CN110107593B - 无偏置磁轴承线圈控制电路及控制方法 - Google Patents

无偏置磁轴承线圈控制电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及磁轴承线圈电流控制技术领域，具体涉及一种无偏置磁轴承线圈控制电路及控制方法。该控制电路包括：第一通断控制模块、第二通断控制模块、第一线圈(譬如轴承的正向线圈)电路模块和第二线圈(譬如轴承的负向线圈)电路模块，在传统的电路中，不同线圈中的电流独立控制，导致电力电子器件频繁高频运作，降低系统的可靠性，减慢了控制闭环的动态响应，并大大增加了控制策略的复杂度。本发明的控制电路中不同线圈中的电流统一控制，不需要控制环间相互协调，大大简化了无偏置磁轴承线圈的控制电路结构及磁轴承线圈中电流的控制策略，降低了控制电路的复杂度同时提高了磁轴承系统的动态响应以及可靠性。

Description

无偏置磁轴承线圈控制电路及控制方法
技术领域
本发明涉及磁轴承线圈电流控制技术领域，具体涉及一种无偏置磁轴承线圈控制电路及控制方法。
背景技术
无偏置主动磁轴承线圈控制由于没有偏置磁场，只有控制磁场的存在，当系统控制要求磁浮轴承对轴系产生正向作用力时，由于磁场吸引力的单向性，只有正向控制线圈中需要导入控制电流，而负向控制电流需要保持为零。当系统控制要求磁浮轴承对轴系产生负向作用力时，正向控制电流需要保持为零，只有负向控制线圈中需要导入控制电流。为了实现这种单侧电流为零的控制，通常需要两组电力电子电路，分别控制正反两方向线圈中的电流，以保证轴承力的自由控制。在需要特定方向轴承力时，只有一组桥式电路导通，另一组桥式电路关闭，在这种设计中，所需要的电力电子电路过于复杂，而且由于正负向线圈为独立控制，两路控制环间的协调控制难度大大增加，由于轴系的动态响应，会造成磁浮轴承控制系统对轴承力方向需求高频变化，需要电力电子电路高频运作。
鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的无偏置磁轴承线圈控制电路及控制方法成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种无偏置磁轴承线圈控制电路及控制方法。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明的一个方面提供了一种无偏置磁轴承线圈控制电路，该控制电路包括：
第一通断控制模块，一端连接电源正极，另一端连接电源负极或接地，用于控制电源正极输出的电流输入到电路中或电路中的电流输出到电源负极或接地；
第二通断控制模块，与所述第一通断控制模块间隔设置，一端连接电源的输出端，另一端连接电源负极或接地，用于控制电源正极输出的电流输入到电路中或电路中的电流输出到电源负极或接地；
设于所述第一通断控制模块和第二通断控制模块之间的依次串联的第一线圈电路模块和第二线圈电路模块，所述第一线圈电路模块的一端连接所述第一通断控制模块，所述第一线圈电路模块的另一端与所述第二线圈电路模块的一端串联，所述第二线圈电路模块的另一端连接所述第二通断控制模块，所述第一线圈电路模块包括：第一线圈和与所述第一线圈并联的第一二极管，所述第二线圈电路模块包括：第二线圈和与所述第二线圈并联的第二二极管；
导通第二线圈中的电流时，控制第一通断控制模块将电源正极输出的电流输入到电路中，流经第一二极管，绕过第一线圈，流向第二线圈，同时控制第二通断控制模块将电路中的电流输出到电源负极或接地；导通第一线圈中的电流时，控制第二通断控制模块将电源正极输出的电流输入到电路中，流经第二二极管，绕过第二线圈，流向第一线圈，同时控制第一通断控制模块将电路中的电流输出到电源负极或接地。
优选地，所述第一通断控制模块包括依次串联的第一开关和第二开关，第一开关的一端连接电源正极，第一开关的另一端与第二开关的一端串联，第二开关的另一端连接电源负极或接地。
优选地，所述第二通断控制模块包括依次串联的第三开关和第四开关，第三开关的一端连接电源正极，第三开关的另一端与第四开关的一端串联，第四开关的另一端连接电源负极或接地。
优选地，所述第一线圈电路模块的一端设于所述第一开关和第二开关之间，所述第一线圈电路模块的另一端与所述第二线圈电路模块的一端串联，所述第二线圈电路模块的另一端设于所述第三开关和所述第四开关之间；导通第一线圈中的电流时，控制第二开关和第三开关导通，同时控制第一开关和第四开关断开；导通第二线圈中的电流时，控制第一开关和第四开关导通，同时控制第二开关和第三开关断开。
优选地，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均为电力电子开关器件。
优选地，所述第一线圈电路模块还包括与所述第一二极管串联的第一电抗，所述第一二极管的正极连接所述第一线圈的一端，所述第一二极管的负极连接所述第一电抗，所述第一电抗包括电阻、电感和电容中的一种或多种。
优选地，所述第二线圈电路模块还包括与所述第二二极管串联的第二电抗，所述第二二极管的正极连接所述第二线圈的一端，所述第二二极管的负极连接所述第二电抗，所述第二电抗包括电阻、电感和电容中的一种或多种。
优选地，该控制电路还包括设于所述第一线圈电路模块和第二线圈电路模块之间的第三电抗，所述第三电抗与所述第一线圈电路模块以及第二线圈电路模块均串联，所述第三电抗包括电阻、电感和电容中的一种或多种。
本发明的另一方面还提供了一种无偏置磁轴承线圈控制方法，该控制方法包括：
导通第二线圈中的电流时，控制第一通断控制模块将电源正极输出的电流输入到电路中，流经第一二极管，绕过第一线圈，流向第二线圈，同时控制第二通断控制模块将电路中的电流输出到电源负极或接地；
导通第一线圈中的电流时，控制第二通断控制模块将电源正极输出的电流输入到电路中，流经第二二极管，绕过第二线圈，流向第一线圈，同时控制第一通断控制模块将电路中的电流输出到电源负极或接地。
本发明的无偏置磁轴承线圈控制电路和控制方法，实现了控制电路中第一线圈和第二线圈的电流统一控制，不需要控制环间相互协调，大大简化了无偏置磁轴承线圈的控制电路结构及磁轴承线圈中电流的控制策略，降低了控制电路的复杂度同时提高了磁轴承系统的动态响应以及可靠性。
附图说明
图1是本发明的控制电路的结构示意图。
图2是本发明的控制电路在第一线圈导通电流时的电流流向示意图。
图3是本发明的控制电路在第二线圈导通电流时的电流流向示意图。
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，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
本发明的实施例公开了一种无偏置磁轴承线圈控制电路和控制方法，应用场景包括但不限于径向无偏置磁轴承系统、轴向无偏置磁轴承系统和径向-轴向混合无偏置磁轴承系统。由于无偏置磁轴承系统中不同线圈中电流可能是互斥关系，即第一线圈导通时，第二线圈中的电流关断或者接近于关断，而当第二线圈导通时，第一线圈中的电流关断或者接近于关断。在传统的电路中，不同线圈(譬如正、负向线圈)中的电流独立控制，导致电力电子器件高频运作，降低系统的可靠性，减慢了控制闭环的动态响应，并大大增加了控制策略的复杂度。本实施例的控制电路中不同线圈的电流统一控制，不需要控制环间相互协调，大大简化了无偏置磁轴承线圈的控制电路结构及磁轴承线圈中电流的控制策略，降低了控制电路的复杂度同时提高了磁轴承系统的动态响应以及可靠性。
图1示出了一种无偏置磁轴承线圈控制电路，请参见图1，该控制电路包括：第一通断控制模块10、第二通断控制模块20、第一线圈电路模块30和第二线圈电路模块40。
进一步地，第一通断控制模块10的一端连接电源正极50，另一端接地60，在另一些实施例中，第一通断控制模块10的另一端连接电源负极，第一通断控制模块10用于控制电源正极50输出的电流输入到电路中或电路中的电流输出到电源负极或接地60，第二通断控制模块20与第一通断控制模块10间隔设置，第二通断控制模块20的一端连接电源正极50，另一端接地60，在另一些实施例中，第二通断控制模块20的另一端连接电源负极，第二通断控制模块20用于控制电源正极50输出的电流输入到电路中或电路中的电流输出到电源负极或接地60。
第一线圈电路模块30和第二线圈电路模块40串联，且设于第一通断控制模块10和第二通断控制模块20之间，第一线圈电路模块30的一端连接第一通断控制模块10，第一线圈电路模块30的另一端与第二线圈电路模块40的一端串联，第二线圈电路模块40的另一端连接第二通断控制模块20。
进一步地，第一线圈电路模块30包括：第一线圈301和与第一线圈301并联的第一二极管302，第二线圈电路模块40包括：第二线圈401和与第二线圈401并联的第二二极管402。
导通第一线圈301中的电流时，控制第二通断控制模块20将电源正极50输出的电流输入到电路中，由于第二二极管402具有反向阻断和正向低阻特性，如图2所示，电流流经第二二极管402，绕过第二线圈401，流向第一线圈301，同时控制第一通断控制模块10将电路中的电流输出接地60；导通第二线圈401中的电流时，控制第一通断控制模块10将电源正极50输出的电流输入到电路中，由于第一二极管302具有反向阻断和正向低阻特性，如图3所示，电流流经第一二极管302，绕过第一线圈301，流向第二线圈401，同时控制第二通断控制模块20将电路中的电流输出接地60。
进一步地，第一线圈301和第二线圈401为两个不同线圈，如轴承的正向线圈和轴承的负向线圈，在本实施例中，第一线圈301为轴承的正向线圈，第二线圈401为轴承的负向线圈。
进一步地，请参见图1，第一通断控制模块10包括依次串联的第一开关101和第二开关102；具体地，第一开关101的一端连接电源正极50，第一开关101的另一端与第二开关102的一端串联，第二开关102的另一端接地60，在另一些优选地实施例中，第二开关102的另一端连接电源负极。
第二通断控制模块20包括依次串联的第三开关201和第四开关202；具体地，第三开关201的一端连接电源正极50，第三开关201的另一端与第四开关202的一端串联，第四开关202的另一端接地60，在另一些优选地实施例中，第四开关202的另一端连接电源负极。
进一步地，请参见图1，第一线圈电路模块30的一端设于第一开关101和第二开关102之间，第一线圈电路模块30的另一端与第二线圈电路模块40的一端串联，第二线圈电路模块40的另一端设于第三开关201和第四开关202之间。
在本实施例中，当需要在第一线圈301导通电流时，第二开关102和第三开关201导通，第一开关101和第四开关202断开，由于第二二极管402具有反向阻断和正向低阻特性，如图2所示，电流经过第二二极管402，绕过第二线圈401，流过第一线圈301；同时，第二线圈401中的残余电流经过第二线圈电路模块40迅速释放。第一线圈301中的电流值迅速达到系统控制值，第二线圈401中的电流值小到对磁轴承作用力影响可以忽略不计。
当需要在第二线圈401导通电流时，第一开关101和第四开关202导通，第二开关102和第三开关201断开，由于第一二极管302具有反向阻断和正向低阻特性，如图3所示，电流经过第一二极管302，绕过第一线圈301，流过第二线圈401；同时，第一线圈301中的残余电流经过第一线圈电路模块30迅速释放。第二线圈401中的电流值迅速达到系统控制值，第一线圈301中的电流值小到对磁轴承作用力影响可以忽略不计。
该控制电路中第一线圈301和第二线圈401的电流统一控制，不需要控制环间相互协调，降低了控制电路的复杂度，相对于传统的电路结构，二极管旁路电路还能大大加快线圈中电流的关断速度，提高磁轴承系统的响应。
在上述实施例的基础上，本实施例中，第一开关101、第二开关102、第三开关201和第四开关202均为电力电子开关器件，电力电子开关器件包括但不限于MOSFET或IGBT。上述控制电路对第一线圈301和第二线圈401进行统一控制，第一开关101、第二开关102、第三开关201和第四开关202的工作频率大大降低，避免了开关工作频率过高时，开关的导通和关断延迟接近于器件的开关频率，进而对控制电路造成冲击。
在上述实施例的基础上，本实施例中，第一线圈电路模块30还包括与第一二极管302串联的第一电抗303，第一二极管302的正极连接第一线圈301的一端，第一二极管302的负极连接第一电抗303，第一电抗303还连接第一线圈301的另一端。
进一步地，第二线圈电路模块40还包括与第二二极管402串联的第二电抗403，第二二极管402的正极连接第二线圈401的一端，第二二极管402的负极连接第二电抗403，第二电抗403还连接第二线圈401的另一端。
进一步地，该控制电路还包括设于第一线圈电路模块30和第二线圈电路模块40之间的第三电抗70，第三电抗70与第一线圈电路模块30以及第二线圈电路模块40均串联。
进一步地，第一电抗303、第二电抗403和第三电抗70均包括电阻、电感和电容中的一种或多种。第一电抗303、第二电抗403和第三电抗70可根据控制电路需要随意选配或者完全缺省，电抗的存在可以在多方面提高磁轴承系统的性能，例如加快线圈中电流的关断速度、对磁轴承系统提供过流保护等。
具体地，该控制电路中可以完全缺省第一电抗303、第二电抗403和第三电抗70，控制电路中具有一个电抗时，可以是第一电抗303、第二电抗403和第三电抗70中的其中一个，该控制电路中具有两个电抗时，可以是第一电抗303与第二电抗403、第一电抗303与第三电抗70、或者第二电抗403与第三电抗70搭配，该控制电路中具有三个电抗时，则第一电抗303、第二电抗403和第三电抗70同时存在。
本发明的实施例还提供了一种无偏置磁轴承线圈控制方法，该控制方法包括：
导通第二线圈中的电流时，控制第一通断控制模块将电源正极输出的电流输入到电路中，流经第一二极管，绕过第一线圈，流向第二线圈，同时控制第二通断控制模块将电路中的电流输出到电源负极或接地。
导通第一线圈中的电流时，控制第二通断控制模块将电源正极输出的电流输入到电路中，流经第二二极管，绕过第二线圈，流向第一线圈，同时控制第一通断控制模块将电路中的电流输出到电源负极或接地。
关于第一通断控制模块和第二通断控制模块可参见上述实施例中控制电路的描述，在此不再赘述。
具体地，导通第二线圈中的电流时，控制第一开关和第四开关导通，同时控制第二开关和第三开关断开；使电流流经第一二极管，绕过第一线圈，流向第二线圈。导通第一线圈中的电流时，控制第二开关和第三开关导通，同时控制第一开关和第四开关断开；使电流流经第二二极管，绕过第二线圈，流向第一线圈。
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 (10)

1.一种无偏置磁轴承线圈控制电路，其特征在于，该控制电路包括：
第一通断控制模块，一端连接电源正极，另一端连接电源负极或接地，用于控制电源正极输出的电流输入到电路中或电路中的电流输出到电源负极或接地；
第二通断控制模块，与所述第一通断控制模块间隔设置，一端连接电源的输出端，另一端连接电源负极或接地，用于控制电源正极输出的电流输入到电路中或电路中的电流输出到电源负极或接地；
设于所述第一通断控制模块和第二通断控制模块之间的依次串联的第一线圈电路模块和第二线圈电路模块，所述第一线圈电路模块的一端连接所述第一通断控制模块，所述第一线圈电路模块的另一端与所述第二线圈电路模块的一端串联，所述第二线圈电路模块的另一端连接所述第二通断控制模块，所述第一线圈电路模块包括：第一线圈和与所述第一线圈并联的第一二极管，所述第二线圈电路模块包括：第二线圈和与所述第二线圈并联的第二二极管；
导通第二线圈中的电流时，控制第一通断控制模块将电源正极输出的电流输入到电路中，流经第一二极管，绕过第一线圈，流向第二线圈，同时控制第二通断控制模块将电路中的电流输出到电源负极或接地；导通第一线圈中的电流时，控制第二通断控制模块将电源正极输出的电流输入到电路中，流经第二二极管，绕过第二线圈，流向第一线圈，同时控制第一通断控制模块将电路中的电流输出到电源负极或接地。
2.根据权利要求1所述的无偏置磁轴承线圈控制电路，其特征在于，所述第一通断控制模块包括依次串联的第一开关和第二开关，第一开关的一端连接电源正极，第一开关的另一端与第二开关的一端串联，第二开关的另一端连接电源负极或接地。
3.根据权利要求2所述的无偏置磁轴承线圈控制电路，其特征在于，所述第二通断控制模块包括依次串联的第三开关和第四开关，第三开关的一端连接电源正极，第三开关的另一端与第四开关的一端串联，第四开关的另一端连接电源负极或接地。
4.根据权利要求3所述的无偏置磁轴承线圈控制电路，其特征在于，所述第一线圈电路模块的一端设于所述第一开关和第二开关之间，所述第一线圈电路模块的另一端与所述第二线圈电路模块的一端串联，所述第二线圈电路模块的另一端设于所述第三开关和所述第四开关之间；导通第一线圈中的电流时，控制第二开关和第三开关导通，同时控制第一开关和第四开关断开；导通第二线圈中的电流时，控制第一开关和第四开关导通，同时控制第二开关和第三开关断开。
5.根据权利要求4所述的无偏置磁轴承线圈控制电路，其特征在于，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均为电力电子开关器件。
6.根据权利要求1所述的无偏置磁轴承线圈控制电路，其特征在于，所述第一线圈电路模块还包括与所述第一二极管串联的第一电抗，所述第一二极管的正极连接所述第一线圈的一端，所述第一二极管的负极连接所述第一电抗，所述第一电抗包括电阻、电感和电容中的一种或多种。
7.根据权利要求1或6所述的无偏置磁轴承线圈控制电路，其特征在于，所述第二线圈电路模块还包括与所述第二二极管串联的第二电抗，所述第二二极管的正极连接所述第二线圈的一端，所述第二二极管的负极连接所述第二电抗，所述第二电抗包括电阻、电感和电容中的一种或多种。
8.根据权利要求1或6所述的无偏置磁轴承线圈控制电路，其特征在于，该控制电路还包括设于所述第一线圈电路模块和第二线圈电路模块之间的第三电抗，所述第三电抗与所述第一线圈电路模块以及第二线圈电路模块均串联，所述第三电抗包括电阻、电感和电容中的一种或多种。
9.根据权利要求7所述的无偏置磁轴承线圈控制电路，其特征在于，该控制电路还包括设于所述第一线圈电路模块和第二线圈电路模块之间的第三电抗，所述第三电抗与所述第一线圈电路模块以及第二线圈电路模块均串联，所述第三电抗包括电阻、电感和电容中的一种或多种。
10.一种应用于如权利要求1至9任意一项所述的无偏置磁轴承线圈控制电路的控制方法，其特征在于，该控制方法包括：
导通第二线圈中的电流时，控制第一通断控制模块将电源正极输出的电流输入到电路中，流经第一二极管，绕过第一线圈，流向所述第二线圈，同时控制第二通断控制模块将电路中的电流输出到电源负极或接地；
导通所述第一线圈中的电流时，控制所述第二通断控制模块将电源正极输出的电流输入到电路中，流经第二二极管，绕过所述第二线圈，流向所述第一线圈，同时控制所述第一通断控制模块将电路中的电流输出到电源负极或接地。
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