CN112815006B - 优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制装置及方法 - Google Patents

优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制装置及方法，属于磁悬浮轴承控制领域，包括8个单向导通器件、8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，实现对磁悬浮轴承中电磁力的控制。本发明4个绕组串联，且绕组中电流方向相同，对于单个八极径向磁轴承的四个绕组只需要五个桥臂进行控制。本发明采用串联绕组的结构减少了电子器件的数量，保证了电压利用率。本发明中各绕组的偏置电流在公共桥臂中相互抵消，改善了以往结构中共用桥臂电流应力较大的情况，减少了开关器件的电流负担，同时减小了开关损耗和导通损耗，具有很好的实际应用价值。

Description

优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承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，涉及优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承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。其转子和定子之间没有机械接触，具有不需要润滑、无机械摩擦、无污染、工作寿命长等特点。在储能飞轮、航空设备等转子需要进行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。
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。
中国专利CN202010435591.0公开了一种应用于磁悬浮轴承的串联控制器可以有效的减少器件数量，提高了电压利用率，但是其中间公共桥臂的电流为所连接的两个绕组电流之和，桥臂电流应力较大，从而增加了对开关器件的耐流要求，也增加了开关损耗和导通损耗。因此，该缺陷使得控制器的损耗增加，影响了控制器的性能。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制装置及方法，旨在解决现有的串联绕组控制器中桥臂电流应力过大的问题。
为实现上述目的，一方面本发明提供了一种优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制装置，包括：8个单向导通器件、8个可控开关、4个绕组和1个直流电压源；
所述8个单向导通器件和8个可控开关构成2个非共用桥臂和3个共用桥臂；
所述非共用桥臂包括第一桥臂和第五桥臂，每个非共用桥臂设置有1个可控开关和1个单向导通器件，可以实现电流的单向流动；
所述共用桥臂包括第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，每个共用桥臂设置有2个可控开关和2个单向导通器件，可以实现电流的双向流动；
所述第一桥臂的输出节点与绕组A1的第一端连接，所述第二桥臂的输出节点与绕组A1的第二端连接；
所述第二桥臂的输出节点与绕组A2的第一端连接，所述第三桥臂的输出节点与绕组A2的第二端连接；
所述第三桥臂的输出节点与绕组A3的第一端连接，所述第四桥臂的输出节点与绕组A3的第二端连接；
所述第四桥臂的输出节点与绕组A4的第一端连接，所述第五桥臂的输出节点与绕组A4的第二端连接；
所述绕组A1、绕组A2、绕组A3和绕组A4中的电流方向均为由绕组第一端流向绕组第二端；
所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂和第五桥臂的上端均与直流电压源的正极连接，下端均与直流电压源的负极连接。
优选地，所述各桥臂均包括一个上桥臂和一个下桥臂，所述上桥臂所设置器件的下节点与下桥臂所设置器件的上节点连接；
所述第一桥臂的上桥臂设置一个可控开关，下桥臂设置一个单向导通器件；
所述第二桥臂的上桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联，下桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联；
所述第三桥臂的上桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联，下桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联；
所述第四桥臂的上桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联，下桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联；
所述第五桥臂的上桥臂设置一个单向导通器件，下桥臂设置一个可控开关。
优选地，所述可控开关均为全控型开关器件，包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。
优选地，所述单向导通器件均为二极管。
所述可控开关的控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号，通过改变所述脉冲调制信号的占空比，可以控制各可控开关的导通时间，进而控制各绕组的电流，各绕组的电流大小用于控制磁悬浮轴承的电磁力。
基于上述的一种优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制装置，本发明提供了一种优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制方法，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，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)通过各绕组中电流的大小，可以对磁悬浮轴承中各方向的电磁力进行控制，以此来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，控制各个可控开关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。
上述优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制装置及控制方法，仅以对单个平面内，即双轴磁悬浮轴承进行悬浮为例，双轴悬浮需要4个绕组和5个桥臂，可以将该系统拓展到多轴磁悬浮轴承系统中，对于一个N轴磁悬浮轴承，则需要2N个绕组和2N+1个桥臂，在此基础上进行拓展的多自由度串联绕组控制器均在本专利的保护范围内。
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)主动磁悬浮轴承系统中，定子非磁性时，各个绕组中的电流主要包括偏置电流和控制电流两部分。在串联绕组拓扑中，同一轴两个绕组中的共模电流即偏置电流，差模电流即控制电流。本发明将所有绕组顺串，使得绕组中的偏置电流在公共桥臂的输出端点处相互抵消，公共桥臂中只流过控制电流，非公共桥臂中流过偏置电流和控制电流。本发明有效降低了公共桥臂上的电流应力，降低了公共桥臂上开关器件的开关损耗和导通损耗。
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是本发明提供的四个绕组电流变化的示意图；
图4是本发明提供的磁轴承串联绕组控制器系统结构图。
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Fy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优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制装置，包括：8个单向导通器件、8个可控开关、4个绕组和1个直流电压源；
所述8个单向导通器件和8个可控开关构成2个非共用桥臂和3个共用桥臂；所述非共用桥臂包括第一桥臂和第五桥臂，每个非共用桥臂设置有1个可控开关和1个单向导通器件，可以实现电流的单向流动；所述共用桥臂包括第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，每个共用桥臂设置有2个可控开关和2个单向导通器件，可以实现电流的双向流动；
所述第一桥臂的输出节点与绕组A1的第一端连接，所述第二桥臂的输出节点与绕组A1的第二端连接；所述第二桥臂的输出节点与绕组A2的第一端连接，所述第三桥臂的输出节点与绕组A2的第二端连接；所述第三桥臂的输出节点与绕组A3的第一端连接，所述第四桥臂的输出节点与绕组A3的第二端连接；所述第四桥臂的输出节点与绕组A4的第一端连接，所述第五桥臂的输出节点与绕组A4的第二端连接；
所述绕组A1、绕组A2、绕组A3和绕组A4中的电流方向均为由绕组第一端流向绕组第二端；
所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂和第五桥臂的上端均与直流电压源的正极连接，下端均与直流电压源的负极连接。
优选地，所述各桥臂均包括一个上桥臂和一个下桥臂，所述上桥臂所设置器件的下节点与下桥臂所设置器件的上节点连接；
所述第一桥臂的上桥臂设置一个可控开关，下桥臂设置一个单向导通器件；所述第二桥臂的上桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联，下桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联；所述第三桥臂的上桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联，下桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联；所述第四桥臂的上桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联，下桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联；所述第五桥臂的上桥臂设置一个单向导通器件，下桥臂设置一个可控开关。
具体地，所述可控开关均为全控型开关器件，包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。
具体地，所述单向导通器件均为二极管。
所述可控开关的控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号，通过改变所述脉冲调制信号的占空比，可以控制各可控开关的导通时间，进而控制各绕组的电流，各绕组的电流大小用于控制磁悬浮轴承的电磁力。
基于上述的一种优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制装置，本发明提供了一种优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制方法，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。
具体地，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)通过各绕组中电流的大小，可以对磁悬浮轴承中各方向的电磁力进行控制，以此来对磁悬浮轴承的转子进行悬浮。
对于上述的控制方法，定义所述第一桥臂输出端的平均电压为u1，第二桥臂输出端的平均电压为u2，第三桥臂输出端的平均电压为u3，第四桥臂输出端的平均电压为u4，第五桥臂输出端的平均电压为u5，通过控制各个开关器件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ZL；
绕组A1中流过的电流为i1，方向为由第一桥臂输出端流向第二桥臂输出端；
绕组A2中流过的电流为i2，方向为由第二桥臂输出端流向第三桥臂输出端；
绕组A3中流过的电流为i3，方向为由第三桥臂输出端流向第四桥臂输出端；
绕组A4中流过的电流为i4，方向为由第四桥臂输出端流向第五桥臂输出端；
绕组A1、绕组A2、绕组A3和绕组A4中的电流大小可以表示为：
Figure BDA0002907237760000081
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。
图3所示为控制四个绕组电流变化的波形图。起始4个绕组电流均为0A，在0.005秒时控制4个绕组电流同时上升至5A，此时需要提高4个绕组的共模电流，改变5个桥臂输出端的电压，对4个绕组中的电流大小进行控制，使得电流上升。在0.015秒时控制绕组A1和A3的差模电流上升至1A，此时绕组A1的电流增加0.5A，绕组A3的电流下降0.5A，使得两绕组电流之差为1A。在0.025秒时控制绕组A2和A4的差模电流上升至2A，此时绕组A2的电流增加1A，绕组A4的电流下降1A，使得两绕组电流之差为2A。
图4表示磁轴承串联绕组控制器系统结构图。磁悬浮轴承的电流控制系统接收到参考电流指令后，将指令值与实际电流值比较，将误差值输入至电流调节器(PI调节器)，电流调节器给出各个轴的参考电压指令，经变换矩阵转换为各个桥臂的占空比信号，再由载波比较的方法产生实际PWM信号输入到各个开关器件，控制各个绕组的实际电流，以此调节磁悬浮轴承各个方向的电磁力，实现转子的悬浮。
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。使用绕组顺串的设计，有效降低了共用桥臂的电流应力，降低了开关器件的损耗。
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 (10)

1.一种优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制装置，所述磁悬浮轴承为双轴，其特征在于，包括：8个单向导通器件、8个可控开关、4个绕组和1个直流电压源；
所述8个单向导通器件和8个可控开关构成2个非共用桥臂和3个共用桥臂；
所述非共用桥臂包括第一桥臂和第五桥臂，每个非共用桥臂设置有1个可控开关和1个单向导通器件，实现电流的单向流动；
所述共用桥臂包括第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，每个共用桥臂设置有2个可控开关和2个单向导通器件，实现电流的双向流动；
所述第一桥臂的输出节点与绕组A1的第一端连接，所述第二桥臂的输出节点与绕组A1的第二端连接；
所述第二桥臂的输出节点与绕组A2的第一端连接，所述第三桥臂的输出节点与绕组A2的第二端连接；
所述第三桥臂的输出节点与绕组A3的第一端连接，所述第四桥臂的输出节点与绕组A3的第二端连接；
所述第四桥臂的输出节点与绕组A4的第一端连接，所述第五桥臂的输出节点与绕组A4的第二端连接；
所述绕组A1、绕组A2、绕组A3和绕组A4中的电流方向均为由绕组第一端流向绕组第二端；
所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂和第五桥臂的上端均与直流电压源的正极连接，下端均与直流电压源的负极连接。
2.如权利要求1所述的串联绕组控制装置，其特征在于，所述各桥臂均包括一个上桥臂和一个下桥臂，所述上桥臂所设置器件的下节点与下桥臂所设置器件的上节点连接；
所述第一桥臂的上桥臂设置一个可控开关，下桥臂设置一个单向导通器件；
所述第二桥臂的上桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联，下桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联；
所述第三桥臂的上桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联，下桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联；
所述第四桥臂的上桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联，下桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联；
所述第五桥臂的上桥臂设置一个单向导通器件，下桥臂设置一个可控开关。
3.如权利要求2所述的串联绕组控制装置，其特征在于，所述可控开关器件均为全控型开关器件。
4.如权利要求2所述的串联绕组控制装置，其特征在于，所述单向导通器件均为二极管。
5.如权利要求2所述的串联绕组控制装置，其特征在于，所述可控开关的控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号，通过改变所述脉冲调制信号的占空比，控制各可控开关的导通时间，进而控制各绕组的电流，各绕组的电流大小用于控制磁悬浮轴承的电磁力。
6.一种基于权利要求1至5任一项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。
7.根据权利要求6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)通过各绕组中电流的大小，对磁悬浮轴承中各方向的电磁力进行控制，以此来对磁悬浮轴承的转子进行悬浮。
8.一种优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制装置，所述磁悬浮轴承为N轴，其特征在于，包括：2N个绕组、2N+1个桥臂和1个直流电压源；
所述2N+1个桥臂中，第一桥臂和第2N+1桥臂为非共用桥臂，每个非共用桥臂设置有1个可控开关和1个单向导通器件，实现电流的单向流动；
所述2N+1个桥臂中，第二，三，···,2N桥臂为共用桥臂，每个共用桥臂设置有2个可控开关和2个单向导通器件，实现电流的双向流动；
所述第一桥臂的输出节点与绕组A1的第一端连接；所述第i桥臂的输出节点与绕组Ai-1的第二端连接，i＝2,3,···,2N；所述第i桥臂的输出节点与绕组Ai的第一端连接，i＝2,3,···,2N；所述第2N+1桥臂的输出节点与绕组A2N的第二端连接；
所述绕组A1、A2、···、A2N中的电流方向均为由绕组第一端流向绕组第二端；
所述第一桥臂、第二桥臂、···、第2N+1桥臂的上端均与直流电压源的正极连接，下端均与直流电压源的负极连接。
9.如权利要求8所述的串联绕组控制装置，其特征在于，所述各桥臂均包括一个上桥臂和一个下桥臂，所述上桥臂所设置器件的下节点与下桥臂所设置器件的上节点连接；
所述第一桥臂的上桥臂设置一个可控开关，下桥臂设置一个单向导通器件；
所述第二桥臂至第2N桥臂的上桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联，下桥臂设置一个可控开关和一个单向导通器件反并联；
所述第2N+1桥臂的上桥臂设置一个单向导通器件，下桥臂设置一个可控开关。
10.如权利要求9所述的串联绕组控制装置，其特征在于，所述可控开关的控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号，通过改变所述脉冲调制信号的占空比，控制各可控开关的导通时间，进而控制各绕组的电流，各绕组的电流大小用于控制磁悬浮轴承的电磁力。
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