极管的负极，A组绕组上桥臂的第二端为二极管的正极；B组绕组下桥臂的第一端为二极管的负极，B组绕组下桥臂的第二端为二极管的正极；共用上桥臂的第一端为二极管的负极，共用上桥臂的第二端为二极管的正极；共用下桥臂的第一端为二极管的负极，共用下桥臂的第二端为二极管的正极。
4.如权利要求3所述的一种用于多轴磁悬浮轴承的电流相反的电力电子控制器，其特征在于，所述主动开关管门极控制信号包括：第一可控开关的门极控制信号、第二开关的门极控制信号、第三可控开关的门极控制信号与第四可控开关的门极控制信号，第三可控开关的门极控制信号与第四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与第二开关的门极控制信号为占空比可调的脉冲调制信号。
5.如权利要求4所述的一种用于多轴磁悬浮轴承的电流相反的电力电子控制器，其特征在于，所述主动开关管为IGBT或者MOSFET。
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