CN111637164A - 一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置及方法，属于磁悬浮轴承控制领域，包括5个单向导通器件、5个可控开关、4个绕组和电源。改变各个可控开关在一个开关周期内的导通时间控制通过各绕组的电流，通过将4个绕组分为两组，控制绕组中共模电流与差模电流的方式，实现对磁悬浮轴承中控制两个自由度的4个绕组电流的控制。本发明4个绕组串联，对于单个八极径向磁轴承的4个绕组只需要5个桥臂进行控制，对普通的桥式电路中单个线圈需要两个桥臂控制的方式，有效提高了器件的利用率。同时本发明提供的控制器在对两个绕组之间的差模电流进行控制时，可实现较高的电压利用率。

Description

一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置及方法

技术领域

本发明属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置及方法。

背景技术

磁悬浮轴承是一种利用电磁力使转子悬浮的轴承装置，从而取代传统机械轴承，实现转子与定子的无接触运行。由于转子和定子之间没有机械接触，因而具有不需要润滑、无机械摩擦、无污染、稳定性好、工作寿命长等特点。在储能飞轮、航空设备等领域，转子需要进行高速、超高速转动或者对工作环境的要求比较高的应用场合，磁悬浮轴承的应用十分广泛。早在上世纪40年代，国外就已经有学者对磁悬浮轴承进行了深入研究，上世纪70年代，磁悬浮轴承进入了工业应用阶段。航空技术领域的发展极大的促进了磁悬浮轴承的发展，并因此产生了很多具有跨时代意义的磁悬浮装置。国内相关领域的发展起步较晚，近年来许多高校与企业都十分关注磁悬浮轴承领域的最新研究进展，已有公司目前也开始出现相关的产品，磁悬浮轴承在未来的几十年仍有广阔的发展前景。

对于有源磁悬浮轴承系统，主要包括转子、传感器、控制器和电磁执行器等部分，其控制系统的设计对整个装置的性能带来了巨大的影响。功率放大器将控制信号转换为绕组中的电流从而控制磁轴承的电磁力，是磁悬浮轴承系统中的重要组成部分。传统的全桥拓扑结构需要两个桥臂对一个绕组进行控制，在磁悬浮轴承系统中会使得系统结构变得复杂，提高了装置成本。目前已经有学者提出了使用共桥臂的方法来减少器件数量，从而降低成本，但是其器件数量仍有优化空间，且电压利用率不高，影响磁悬浮轴承装置的控制效果。应用于磁悬浮轴承的环形拓扑四桥臂控制器可以有效地减少器件数量，同时也提高了电压利用率，但是其固有的环流不可控问题仍限制了其实际应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置和方法，旨在解决现有的有源磁悬浮轴承系统无法极大限度减少器件数量的问题，以及环形拓扑四桥臂控制器的环流不可控问题。

为实现上述目的，一方面本发明提供了一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置，包括：单向导通器件D₁、单向导通器件D₂、单向导通器件D₃、单向导通器件D₄、单向导通器件D₅、可控开关S₁、可控开关S₂、可控开关S₃、可控开关S₄、可控开关S₅、绕组A₁、绕组A₂、绕组A₃、绕组A₄和电源；

单向导通器件D₁的第一端与绕组A₁和可控开关S₁的第二端连接，其第二端与电源负极连接；

单向导通器件D₂的第一端与电源正极连接，其第二端与绕组A₁、绕组A₂和可控开关S₂的第一端连接；

单向导通器件D₃的第一端与绕组A₂、绕组A₃和可控开关S₃的第二端连接，其第二端与电源负极连接；

单向导通器件D₄的第一端与电源正极连接，其第二端与绕组A₃、绕组A₄和可控开关S₄的第一端连接；

单向导通器件D₅的第一端与绕组A₄和可控开关S₅的第二端连接，其第二端与电源负极连接；

单向导通器件D₁、单向导通器件D₂、单向导通器件D₃、单向导通器件D₄、单向导通器件D₅均由对应的第二端向第一端单向导通；

可控开关S₁的第一端与电源正极连接；可控开关S₂的第二端与电源负极连接；可控开关S₃的第一端与电源正极连接；可控开关S₄的第二端与电源负极连接；可控开关S₅的第一端与电源正极连接；

单向导通器件D₁为绕组A₁提供续流回路；单向导通器件D₂为绕组A₁和绕组A₂提供续流回路；单向导通器件D₃为绕组A₂和绕组A₃提供续流回路；单向导通器件D₄为绕组A₃和绕组A₄提供续流回路；单向导通器件D₅为绕组A₄提供续流回路；

可控开关S₁和可控开关S₂通过改变其导通时间控制通过绕组A₁的电流；可控开关S₂和可控开关S₃通过改变其导通时间控制通过绕组A₂的电流；可控开关S₃和可控开关S₄通过改变其导通时间控制通过绕组A₃的电流；可控开关S₄和可控开关S₅通过改变其导通时间控制通过绕组A₄的电流；

绕组A₁、绕组A₂、绕组A₃和绕组A₄通过对应绕组电流，产生磁悬浮轴承所需的电磁力。

优选地，可控开关S₁、可控开关S₂、可控开关S₃、可控开关S₄和可控开关S₅均为绝缘栅双极晶体管；

绝缘栅双极晶体管S₁的集电极与电源正极连接，其发射极与绕组A₁和单向导通器件D₁的第一端连接；

绝缘栅双极晶体管S₂的集电极与绕组A₁、绕组A₂和单向导通器件D₂的第二端连接，其发射极与电源负极连接；

绝缘栅双极晶体管S₃的集电极与电源正极连接，其发射极与绕组A₂、绕组A₃和单向导通器件D₃的第一端连接；

绝缘栅双极晶体管S₄的集电极与绕组A₃、绕组A₄和单向导通器件D₄的第二端连接，其发射极与电源负极连接；

绝缘栅双极晶体管S₅的集电极与电源正极连接，其发射极与绕组A₄和单向导通器件D₅的第一端连接；

所述绝缘栅双极晶体管S₁、所述绝缘栅双极晶体管S₂、所述绝缘栅双极晶体管S₃、所述绝缘栅双极晶体管S₄和所述绝缘栅双极晶体管S₅通过改变其门极控制信号控制其导通时间。

优选地，单向导通器件D₁、单向导通器件D₂、单向导通器件D₃、单向导通器件D₄和单向导通器件D₅均为二极管；

二极管D₁的负极与绕组A₁和可控开关S₁的第二端连接，其正极与电源负极连接；

二极管D₂的负极与电源正极连接，其正极与绕组A₁、绕组A₂和可控开关S₂的第一端连接；

二极管D₃的负极与绕组A₂、绕组A₃和可控开关S₃的第二端连接，其正极与电源负极连接；

二极管D₄的负极与电源正极连接，其正极与绕组A₃、绕组A₄和可控开关S₄的第一端连接；

二极管D₅的负极与绕组A₄和可控开关S₅的第二端连接，其正极与电源负极连接。

优选地，绝缘栅双极晶体管S₁、绝缘栅双极晶体管S₂、绝缘栅双极晶体管S₃、绝缘栅双极晶体管S₄和绝缘栅双极晶体管S₅的门极控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号。

另一方面，基于上述的一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置，本发明提供了一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制方法，包括：

(1)通过同步控制各可控开关的导通与关断，切换串联绕组控制器的工作模态；

(2)通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间，实现对各绕组电流的控制。

优选地，各可控开关为绝缘栅双极晶体管，各绝缘栅双极晶体管的导通时间为各绝缘栅双极晶体管的门极控制信号的脉冲宽度调制信号的占空比；

优选地，各绕组电流的控制包括各绕组间的共模电流控制和差模电流控制。

优选地，步骤(2)具体包括：

(2.1)通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间；

(2.2)根据串联绕组控制器的各工作模态的持续时间，获取相邻绕组节点上的电压；

(2.3)根据相邻绕组节点上的电压，计算各绕组的电流大小；

(2.4)利用各绕组的电流大小计算各绕组间的共模电流和差模电流；

(2.5)通过改变绕组中差模电流的大小，对磁悬浮轴承中各方向的电磁力进行控制，从而对磁悬浮轴承的转子进行悬浮。

对于一个磁悬浮轴承，在x方向和y方向分别需要两个绕组进行控制，本发明提供的串联绕组控制装置中的绕组A₁和绕组A₃一组，绕组A₂和绕组A₄一组，分别对x方向和y方向进行控制；

串联绕组控制装置保持稳定时，控制可控开关S₁、可控开关S₂、可控开关S₃和可控开关S₄的导通时间均为单周期的50％，对磁悬浮轴承进行控制时，对应可控开关的导通时间在单周期的50％的基础上进行增减。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)相比于传统磁悬浮控制器，每个绕组都需要两个桥臂同时控制，本发明使用的4个绕组串联连接，4个绕组只需要5个桥臂进行控制，每个绕组的电流由与其相邻的两个桥臂上的可控开关与单向导通器件进行控制，使得器件的利用率大大提高，减少了控制器的成本与体积。

(2)本发明利用其拓扑的特点，对绕组的共模电流与差模电流进行控制，每一对绕组分别控制磁悬浮轴承中的一个方向，利用共模电流调整转子广义刚度，两个差模电流分别对其两个方向的力进行控制，可以有效满足磁悬浮轴承中的控制需要，充分体现了本发明提出的应用磁悬浮轴承的串联绕组控制器具有良好的实用性。

(3)本发明采用的是对相对绕组中差模电流的控制方法，通过对绕组两端电压的控制。例如在可控开关S₁、S₂闭合，可控开关S₃、S₄断开时，绕组A₁两端电压达到正直流母线电压，相对绕组A₃两端电压为负直流母线电压，实现了这一组差模电流的快速增加，此时对这一对绕组的控制实现了直流母线电压的全部利用，电压利用率为1。在只需要控制一个方向上的电磁力时，其电压利用率可以达到1，可以有效提高磁悬浮轴承装置的控制效果。

(4)本发明控制方法与环形拓扑四桥臂控制器类似，但为了避免环形拓扑中环流不可控的问题，本发明采用了串联绕组的形式，比环形拓扑四桥臂控制器多一个自由度，可以分别控制两组绕组的共模电流，同时有效避免了环流不可控的问题。

附图说明

图1是本发明提供的八极径向磁轴承结构示意图；

图2是本发明提供的串联绕组控制器的拓扑图；

图3(a)至图3(d)是本发明提供的串联绕组控制器的四种工作模态；

图4(a)至图4(d)是本发明提供的四个绕组电流同时上升的示意图；

图5(a)至图5(d)是本发明提供的绕组A₁、绕组A₃电流变化，绕组A₂、绕组A₄电流不变的控制示意图；

图6(a)至图6(d)是本发明提供的绕组A₂、绕组A₄电流变化，绕组A₁、绕组A₃电流不变的控制示意图；

图7(a)至图7(d)是本发明提供的四个绕组处于稳态的示意图。

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，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。

图1为单个径向磁轴承的结构图，该径向磁轴承结构有两个正交方向x方向的电磁力F_x和y方向的电磁力F_y需要控制。其中，x方向的电磁力F_x通过绕组A₁产生的电磁力和绕组A₃产生的电磁力共同确定，y方向的电磁力F_y通过绕组A₂产生的电磁力和绕组A₄产生的电磁力共同确定。每个绕组产生的电磁力F_mag和绕组励磁电流i_s以及转子相对位置s之间满足F_mag＝K_i*i_s-K_s*s，其中，K_i为电磁力/电流系数；K_s为电磁力/位移系数；K_i与K_s均为径向轴承结构有关。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，通过串联绕组控制器给出的内环绕组励磁电流指令信号，最终通过电流环迅速跟踪，实现电磁力的有效控制。

图2是本发明提供的一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置，包括：5个单向导通器件、5个可控开关、4个绕组和1个直流电压源；

单向导通器件D₁的第一端与绕组A₁和可控开关S₁的第二端连接，其第二端与电源负极连接，用于为绕组A₁提供续流回路；单向导通器件D₂的第一端与电源正极连接，其第二端与绕组A₁、绕组A₂和可控开关S₂的第一端连接，用于为绕组A₁和绕组A₂提供续流回路；单向导通器件D₃的第一端与绕组A₂、绕组A₃和可控开关S₃的第二端连接，其第二端与电源负极连接，用于为绕组A₂和绕组A₃提供续流回路；单向导通器件D₄的第一端与电源正极连接，其第二端与绕组A₃、绕组A₄和可控开关S₄的第一端连接，用于为绕组A₃和绕组A₄提供续流回路；单向导通器件D₅的第一端与绕组A₄和可控开关S₅的第二端连接，其第二端与电源负极连接，用于为绕组A₄提供续流回路；单向导通器件D₁、单向导通器件D₂、单向导通器件D₃、单向导通器件D₄、单向导通器件D₅均由对应的第二端向第一端单向导通；

可控开关S₁的第一端与电源正极连接；可控开关S₂的第二端与电源负极连接；可控开关S₃的第一端与电源正极连接；可控开关S₄的第二端与电源负极连接；可控开关S₅的第一端与电源正极连接。可控开关S₁和可控开关S₂通过改变其导通时间控制通过绕组A₁的电流；可控开关S₂和可控开关S₃通过改变其导通时间控制通过绕组A₂的电流；可控开关S₃和可控开关S₄通过改变其导通时间控制通过绕组A₃的电流；可控开关S₄和可控开关S₅通过改变其导通时间控制通过绕组A₄的电流；

4个绕组通过对应绕组电流，产生磁悬浮轴承所需的电磁力。

优选地，可控开关S₁、所述可控开关S₂、所述可控开关S₃、所述可控开关S₄和所述可控开关S₅均为绝缘栅双极晶体管；

绝缘栅双极晶体管S₁的集电极与所述电源正极连接，其发射极与所述绕组A₁和所述单向导通器件D₁的第一端连接；绝缘栅双极晶体管S₂的集电极与所述绕组A₁、所述绕组A₂和所述单向导通器件D₂的第二端连接，其发射极与电源负极连接；绝缘栅双极晶体管S₃的集电极与所述电源正极连接，其发射极与所述绕组A₂、所述绕组A₃和所述单向导通器件D₃的第一端连接；绝缘栅双极晶体管S₄的集电极与所述绕组A₃、所述绕组A₄和所述单向导通器件D₄的第二端连接，其发射极与所述电源负极连接；绝缘栅双极晶体管S₅的集电极与所述电源正极连接，其发射极与所述绕组A₄和所述单向导通器件D₅的第一端连接；

所述绝缘栅双极晶体管S₁、所述绝缘栅双极晶体管S₂、所述绝缘栅双极晶体管S₃、所述绝缘栅双极晶体管S₄和所述绝缘栅双极晶体管S₅通过改变其门极控制信号控制其导通时间。

优选地，单向导通器件D₁、单向导通器件D₂、所述单向导通器件D₃、所述单向导通器件D₄和所述单向导通器件D₅均为二极管；

二极管D₁的负极与所述绕组A₁和所述可控开关S₁的第二端连接，其正极与所述电源负极连接；二极管D₂的负极与所述电源正极连接，其正极与所述绕组A₁、所述绕组A₂和所述可控开关S₂的第一端连接；二极管D₃的负极与所述绕组A₂、所述绕组A₃和所述可控开关S₃的第二端连接，其正极与所述电源负极连接；二极管D₄的负极与所述电源正极连接，其正极与所述绕组A₃、所述绕组A₄和所述可控开关S₄的第一端连接；二极管D₅的负极与所述绕组A₄和所述可控开关S₅的第二端连接，其正极与所述电源负极连接。

优选地，绝缘栅双极晶体管S₁、绝缘栅双极晶体管S₂、绝缘栅双极晶体管S₃、绝缘栅双极晶体管S₄和绝缘栅双极晶体管S₅的门极控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号。

基于上述提出的串联绕组控制装置，本发明提供了相应的一种控制方法，包括：

(1)通过同步控制各可控开关的导通与关断，切换串联绕组控制器的工作模态；

(2)通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间，实现对各绕组电流的控制。

优选地，步骤(2)具体包括：

(2.1)通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间；

(2.2)根据串联绕组控制器的各工作模态的持续时间，获取相邻绕组节点上的电压；

(2.3)根据相邻绕组节点上的电压，计算各绕组的电流大小；

(2.4)利用各绕组的电流大小计算各绕组间的共模电流和差模电流；

(2.5)通过改变绕组中差模电流的大小，对磁悬浮轴承中各方向的电磁力进行控制，从而对磁悬浮轴承的转子进行悬浮。

优选地，各可控开关为绝缘栅双极晶体管，各绝缘栅双极晶体管的导通时间为各绝缘栅双极晶体管的门极控制信号的脉冲宽度调制信号的占空比。

优选地，各绕组电流的控制包括各绕组间的共模电流控制和差模电流控制。

对于上述的控制方法，定义可控开关S₁和单向导通器件D₁所在桥臂中点的平均电压为u₁，可控开关S₂和单向导通器件D₂所在桥臂中点的平均电压为u₂，可控开关S₃和单向导通器件D₃所在桥臂中点的平均电压为u₃，可控开关S₄和单向导通器件D₄所在桥臂中点的平均电压为u₄，可控开关S₅和单向导通器件D₅所在桥臂中点的平均电压为u₅，通过控制绝缘栅双极晶体管S₁、绝缘栅双极晶体管S₂、绝缘栅双极晶体管S₃、绝缘栅双极晶体管S₄和绝缘栅双极晶体管S₅的门极控制信号的脉冲宽度调制信号的占空比，可以对所述节点上的平均电压u₁、u₂、u₃、u₄和u₅进行控制；

定义绕组A₁、绕组A₂、绕组A₃和绕组A₄的阻抗均为Z_L；

绕组A₁中流过的电流为i₁，方向为由可控开关S₁的第二端流向可控开关S₂的第一端；

绕组A₂中流过的电流为i₂，方向为由可控开关S₃的第二端流向可控开关S₂的第一端；

绕组A₃中流过的电流为i₃，方向为由可控开关S₃的第二端流向可控开关S₄的第一端；

绕组A₄中流过的电流为i₄，方向为由可控开关S₅的第二端流向可控开关S₄的第一端；

绕组A₁、绕组A₂、绕组A₃和绕组A₄中的电流大小可以表示为：

定义i_c1为绕组A₁和绕组A₃的共模电流，i_c2为绕组A₂和绕组A₄的共模电流，i_d1为绕组A₁和绕组A₃的差模电流，i_d2为绕组A₂和绕组A₄的差模电流。

对于一个磁悬浮轴承，在x方向和y方向分别需要两个绕组进行控制，本控制器中的绕组A₁和绕组A₃一组，绕组A₂和绕组A₄一组，分别对x方向和y方向进行控制。

串联绕组控制装置保持稳定时，控制可控开关S₁、可控开关S₂、可控开关S₃、可控开关S₄和可控开关S₅的导通时间均为单周期的50％，对磁悬浮轴承进行控制时，对应可控开关的导通时间在单周期的50％的基础上进行增减。

图3(a)至图3(d)所示为应用于磁悬浮轴承的电力电子控制器的四种工作模态示意图，以绕组A₁为例，可控开关S₁和可控开关S₂同时闭合时为第一模态，直流电源正向加于绕组A₁之上，绕组A₁的电流迅速上升；可控开关S₁和可控开关S₂同时断开时为第二模态，此时单向导通器件D₁和单向导通器件D₂导通，直流电源反向加于绕组A₁之上，绕组A₁的电流迅速下降；可控开关S₁闭合，可控开关S₂断开时为第三模态，单向单通器件D₂导通，此时工作于续流状态，绕组A₁电流缓慢下降；可控开关S₁断开，可控开关S₂闭合时为第四模态，单向导通器件D₁导通，此时也工作于续流状态，绕组A₁电流缓慢下降。通过对四种工作模态的组合，可以实现对绕组电流的有效控制。

图4(a)至图4(d)所示为控制4个绕组电流同时上升的情况。起始可控开关S₁、可控开关S₂、可控开关S₃、可控开关S₄和可控开关S₅的导通时间均为单周期的50％，4个绕组电流均为0A，在0.01秒时控制4个绕组电流同时上升，此时需要提高4个绕组的共模电流，改变5个可控开关的导通时间从而调节各个节点的电压，对4个绕组中的电流大小进行控制，使得电流上升。各个绕组参数相同时，由于电路的对称性，可控开关S₁、可控开关S₅门极驱动信号波形相同。图4(a)表示可控开关S₁、可控开关S₅门极驱动信号波形和绕组A₁电流波形；图4(b)表示可控开关S₂门极驱动信号波形和绕组A₂电流波形；图4(c)表示可控开关S₃门极驱动信号波形和绕组A₃电流波形；图4(d)表示可控开关S₄门极驱动信号波形和绕组A₄电流波形。

图5(a)至图5(d)所示为绕组A₁和绕组A₃的电流变化，绕组A₂和绕组A₄电流不变的控制示意图。在磁悬浮轴承控制中，当一个自由度上的一个绕组电流上升，一个绕组电流下降时，即产生差模电流时，则在该自由度会产生对应的电磁力。起始各个绕组的电流均为5A，在0.02s时绕组A₁电流上升，绕组A₃电流下降，最终绕组A₁的电流达到6A，绕组A₃的电流变为4A，绕组A₂和绕组A₄的电流大小不变。由绕组A₁和绕组A₃所控制方向上的磁悬浮轴承的电磁力发生变化，由绕组A₂和绕组A₄所控制方向上的磁悬浮轴承的电磁力不发生变化。图5(a)表示可控开关S₁、可控开关S₅门极驱动信号波形和绕组A₁电流波形；图5(b)表示可控开关S₂门极驱动信号波形和绕组A₂电流波形；图5(c)表示可控开关S₃门极驱动信号波形和绕组A₃电流波形；图5(d)表示可控开关S₄门极驱动信号波形和绕组A₄电流波形。

图6(a)至图6(d)所示为绕组A₂和绕组A₄电流变化，绕组A₁和绕组A₃电流不变的控制示意图。起始绕组A₁的电流为6A，绕组A₃的电流为4A，在0.03s时，绕组A₂电流上升，绕组A₄电流下降，最终绕组A₂的电流达到6A，绕组A₄的电流变为4A，绕组A₁和绕组A₃的电流大小不变。由绕组A₂和绕组A₄所控制方向上的磁悬浮轴承的电磁力发生变化，由绕组A₁和绕组A₃所控制方向上的磁悬浮轴承的电磁力不发生变化。图6(a)表示可控开关S₁、可控开关S₅门极驱动信号波形和绕组A₁电流波形；图6(b)表示可控开关S₂门极驱动信号波形和绕组A₂电流波形；图6(c)表示可控开关S₃门极驱动信号波形和绕组A₃电流波形；图6(d)表示可控开关S₄门极驱动信号波形和绕组A₄电流波形。

图7(a)至图7(d)表示稳态工作时，四个绕组电流均不变化时的控制示意图。图7(a)表示可控开关S₁、可控开关S₅门极驱动信号波形和绕组A₁电流波形；图7(b)表示可控开关S₂门极驱动信号波形和绕组A₂电流波形；图7(c)表示可控开关S₃门极驱动信号波形和绕组A₃电流波形；图7(d)表示可控开关S₄门极驱动信号波形和绕组A₄电流波形。

本发明中绕组A₁和绕组A₃的电流之和等于绕组A₂和绕组A₄的电流之和，其电流和的大小受共模电流大小的控制，绕组A₁和绕组A₃的电流差以及绕组A₂和绕组A₄的电流差受差模电流大小的控制，两对绕组的差模电流的大小分别控制磁悬浮轴承两个方向上的电磁力，符合磁悬浮轴承的控制需求，并且通过上述控制方法，可以实现磁悬浮轴承控制中所需要的各种电流变化，达到了期望的控制效果。使用5个可控开关和5个单向导通器件即可实现4个绕组电流的控制，提高了器件利用率，节约了控制器的成本。同时避免了环形拓扑四桥臂控制器中存在环流的问题。

需特别指出，在所提供的控制方法中，两个方向上电压利用率之和为1，在仅需要对其中一对绕组进行电流控制，另一对绕组电流不变时，其电压利用率可以达到1，实现绕组电流的快速变化。

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 (8)

1.一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置，其特征在于，包括：5个单向导通器件、5个可控开关、4个绕组和1个直流电压源；

单向导通器件D₁的第一端与绕组A₁和可控开关S₁的第二端连接，其第二端与电源负极连接，用于为绕组A₁提供续流回路；单向导通器件D₂的第一端与电源正极连接，其第二端与绕组A₁、绕组A₂和可控开关S₂的第一端连接，用于为绕组A₁和绕组A₂提供续流回路；单向导通器件D₃的第一端与绕组A₂、绕组A₃和可控开关S₃的第二端连接，其第二端与电源负极连接，用于为绕组A₂和绕组A₃提供续流回路；单向导通器件D₄的第一端与电源正极连接，其第二端与绕组A₃、绕组A₄和可控开关S₄的第一端连接，用于为绕组A₃和绕组A₄提供续流回路；单向导通器件D₅的第一端与绕组A₄和可控开关S₅的第二端连接，其第二端与电源负极连接，用于为绕组A₄提供续流回路；单向导通器件D₁、单向导通器件D₂、单向导通器件D₃、单向导通器件D₄、单向导通器件D₅均由对应的第二端向第一端单向导通；

可控开关S₁的第一端与电源正极连接；可控开关S₂的第二端与电源负极连接；可控开关S₃的第一端与电源正极连接；可控开关S₄的第二端与电源负极连接；可控开关S₅的第一端与电源正极连接；可控开关S₁和可控开关S₂通过改变其导通时间控制通过绕组A₁的电流；可控开关S₂和可控开关S₃通过改变其导通时间控制通过绕组A₂的电流；可控开关S₃和可控开关S₄通过改变其导通时间控制通过绕组A₃的电流；可控开关S₄和可控开关S₅通过改变其导通时间控制通过绕组A₄的电流；

所述4个绕组通过对应绕组电流，产生磁悬浮轴承所需的电磁力。

2.根据权利要求1所述的串联绕组控制装置，其特征在于，所述可控开关S₁、所述可控开关S₂、所述可控开关S₃、所述可控开关S₄和所述可控开关S₅均为绝缘栅双极晶体管；

绝缘栅双极晶体管S₁的集电极与所述电源正极连接，其发射极与所述绕组A₁和所述单向导通器件D₁的第一端连接；绝缘栅双极晶体管S₂的集电极与所述绕组A₁、所述绕组A₂和所述单向导通器件D₂的第二端连接，其发射极与电源负极连接；绝缘栅双极晶体管S₃的集电极与所述电源正极连接，其发射极与所述绕组A₂、所述绕组A₃和所述单向导通器件D₃的第一端连接；绝缘栅双极晶体管S₄的集电极与所述绕组A₃、所述绕组A₄和所述单向导通器件D₄的第二端连接，其发射极与所述电源负极连接；绝缘栅双极晶体管S₅的集电极与所述电源正极连接，其发射极与所述绕组A₄和所述单向导通器件D₅的第一端连接；

所述绝缘栅双极晶体管S₁、所述绝缘栅双极晶体管S₂、所述绝缘栅双极晶体管S₃、所述绝缘栅双极晶体管S₄和所述绝缘栅双极晶体管S₅通过改变其门极控制信号控制其导通时间。

3.根据权利要求1所述的串联绕组控制装置，其特征在于，所述单向导通器件D₁、所述单向导通器件D₂、所述单向导通器件D₃、所述单向导通器件D₄和所述单向导通器件D₅均为二极管；

二极管D₁的负极与所述绕组A₁和所述可控开关S₁的第二端连接，其正极与所述电源负极连接；二极管D₂的负极与所述电源正极连接，其正极与所述绕组A₁、所述绕组A₂和所述可控开关S₂的第一端连接；二极管D₃的负极与所述绕组A₂、所述绕组A₃和所述可控开关S₃的第二端连接，其正极与所述电源负极连接；二极管D₄的负极与所述电源正极连接，其正极与所述绕组A₃、所述绕组A₄和所述可控开关S₄的第一端连接；二极管D₅的负极与所述绕组A₄和所述可控开关S₅的第二端连接，其正极与所述电源负极连接。

4.根据权利要求2所述的串联绕组控制装置，其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管S₁、所述绝缘栅双极晶体管S₂、所述绝缘栅双极晶体管S₃、所述绝缘栅双极晶体管S₄和所述绝缘栅双极晶体管S₅的门极控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号。

5.基于权利要求1所述的串联绕组控制装置的控制方法，其特征在于，包括：

(1)通过同步控制各可控开关的导通与关断，切换串联绕组控制器的工作模态；

(2)通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间，实现对各绕组电流的控制。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：

(2.1)通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间；

(2.2)根据串联控制器的各工作模态的持续时间，获取相邻绕组节点上的电压；

(2.3)根据相邻绕组节点上的电压，计算各绕组的电流大小；

(2.4)利用各绕组的电流大小计算各绕组间的共模电流和差模电流；

(2.5)通过改变绕组中差模电流的大小，对磁悬浮轴承中各方向的电磁力进行控制，从而对磁悬浮轴承的转子进行悬浮。

7.根据权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，所述各可控开关为绝缘栅双极晶体管，所述各绝缘栅双极晶体管的导通时间为所述各绝缘栅双极晶体管的门极控制信号的脉冲宽度调制信号的占空比。

8.根据权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，所述各绕组电流的控制包括各绕组间的共模电流控制和差模电流控制。

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