CN113280044B - 一种磁悬浮轴承控制系统的控制装置、方法和磁悬浮系统 - Google Patents

一种磁悬浮轴承控制系统的控制装置、方法和磁悬浮系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮轴承控制系统的控制装置、方法和磁悬浮系统，该装置包括：采样单元，被配置为采样磁轴承线圈的电流，得到采样电流；调节单元，被配置为根据采样电流，确定占空比；并根据采样电流，调节开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；驱动单元，被配置为根据占空比和调节频率，生成开关管模块中开关管的PWM信号，并利用PWM信号驱动所述开关管模块工作。该方案，通过调节载波频率控制开关管，能够降低功率放大器的功耗。

Description

一种磁悬浮轴承控制系统的控制装置、方法和磁悬浮系统
技术领域
本发明属于磁悬浮技术领域，具体涉及一种磁悬浮轴承控制系统的控制装置、方法和磁悬浮系统，尤其涉及一种磁悬浮轴承控制系统中低功耗功率放大器的控制装置、方法和磁悬浮系统。
背景技术
磁悬浮轴承控制系统，是由位置环、电流环组成的双闭环控制系统。其中，电流内环是由功率放大器来实现的，但功率放大器的功耗比较高。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种磁悬浮轴承控制系统的控制装置、方法和磁悬浮系统，以解决磁悬浮轴承控制系统的电流环中，功率放大器的功耗比较高的问题，达到通过调节载波频率控制开关管，能够降低功率放大器的功耗的效果。
本发明提供一种磁悬浮轴承控制系统的控制装置中，所述磁悬浮轴承控制系统，包括：磁轴承线圈和开关管模块；所述磁悬浮轴承控制系统的控制装置，包括：采样单元、调节单元和驱动单元；其中，所述采样单元，被配置为采样所述磁轴承线圈的电流，得到采样电流；或采样所述磁悬浮轴承控制系统中磁轴承转子的位移，得到采样位移；所述调节单元，被配置为根据所述采样电流，确定占空比；以及，根据所述采样电流，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；或根据所述采样位移，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；所述驱动单元，被配置为根据所述占空比和所述调节频率，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号，并利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作。
在一些实施方式中，所述调节单元，包括：比较模块、PI调节模块和载波控制模块；其中，所述调节单元，根据所述采样电流，确定占空比，包括：所述PI调节模块，被配置为确定所述采样电流与参考电流的电流差值，对所述电流差值进行PI调节，得到占空比；所述调节单元，根据所述采样电流，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：所述比较器，被配置为确定所述采样电流与参考电流的电流差值；所述载波控制模块，被配置为根据所述电流差值，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
在一些实施方式中，所述载波控制模块，根据所述电流差值，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：确定所述电流差值是否大于预设电流阈值；若所述电流差值大于所述预设电流阈值，则增大所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；若所述电流差值小于所述预设电流阈值，则减小所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
在一些实施方式中，所述调节单元，包括：计算模块、PI调节模块和载波控制模块；其中，所述调节单元，根据所述采样电流，确定占空比，包括：所述PI调节模块，被配置为根据所述采样电流，确定占空比；所述调节单元，根据所述采样位移，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：所述计算模块，被配置为根据所述采样位移，计算所述磁悬浮轴承控制系统中磁悬浮轴承的悬浮精度；所述载波控制模块，被配置为根据所述悬浮精度，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
在一些实施方式中，所述载波控制模块，根据所述悬浮精度，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：确定所述悬浮精度是否大于预设精度阈值；若所述悬浮精度大于所述预设精度阈值，则增大所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；若所述悬浮精度小于所述预设精度阈值，则减小所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
在一些实施方式中，所述驱动单元，包括：PWM波生成模块和驱动模块；所述驱动单元，根据所述占空比和所述调节频率，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号，并利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作，包括：所述PWM波生成模块，被配置为对所述占空比和所述调节频率进行调制，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号；所述驱动模块，被配置为利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作。
与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种磁悬浮系统，包括：以上所述的磁悬浮轴承控制系统的控制装置。
与上述磁悬浮系统相匹配，本发明再一方面提供一种磁悬浮轴承控制系统的控制方法中，所述磁悬浮轴承控制系统，包括：磁轴承线圈和开关管模块；所述磁悬浮轴承控制系统的控制方法，包括：采样所述磁轴承线圈的电流，得到采样电流；或采样所述磁悬浮轴承控制系统中磁轴承转子的位移，得到采样位移；根据所述采样电流，确定占空比；以及，根据所述采样电流，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；或根据所述采样位移，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；根据所述占空比和所述调节频率，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号，并利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作。
在一些实施方式中，根据所述采样电流，确定占空比，包括：确定所述采样电流与参考电流的电流差值，对所述电流差值进行PI调节，得到占空比；根据所述采样电流，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率：确定所述采样电流与参考电流的电流差值；根据所述电流差值，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
在一些实施方式中，根据所述电流差值，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：确定所述电流差值是否大于预设电流阈值；若所述电流差值大于所述预设电流阈值，则增大所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；若所述电流差值小于所述预设电流阈值，则减小所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
在一些实施方式中，根据所述采样电流，确定占空比，包括：确定所述采样电流与参考电流的电流差值，对所述电流差值进行PI调节，得到占空比；根据所述采样位移，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：根据所述采样位移，计算所述磁悬浮轴承控制系统中磁悬浮轴承的悬浮精度；根据所述悬浮精度，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
在一些实施方式中，根据所述悬浮精度，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：确定所述悬浮精度是否大于预设精度阈值；若所述悬浮精度大于所述预设精度阈值，则增大所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；若所述悬浮精度小于所述预设精度阈值，则减小所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
在一些实施方式中，根据所述占空比和所述调节频率，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号，并利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作，包括：对所述占空比和所述调节频率进行调制，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号；利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作。
由此，本发明的方案，通过根据磁悬浮轴承控制系统中磁轴承线圈的电流大小，调节功率放大器的载波频率，能够在电流品质足够的情况下降低功率放大器的功耗；从而，通过调节载波频率控制开关管，能够降低功率放大器的功耗，且能够兼顾提高电流品质与降低开关功率放大器损耗。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的一实施例的结构示意图；
图2为本发明的磁悬浮轴承控制系统的控制装置的一实施例的结构示意图；
图3为磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的另一实施例的结构示意图；
图4为磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的一实施例的控制逻辑示意图；
图5为三角载波调频的曲线示意图；
图6为磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的另一实施例的控制逻辑示意图；
图7为本发明的磁悬浮轴承控制系统的控制方法的一实施例的流程示意图；
图8为本发明的方法中根据所述采样电流确定占空比和调节频率的一实施例的流程示意图；
图9为本发明的方法中根据所述电流差值调节所述开关管模块中开关管的载波频率的一实施例的流程示意图；
图10为本发明的方法中根据所述采样电流确定占空比和调节频率的另一实施例的流程示意图；
图11为本发明的方法中根据所述悬浮精度调节所述开关管模块中开关管的载波频率的一实施例的流程示意图；
图12为本发明的方法中根据所述占空比和所述调节频率驱动所述开关管模块工作的一实施例的流程示意图；
图13为磁悬浮电机系统功率放大器的一实施例的控制结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在磁悬浮轴承控制系统的电流环中，转子在悬浮或旋转时受干扰产生振动，当转子偏离平衡位置时，位移传感器实时检测出转子位移；控制器将检测的位移信号变为控制信号；功率放大器将控制信号转换为控制电流；控制电磁线圈产生电磁力从而维持转子稳定悬浮。
图1为磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的一实施例的结构示意图。如图1所示，磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统，包括：比较器、PI调节器、固定频率的三角载波生成模块、PWM生成模块、驱动模块、开关管T1、开关管T2、线圈L、二极管D1、二极管D2。比较器的同相输入端输入参考值Iref，比较器的反相输入端输入电流传感器A的反馈值。比较器的输出端输出误差电流值e(t)。误差电流值e(t)，一方面经PI调节器后输出占空比D至PWM生成模块的第一输入端，另一方面经固定频率的三角载波生成模块输出固定频率的三角载波C(t)至PWM生成模块的第二输入端，PWM生成模块的输出端输出PWM波至驱动模块，驱动模块基于PWM波驱动开关管T1和开关管T2。
开关管T1、开关管T2、线圈L、二极管D1和二极管D2，形成半桥电路。开关管T1的栅极，连接至驱动模块的第一输出端；开关管T1的漏极，连接至直流母线Ud；开关管T1的源极，经线圈L后连接至二极管D1的阳极和开关管T2的漏极，还连接至二极管D2的阴极；二极管D1的阴极，连接至直流母线Ud。开关管T2的栅极，连接至驱动模块的第二输出端；开关管T2的漏极，连接至二极管D2的阳极，并接地。
在图1所示的在磁悬浮电机系统中，磁悬浮轴承控制系统中电流内环的功率放大器的控制原理为，当电流传感器反馈线圈电流到比较器与参考值Iref作比较，计算得到相应的误差电流值e(t)，经PI调节后得到误差放大信号，送至PWM生成模块，与固定频率的三角载波C(t)比较生成相应的PWM波，再经移相，生成两路相位相差180°的PWM波驱动上下桥臂的两个开关管的通断。
其中，功率放大器中，大多采用PI调节(即比例积分调节)+PWM调制(即脉冲宽度调制)的形式。PWM调制，使用三角载波比较法，误差电流信号经电流控制器进行PI调节后得误差放大信号，与固定频率的三角载波比较，产生相应占空比的PWM波，移相180°得第二路PWM波控制信号，两路PWM波经光耦隔离后，驱动功率电路的开关管。三电平功率放大器的电流纹波Δi，近似计算公式为：
Figure BDA0003089371330000061
其中，UVD为二极管的导通压降，UON为开关管的压降，Ri为轴承电磁线圈等效电阻的压降，f为开关频率，L为线圈电感值。
可知，电流纹波Δi与载波频率f成反比，载波频率f越高，电流品质越高，但功率器件(如开关功率放大器中的开关管)的开关损耗也越高，无法兼顾功率器件的开关损耗和电流品质。
根据本发明的实施例，提供了一种磁悬浮轴承控制系统的控制装置。参见图2所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。所述磁悬浮轴承控制系统，包括：磁轴承线圈和开关管模块。磁轴承线圈，如线圈L。开关管模块，如半桥电路。所述磁悬浮轴承控制系统的控制装置，包括：采样单元、调节单元和驱动单元。采样单元，如电流传感器。调节单元，如比较器、PI调节器和载波控制器。驱动单元，如PWM生成模块和驱动模块。
其中，所述采样单元，被配置为采样所述磁轴承线圈的电流，得到采样电流。或采样所述磁悬浮轴承控制系统中磁轴承转子的位移，得到采样位移。
所述调节单元，被配置为根据所述采样电流，确定占空比；以及，
根据所述采样电流，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；或根据所述采样位移，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
在一些实施方式中，所述调节单元，包括：比较模块、PI调节模块和载波控制模块。比较模块，如比较器。PI调节模块，如PI调节器。载波控制模块，如载波控制器。
其中，所述调节单元，根据所述采样电流，确定占空比，包括：所述PI调节模块，被配置为确定所述采样电流与参考电流的电流差值，对所述电流差值进行PI调节，得到占空比。
所述调节单元，根根据所述采样电流，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：
所述比较器，被配置为确定所述采样电流与参考电流的电流差值。参考电流，如参考值Iref。电流差值，如误差电流值e(t)。
所述载波控制模块，被配置为根据所述电流差值，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
这样，本发明的方案，还能够解决了电流纹波和器件开关损耗无法兼顾的问题，可兼顾功率放大器的开关损耗和电流品质，改善电流品质，提高磁悬浮控制系统的性能。具体地，当磁悬浮控制系统性能不够时，提高载波频率，牺牲开关损耗。当磁悬浮控制系统性能满足的情况下，降低载波频率，以降低开关损耗。
在一些实施方式中，所述载波控制模块，根据所述电流差值，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：
所述载波控制模块，具体还被配置为确定所述电流差值是否大于预设电流阈值。
所述载波控制模块，具体还被配置为若所述电流差值大于所述预设电流阈值，则增大所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
所述载波控制模块，具体还被配置为若所述电流差值小于所述预设电流阈值，则减小所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
当然，若所述电流差值等于所述预设电流阈值，则保持所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
具体地，本发明的方案，先判定悬浮控制系统性能是否满足，具体可以使用误差电流值e(t)与预设阈值比较得到判定结果。若判定为悬浮控制系统性能不够的情况下时，后调高载波频率fs，牺牲小部分开关损耗，来提高电流品质。若判定为悬浮控制系统性能满足情况下时，则转子悬浮稳定，此时电流品质也较好，后降低载波频率，来降低开关损耗，来总体上解决了相关方案中载波频率为固定值，为降低开关损耗会造成电流品质差，为提高电流品质会造成开关损耗大的问题，能够使改善电流品质与降低开关损耗两者同时兼顾，提高了磁悬浮轴承控制系统的性能。
这样，本发明的方案，采取了视不同情况来实时调节载波频率f的控制方法，解决了相关方案中载波频率只能设置为某一固定值，若想提高电流品质，需设置一个较大的固定值，但相应功率器件的开关损耗会随之增大。若想降低开关损耗，需设置一个较小的固定值，但在悬浮控制系统性能不够时，其电流品质较差的问题，因而取得了兼顾减小开关损耗和提高电流品质效果。
在一些实施方式中，所述调节单元，包括：计算模块、PI调节模块和载波控制模块。计算模块，如悬浮精度计算模块。PI调节模块，如PI调节器。载波控制模块，如载波控制器。
其中，所述调节单元，根据所述采样电流，确定占空比，包括：
所述PI调节模块，被配置为确定所述采样电流与参考电流的电流差值，对所述电流差值进行PI调节，得到占空比。具体地，计算得到的误差电流经过PI控制器调节后，得到误差放大信号。占空比为误差放大信号与载波周期的比值。
所述调节单元，根据所述采样位移，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：
所述计算模块，被配置为获取所述磁悬浮轴承控制系统中磁轴承转子的采样位移，根据所述采样位移，计算所述磁悬浮轴承控制系统中磁悬浮轴承的悬浮精度。
具体地，判断误差电流与悬浮精度两者最终目的都是判断转子是否悬浮稳定。悬浮精度是传感器采样得到位移偏差，若位移偏差较大，则悬浮精度差，就认为转子振动较大，未悬浮稳定；若位移偏差小，则悬浮精度较好，则认为转子已悬浮稳定，可以参见图13所示的例子磁悬浮电机系统功率放大器控制原理示意图。误差电流判断是，传感器采样并计算得到的线圈误差电流，若比较大，则认为转子较为振动，未悬浮稳定；若比较小，则认为已悬浮稳定。其中位移偏差由位移传感器采样得到，线圈电流由电流传感器采样得到。
所述载波控制模块，被配置为根据所述悬浮精度，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
在一些实施方式中，所述载波控制模块，根据所述悬浮精度，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：
所述载波控制模块，具体还被配置为确定所述悬浮精度是否大于预设精度阈值。
所述载波控制模块，具体还被配置为若所述悬浮精度大于所述预设精度阈值，则增大所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
所述载波控制模块，具体还被配置为若所述悬浮精度小于所述预设精度阈值，则减小所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
当然，若所述悬浮精度等于所述预设精度阈值，则保持所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
图6为磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的另一实施例的控制逻辑示意图。在图4所示的例子中，根据误差电流值与阈值作比较，作为调节载波的判定依据。而在图6所示的例子中，与图4所示的例子所不同的是，可将误差电流值替代为悬浮精度，作为控制载波频率调节的判定依据。
所述驱动单元，被配置为根据所述占空比和所述调节频率，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号，并利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作。
这样，本发明的方案，提出了一种低功耗功率放大器的控制方案，在磁悬浮轴承控制系统的电流内环中，判定误差电流值的大小状态，根据判定结果，对采样频率增大或减小，来实时调节载波频率，兼顾提高电流品质与降低开关功率放大器损耗。这样，通过实时调节载波频率控制开关管，能够通过降低载波频率来减少开关管损耗，能够解决磁悬浮轴承控制系统的电流环中功率放大器的功耗比较高的问题，减小磁悬浮轴承控制系统的电流环中功率放大器的功耗，降低开关功率放大器的损耗。
在一些实施方式中，所述驱动单元，包括：PWM波生成模块和驱动模块。
所述驱动单元，根据所述占空比和所述调节频率，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号，并利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作，包括：
所述PWM波生成模块，被配置为对所述占空比和所述调节频率进行调制，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号。
所述驱动模块，被配置为利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作。
图3为磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的另一实施例的结构示意图。如图3所示，为相比于图1改进后的磁悬浮电机系统功率放大器控制原理图。其中，误差电流值e(t)，经PI调节后得到误差放大信号，送至PWM生成模块中得到相应的占空比D。取消了以某一固定频率的三角载波来生成PWM波的方式，改进为使用一个载波控制器，实时调节采样频率fs，来控制产生合适频率的三角载波，送至PWM生成模块中，与占空比D调制生成相应的PWM波。
如图3所示，本发明的方案中，功率放大器的控制系统主要包含：载波控制器、PI调节器、PWM波生成模块、驱动模块及半桥电路。
其中，载波控制器：将误差电流值e(t)与设定的阈值作比较，所得判决结果可控制载波频率的调节。PWM波生成模块：根据载波控制器传送来的载波控制信号，改变采样频率fs，控制生成不同频率的三角载波，与占空比D调制生成相应的PWM波。
参见图1和图3所示的例子，图1使用固定频率三角载波发生器中产生的频率为固定值的三角载波C(t)与占空比D调制生成相应的PWM波。图3新增载波控制器，增加了三角载波调节环节，根据判定的控制结果，实时调节三角载波频率fs，生成相应的三角载波，再与占空比D调制出，不同情况下所需的合适的PWM波。也就是说，本发明的方案中，载波控制器，先根据阈值判定载波频率fs增大或减小控制环节，确定三角载波频率，生成相应的三角载波，再与占空比D调制出合适的PWM波。
图4为磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的一实施例的控制逻辑示意图，图5为三角载波调频的曲线示意图。如图4所示，磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的控制逻辑，包括：
步骤11、电流传感器采样得到的线圈L的电流，与参考电流Iref作比较，计算误差电流值e(t)，送至两路，一路用于生成相应的占空比D。一路送至载波控制器，与预设的电流阈值作比较，来判定误差电流的大小状态，根据判定结果来选择采样频率fs的调节环节。
步骤12、若误差电流值e(t)大于所设电流阈值，则判定误差电流较大，转子还未悬浮稳定，则增大采样频率fs，以减小电流纹波，调节采样频率fs得到如图5所示的三角载波C1(t)，与占空比D调制出相应的PWM波，经移相180°得第二路PWM波信号，两路PWM波分别驱动上下桥臂的两个开关管的通断。
具体地，预先设定电流纹波参考范围，根据电流纹波公式，确定所需的载波频率范围，取合适的载波频率值(如范围内的最小值，满足减小电流纹波的最低要求)，进行调节。因该操作前提是电流纹波较大，该情况计算的频率调节范围值都比原载波频率大，因此所述为增大频率。
步骤13、若误差电流值e(t)小于所设电流阈值，则判定误差电流较小，转子已基本稳定悬浮，则减小采样频率fs，以减少开关管的损耗，调节采样频率fs得到如图5所示的三角载波C2(t)，与占空比D调制生成合适的PWM波驱动开关管，实现功率放大器的低损耗。
具体地，根据电流纹波公式，参考电流纹波范围，确定可取的频率范围，考虑减少开关管损耗，确定采样频率fs(如取范围最大值，满足减少开关管损耗的最低要求)，进行频率调节。由于该操作前提下电流纹波已较小，为满足减少开关管损耗，因此所述为减小频率。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过根据磁悬浮轴承控制系统中磁轴承线圈的电流大小，调节功率放大器的载波频率，能够在电流品质足够的情况下降低功率放大器的功耗。从而，通过调节载波频率控制开关管，能够降低功率放大器的功耗，且能够兼顾提高电流品质与降低开关功率放大器损耗。
根据本发明的实施例，还提供了对应于磁悬浮轴承控制系统的控制装置的一种磁悬浮系统。该磁悬浮系统可以包括：以上所述的磁悬浮轴承控制系统的控制装置。
由于本实施例的磁悬浮系统所实现的处理及功能基本相应于前述装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过根据磁悬浮轴承控制系统中磁轴承线圈的电流大小，调节功率放大器的载波频率，能够在电流品质足够的情况下降低功率放大器的功耗，减小磁悬浮轴承控制系统的电流环中功率放大器的功耗，降低开关功率放大器的损耗。
根据本发明的实施例，还提供了对应于磁悬浮系统的一种磁悬浮轴承控制系统的控制方法，如图7所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。所述磁悬浮轴承控制系统，包括：磁轴承线圈和开关管模块。磁轴承线圈，如线圈L。开关管模块，如半桥电路。所述磁悬浮轴承控制系统的控制方法，包括：步骤S110至步骤S130。
在步骤S110处，采样所述磁轴承线圈的电流，得到采样电流。或采样所述磁悬浮轴承控制系统中磁轴承转子的位移，得到采样位移。
在步骤S120处，根据所述采样电流，确定占空比；以及，根据所述采样电流，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；或根据所述采样位移，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
在一些实施方式中，步骤S120中根据所述采样电流，确定占空比，包括：确定所述采样电流与参考电流的电流差值，对所述电流差值进行PI调节，得到占空比。
步骤S120中根据所述采样电流，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率的具体过程，参见以下示例性说明。
下面结合图8所示本发明的方法中根据所述采样电流确定占空比和调节频率的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S120中根据所述采样电流确定占空比和调节频率的一个具体过程，包括：步骤S210至步骤S220。
步骤S210，确定所述采样电流与参考电流的电流差值。参考电流，如参考值Iref。电流差值，如误差电流值e(t)。
步骤S220，根据所述电流差值，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
这样，本发明的方案，还能够解决了电流纹波和器件开关损耗无法兼顾的问题，可兼顾功率放大器的开关损耗和电流品质，改善电流品质，提高磁悬浮控制系统的性能。具体地，当磁悬浮控制系统性能不够时，提高载波频率，牺牲开关损耗。当磁悬浮控制系统性能满足的情况下，降低载波频率，以降低开关损耗。
在一些实施方式中，步骤S220中根据所述电流差值，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率的具体过程，参见以下示例性说明。
下面结合图9所示本发明的方法中根据所述电流差值调节所述开关管模块中开关管的载波频率的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S220中根据所述电流差值调节所述开关管模块中开关管的载波频率的具体过程，包括：步骤S310至步骤S330。
步骤S310，确定所述电流差值是否大于预设电流阈值。
步骤S320，若所述电流差值大于所述预设电流阈值，则增大所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
步骤S330，若所述电流差值小于所述预设电流阈值，则减小所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
当然，若所述电流差值等于所述预设电流阈值，则保持所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
具体地，本发明的方案，先判定悬浮控制系统性能是否满足，具体可以使用误差电流值e(t)与预设阈值比较得到判定结果。若判定为悬浮控制系统性能不够的情况下时，后调高载波频率fs，牺牲小部分开关损耗，来提高电流品质。若判定为悬浮控制系统性能满足情况下时，则转子悬浮稳定，此时电流品质也较好，后降低载波频率，来降低开关损耗，来总体上解决了相关方案中载波频率为固定值，为降低开关损耗会造成电流品质差，为提高电流品质会造成开关损耗大的问题，能够使改善电流品质与降低开关损耗两者同时兼顾，提高了磁悬浮轴承控制系统的性能。
这样，本发明的方案，采取了视不同情况来实时调节载波频率f的控制方法，解决了相关方案中载波频率只能设置为某一固定值，若想提高电流品质，需设置一个较大的固定值，但相应功率器件的开关损耗会随之增大。若想降低开关损耗，需设置一个较小的固定值，但在悬浮控制系统性能不够时，其电流品质较差的问题，因而取得了兼顾减小开关损耗和提高电流品质效果。
在一些实施方式中，步骤S120中根据所述采样电流，确定占空比，包括：确定所述采样电流与参考电流的电流差值，对所述电流差值进行PI调节，得到占空比。
步骤S120中根据所述采样位移，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率的具体过程，参见以下示例性说明。
下面结合图10所示本发明的方法中根据所述采样电流确定占空比和调节频率的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S120中根据所述采样电流确定占空比和调节频率的另一个具体过程，包括：步骤S410至步骤S420。
步骤S410，根据所述采样位移，计算所述磁悬浮轴承控制系统中磁悬浮轴承的悬浮精度。
步骤S420，根据所述悬浮精度，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
在一些实施方式中，步骤S420中根据所述悬浮精度，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率的具体过程，参见以下示例性说明。
下面结合图11所示本发明的方法中根据所述悬浮精度调节所述开关管模块中开关管的载波频率的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S420中根据所述悬浮精度调节所述开关管模块中开关管的载波频率的具体过程，包括：步骤S510至步骤S530。
步骤S510，确定所述悬浮精度是否大于预设精度阈值。
步骤S520，若所述悬浮精度大于所述预设精度阈值，则增大所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
步骤S530，若所述悬浮精度小于所述预设精度阈值，则减小所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
当然，若所述悬浮精度等于所述预设精度阈值，则保持所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
图6为磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的另一实施例的控制逻辑示意图。在图4所示的例子中，根据误差电流值与阈值作比较，作为调节载波的判定依据。而在图6所示的例子中，与图4所示的例子所不同的是，可将误差电流值替代为悬浮精度，作为控制载波频率调节的判定依据。
在步骤S130处，根据所述占空比和所述调节频率，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号，并利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作。
这样，本发明的方案，提出了一种低功耗功率放大器的控制方案，在磁悬浮轴承控制系统的电流内环中，判定误差电流值的大小状态，根据判定结果，对采样频率增大或减小，来实时调节载波频率，兼顾提高电流品质与降低开关功率放大器损耗。这样，通过实时调节载波频率控制开关管，能够通过降低载波频率来减少开关管损耗，能够解决磁悬浮轴承控制系统的电流环中功率放大器的功耗比较高的问题，减小磁悬浮轴承控制系统的电流环中功率放大器的功耗，降低开关功率放大器的损耗。
在一些实施方式中，步骤S130中根据所述占空比和所述调节频率，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号，并利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作的具体过程，参见以下示例性说明。
下面结合图12所示本发明的方法中根据所述占空比和所述调节频率驱动所述开关管模块工作的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S130中根据所述占空比和所述调节频率驱动所述开关管模块工作的具体过程，包括：步骤S610和步骤S620。
步骤S610，对所述占空比和所述调节频率进行调制，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号。
步骤S620，利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作。
图3为磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的另一实施例的结构示意图。如图3所示，为相比于图1改进后的磁悬浮电机系统功率放大器控制原理图。其中，误差电流值e(t)，经PI调节后得到误差放大信号，送至PWM生成模块中得到相应的占空比D。取消了以某一固定频率的三角载波来生成PWM波的方式，改进为使用一个载波控制器，实时调节采样频率fs，来控制产生合适频率的三角载波，送至PWM生成模块中，与占空比D调制生成相应的PWM波。
如图3所示，本发明的方案中，功率放大器的控制系统主要包含：载波控制器、PI调节器、PWM波生成模块、驱动模块及半桥电路。
其中，载波控制器：将误差电流值e(t)与设定的阈值作比较，所得判决结果可控制载波频率的调节。PWM波生成模块：根据载波控制器传送来的载波控制信号，改变采样频率fs，控制生成不同频率的三角载波，与占空比D调制生成相应的PWM波。
参见图1和图3所示的例子，图1使用固定频率三角载波发生器中产生的频率为固定值的三角载波C(t)与占空比D调制生成相应的PWM波。图3新增载波控制器，增加了三角载波调节环节，根据判定的控制结果，实时调节三角载波频率fs，生成相应的三角载波，再与占空比D调制出，不同情况下所需的合适的PWM波。也就是说，本发明的方案中，载波控制器，先根据阈值判定载波频率fs增大或减小控制环节，确定三角载波频率，生成相应的三角载波，再与占空比D调制出合适的PWM波。
图4为磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的一实施例的控制逻辑示意图，图5为三角载波调频的曲线示意图。如图4所示，磁悬浮电机系统中功率放大器的控制系统的控制逻辑，包括：
步骤11、电流传感器采样得到的线圈L的电流，与参考电流Iref作比较，计算误差电流值e(t)，送至两路，一路用于生成相应的占空比D。一路送至载波控制器，与预设的电流阈值作比较，来判定误差电流的大小状态，根据判定结果来选择采样频率fs的调节环节。
步骤12、若误差电流值e(t)大于所设电流阈值，则判定误差电流较大，转子还未悬浮稳定，则增大采样频率fs，以减小电流纹波，调节采样频率fs得到如图5所示的三角载波C1(t)，与占空比D调制出相应的PWM波，经移相180°得第二路PWM波信号，两路PWM波分别驱动上下桥臂的两个开关管的通断。
步骤13、若误差电流值e(t)小于所设电流阈值，则判定误差电流较小，转子已基本稳定悬浮，则减小采样频率fs，以减少开关管的损耗，调节采样频率fs得到如图5所示的三角载波C2(t)，与占空比D调制生成合适的PWM波驱动开关管，实现功率放大器的低损耗。
由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述磁悬浮系统的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过根据磁悬浮轴承控制系统中磁轴承线圈的电流大小，调节功率放大器的载波频率，能够在电流品质足够的情况下降低功率放大器的功耗，当磁悬浮控制系统性能满足的情况下，降低载波频率，以降低开关损耗。
综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种磁悬浮轴承控制系统的控制装置，其特征在于，所述磁悬浮轴承控制系统，包括：磁轴承线圈和开关管模块；所述磁悬浮轴承控制系统的控制装置，包括：采样单元、调节单元和驱动单元；其中，
所述采样单元，被配置为采样所述磁轴承线圈的电流，得到采样电流；或采样所述磁悬浮轴承控制系统中磁轴承转子的位移，得到采样位移；
所述调节单元，被配置为根据所述采样电流，确定占空比；以及，根据所述采样电流，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；或根据所述采样位移，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；所述调节单元，包括：计算模块、PI调节模块和载波控制模块；其中，所述调节单元，根据所述采样电流，确定占空比，包括：所述PI调节模块，被配置为确定所述采样电流与参考电流的电流差值，对所述电流差值进行PI调节，得到占空比；所述调节单元，根据所述采样位移，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：所述计算模块，被配置为根据所述采样位移，计算所述磁悬浮轴承控制系统中磁悬浮轴承的悬浮精度；所述载波控制模块，被配置为根据所述悬浮精度，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；
所述驱动单元，被配置为根据所述占空比和所述调节频率，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号，并利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承控制系统的控制装置，其特征在于，所述调节单元，包括：比较模块、PI调节模块和载波控制模块；其中，
所述调节单元，根据所述采样电流，确定占空比，包括：
所述PI调节模块，被配置为确定所述采样电流与参考电流的电流差值，对所述电流差值进行PI调节，得到占空比；
所述调节单元，根据所述采样电流，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：
所述比较模块，被配置为确定所述采样电流与参考电流的电流差值；
所述载波控制模块，被配置为根据所述电流差值，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承控制系统的控制装置，其特征在于，所述载波控制模块，根据所述电流差值，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：
确定所述电流差值是否大于预设电流阈值；
若所述电流差值大于所述预设电流阈值，则增大所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；
若所述电流差值小于所述预设电流阈值，则减小所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承控制系统的控制装置，其特征在于，所述载波控制模块，根据所述悬浮精度，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：
确定所述悬浮精度是否大于预设精度阈值；
若所述悬浮精度大于所述预设精度阈值，则增大所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；
若所述悬浮精度小于所述预设精度阈值，则减小所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁悬浮轴承控制系统的控制装置，其特征在于，所述驱动单元，包括：PWM波生成模块和驱动模块；
所述驱动单元，根据所述占空比和所述调节频率，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号，并利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作，包括：
所述PWM波生成模块，被配置为对所述占空比和所述调节频率进行调制，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号；
所述驱动模块，被配置为利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作。
6.一种磁悬浮系统，其特征在于，包括：如权利要求1至5中任一项所述的磁悬浮轴承控制系统的控制装置。
7.一种磁悬浮轴承控制系统的控制方法，其特征在于，所述磁悬浮轴承控制系统，包括：磁轴承线圈和开关管模块；所述磁悬浮轴承控制系统的控制方法，包括：
采样所述磁轴承线圈的电流，得到采样电流；或采样所述磁悬浮轴承控制系统中磁轴承转子的位移，得到采样位移；
根据所述采样电流，确定占空比；以及，根据所述采样电流，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；或根据所述采样位移，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；根据所述采样电流，确定占空比，包括：确定所述采样电流与参考电流的电流差值，对所述电流差值进行PI调节，得到占空比；根据所述采样位移，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：根据所述采样位移，计算所述磁悬浮轴承控制系统中磁悬浮轴承的悬浮精度；根据所述悬浮精度，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；
根据所述占空比和所述调节频率，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号，并利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作。
8.根据权利要求7所述的磁悬浮轴承控制系统的控制方法，其特征在于，根据所述采样电流，确定占空比，包括：
确定所述采样电流与参考电流的电流差值，对所述电流差值进行PI调节，得到占空比；
根据所述采样电流，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：
确定所述采样电流与参考电流的电流差值；
根据所述电流差值，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
9.根据权利要求8所述的磁悬浮轴承控制系统的控制方法，其特征在于，根据所述电流差值，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：
确定所述电流差值是否大于预设电流阈值；
若所述电流差值大于所述预设电流阈值，则增大所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；
若所述电流差值小于所述预设电流阈值，则减小所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
10.根据权利要求7所述的磁悬浮轴承控制系统的控制方法，其特征在于，根据所述悬浮精度，调节所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率，包括：
确定所述悬浮精度是否大于预设精度阈值；
若所述悬浮精度大于所述预设精度阈值，则增大所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率；
若所述悬浮精度小于所述预设精度阈值，则减小所述开关管模块中开关管的载波频率，得到调节频率。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的磁悬浮轴承控制系统的控制方法，其特征在于，根据所述占空比和所述调节频率，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号，并利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作，包括：
对所述占空比和所述调节频率进行调制，生成所述开关管模块中开关管的PWM信号；
利用所述PWM信号驱动所述开关管模块工作。
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