CN114110022B - 一种磁悬浮轴承系统的控制方法和磁悬浮轴承系统 - Google Patents

一种磁悬浮轴承系统的控制方法和磁悬浮轴承系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮轴承系统的控制方法和磁悬浮轴承系统，该系统，包括：N个自由度的控制模块，N为正整数；每个自由度的控制模块，包括：第一绕组，第二绕组，以及单自由度的磁悬浮功率放大器；单自由度的磁悬浮功率放大器，包括：第一开关管至第四开关管，以及第一单向管和第二单向管；在一个自由度中，第一绕组和第二绕组，形成单自由度的两个差动控制绕组；第一开关管至第四开关管、以及第一单向管和第二单向管，能够差动控制第一绕组和第二绕组；其中，第一绕组和第二绕组，能够共用第一开关管至第四开关管中的两个开关管。该方案，通过在电磁轴承差动控制模式中，线圈绕组所需可控开关管和单向导通管减少，以节省成本和减小占用空间。

Description

一种磁悬浮轴承系统的控制方法和磁悬浮轴承系统
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系统的控制方法和磁悬浮轴承系统，尤其涉及一种磁悬浮轴承系统的控制方法、以及磁悬浮轴承系统。
背景技术
在电磁轴承差动控制模式中，线圈绕组电流均为单向流动，同一个自由度的两个线圈绕组中，偏置电流为I，差动控制电流为△I，则线圈绕组1电流为I+△I，另一个线圈绕组电流为I-△I，单个线圈绕组最大电流为2倍偏置电流I，最小电流为0。因为电流单向流通，故通常采用H桥(即一个直流电机控制电路，形状酷似字母H)模式，所需可控开关管和单向导通管较多，成本高，体积大。
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系统的控制方法和磁悬浮轴承系统，以解决在电磁轴承差动控制模式中，线圈绕组电流均为单向流动，采用H桥模式控制时所需可控开关管和单向导通管较多，存在成本高、占用空间大的问题，达到通过在电磁轴承差动控制模式中，线圈绕组所需可控开关管和单向导通管减少，以节省成本和减小占用空间的效果。
本发明提供一种磁悬浮轴承系统的控制方法，所述磁悬浮轴承系统，包括：N个自由度的控制模块，N为正整数；每个自由度的控制模块，包括：第一绕组，第二绕组，以及单自由度的磁悬浮功率放大器；所述单自由度的磁悬浮功率放大器，包括：第一开关管至第四开关管，以及第一单向管和第二单向管；在一个自由度中，所述第一绕组和所述第二绕组，形成单自由度的两个差动控制绕组；所述第一开关管至所述第四开关管、以及所述第一单向管和所述第二单向管，能够差动控制所述第一绕组和所述第二绕组；其中，所述第一绕组和所述第二绕组，能够共用所述第一开关管至所述第四开关管中的两个开关管。
在一些实施方式中，所述第一绕组和所述第二绕组串联；并且，所述第一绕组和所述第二绕组的串联点，共用所述第一开关管至所述第四开关管中的两个开关管。
在一些实施方式中，在所述第一开关管至所述第四开关管中，直流电源经所述第一开关管后，连接至所述第一绕组的第一端；所述第一绕组的第二端，与所述第二绕组的第一端相连；所述第二绕组的第二端，经所述第四开关管后接地；所述直流电源，还经所述第二开关管和所述第三开关管后接地；所述第二开关管和所述第三开关管的公共端，连接至所述第一绕组和所述第二绕组的公共点；所述第二开关管和所述第三开关管，形成所述第一绕组和所述第二绕组的共用桥臂。
在一些实施方式中，在所述第一开关管至所述第四开关管中，每个开关管，包括：三极管；在所述第一开关管至所述第四开关管中，每个开关管的两端，为三极管的集电极和发射极；三极管的基极为控制端，用于接收所述磁悬浮轴承控制器的控制性。
在一些实施方式中，在所述第一单向管和所述第二单向管中，所述第一单向管，设置在所述第一绕组的第一端与地之间；所述第二单向管，设置在所述直流电源与所述第二绕组的第二端之间。
在一些实施方式中，所述第一单向管包括第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述第一绕组的第一端连接；所述第二单向管包括第二二极管，所述第二二极管的阴极与所述直流电源连接。
与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种磁悬浮轴承系统，能够执行以上所述的磁悬浮轴承系统的控制方法。
由此，本发明的方案，通过利用4个可控开关管和2个单向管，控制1个自由度的两个差动控制线圈绕组，共用桥臂为两个可控开关管，从而，通过在电磁轴承差动控制模式中，线圈绕组所需可控开关管和单向导通管减少，以节省成本和减小占用空间。
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为本发明的磁悬浮轴承系统的一实施例的结构示意图；
图2为相关方案中单自由度功率放大器的拓扑示意图；
图3为磁悬浮单个自由度控制功率放大器的拓扑图示意图(设为X方向的单个自由度控制功率放大器的拓扑图示意图)；
图4为磁悬浮轴承八级径向轴承的结构示意图；
图5为稳定工作时，三电平稳态工作拓扑开关状态及工作波形示意图；其中，(a)为工作波形示意图，(b)为一个周期所有工作状态示意图；
图6为在电磁力变化动态响应时的工作状态及波形的示意图；其中，(a)为动态响应时的工作波形示意图，(b)为动态响应时的拓扑状态示意图；
图7为本发明的磁悬浮轴承控制方法的一实施例的流程示意图；
图8为公共桥臂Q2和Q3的电流方向示意图，其中，(a)为Q3电流向下的情况，(b)为Q3电流向上的情况。
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。
根据本发明的实施例，提供了一种磁悬浮轴承系统的控制方法。参见图1所示本发明的磁悬浮轴承系统的一实施例的结构示意图。该磁悬浮轴承系统，包括：N个自由度的控制模块，N为正整数。每个自由度的控制模块，包括：第一绕组，第二绕组，以及单自由度的磁悬浮功率放大器。所述单自由度的磁悬浮功率放大器，包括：第一开关管至第四开关管，以及第一单向管和第二单向管。
在一个自由度中，所述第一绕组和所述第二绕组，形成单自由度的两个差动控制绕组。所述第一开关管至所述第四开关管、以及所述第一单向管和所述第二单向管，能够差动控制所述第一绕组和所述第二绕组。
其中，所述第一开关管至所述第四开关管中的两个开关管，作为共用桥臂。具体的，所述第一绕组和所述第二绕组，能够共用所述第一开关管至所述第四开关管中的两个开关管。
图2为相关方案中单自由度功率放大器的拓扑示意图。如图2所示，相关方案中，差动控制的磁悬浮一共有5个自由度，每个自由度需要2个线圈绕组，每个线圈绕组需要2个开关管和2个单向导通管。所以，单个自由度需要4个开关管(如开关管Q1～开关管Q4)和4个单向导通管(二极管D1～二极管D4)。一个5自由度磁悬浮轴承系统中，5个自由度一共需要20个开关电源和20个单向导通管。
一些方案中，采用共用下桥臂的功放拓扑方案，3个桥臂控制两个线圈，且共用下桥臂具有固定的占空比。虽然节省了功率器件，但存在明显的缺陷：①因为下桥臂公共，所以同时限制了两个绕组的正电压最大占空比和负电压最大占空比，限制了电压利用率，故限制了两个线圈绕组电流了上升和下降速率，限制了电流响应速度。②共用桥臂同时流过两个线圈电流，电流应力大。
另一些方案中，采用用于磁悬浮轴承的串联绕组控制方案，其中用5个单向导通器件和5个可控开关组成5个桥臂，控制2个自由度的4个绕组，其中A1、A3为一个自由度x方向，A2、A4为一个自由度y方向。其进一步减少了功率器件，并且在只需控制一个方向上的电流时，占空比达100％，电压利用率达1。但是其存在明显的缺陷：①共用的可控开关S2、S3、S4导致x自由度的A1绕组和y自由度的A2绕组、x自由度的A3绕组和y自由度的A4绕组、x自由度的A3绕组和y自由度的A2绕组均存在极强的耦合，互相影响，增大了控制复杂度。②共用的可控开关S2、S3、S4电流应力大。③由于共用桥臂的影响，当绕组A1电流i1以最大占空比100％及最快的响应速度增大时，绕组A2只能是零电压续流或负电压减小电流状态，无法保持电流稳定或增加，其他桥臂同理。所以此方案限制了2自由度同时控制时的电流响应速度和电压利用率。
再一些方案采用优化桥臂电流应力的磁悬浮轴承串联绕组控制方案，其在专利CN111637164B上做了优化，将共用桥臂的单向导通器件更换为了可控开关，并且更改了绕组A2和绕组A4的电流方向，依旧是A1、A3为一个自由度x方向，A2、A4为一个自由度y方向。此专利优化了缺陷②共用桥臂电流应力较大的问题，但是依旧存在缺陷①两自由度绕组互相耦合影响和缺陷③同时控制时，电流响应速度和电压利用率低的问题。
上述3个方案，都存在线圈两端电压最大占空比受限制的问题，导致虽然功率器件减小，但是磁轴承的响应速度变慢了。
本发明的方案提出了一种磁悬浮轴承控制器装置及控制方法，其利用4个可控开关管和2个单向管，控制1个自由度的两个差动控制线圈绕组，共用桥臂为两个可控开关管。该磁悬浮轴承控制器装置，节省了功率器件，降低了共用桥臂的电流应力。并且该磁悬浮轴承控制器装置，可使1个自由度的两个差动线圈绕组同时达到100％的电压利用率，达到最快的电流响应速度。同时，该磁悬浮轴承控制器装置，解决了上述几个方案中因减少功率器件造成的不同自由度的绕组耦合、占空比限制、电压利用率低及电流响应速度慢的问题。
在一些实施方式中，所述第一绕组和所述第二绕组串联。并且，所述第一绕组和所述第二绕组的串联点，共用所述第一开关管至所述第四开关管中的两个开关管。
在本发明的方案中，提出一种磁悬浮功率放大器拓扑，在单自由度功率放大器拓扑中，含4个可控开关管和2个单向管，控制1个自由度的两个差动控制线圈绕组，共用桥臂为两个可控开关管。此拓扑节省了功率器件，降低了共用桥臂的电流应力，比单个4管H桥应力更低，降低了功耗。
在一些实施方式中，在所述第一开关管至所述第四开关管中，直流电源经所述第一开关管后，连接至所述第一绕组的第一端。所述第一绕组的第二端，与所述第二绕组的第一端相连。所述第二绕组的第二端，经所述第四开关管后接地。所述直流电源，还经所述第二开关管和所述第三开关管后接地。所述第二开关管和所述第三开关管的公共端，连接至所述第一绕组和所述第二绕组的公共点。所述第二开关管和所述第三开关管，形成所述第一绕组和所述第二绕组的共用桥臂。
在本发明的方案中，提出适用于单自由度功率放大器拓扑的基础上的控制方法，可使1个自由度的两个差动线圈绕组同时达到100％的电压利用率，达到最快的电流响应速度。解决了因减少功率器件造成的不同自由度的绕组耦合、占空比限制、电压利用率低及电流响应速度慢的问题。
在一些实施方式中，在所述第一开关管至所述第四开关管中，每个开关管，包括：三极管。
在所述第一开关管至所述第四开关管中，每个开关管的两端，为三极管的集电极和发射极。三极管的基极为控制端，用于接收所述磁悬浮轴承控制器的控制性。
在本发明的方案中，以上所有功率器件不限于开关管和单向导通管。
在一些实施方式中，在所述第一单向管和所述第二单向管中，所述第一单向管，设置在所述第一绕组的第一端与地之间。所述第二单向管，设置在所述直流电源与所述第二绕组的第二端之间。
在一些实施方式中，所述第一单向管包括第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述第一绕组的第一端连接。所述第二单向管包括第二二极管，所述第二二极管的阴极与所述直流电源连接。
图3为磁悬浮单个自由度控制功率放大器的拓扑图示意图(设为X方向的单个自由度控制功率放大器的拓扑图示意图)。
在图3和图4所示的例子中，LX1和LX2为x方向自由度的两个绕组，其电流正方向如图3所示，类似串联。开关管Q2和开关管Q3组成了共用桥臂，其中开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和二极管D1组成了绕组LX1的H桥功放，开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4和二极管D2组成了绕组LX2的H桥功放。ULX1为绕组LX1两端电压，ULX2为绕组LX2两端电压。开关管Q1带有体二极管VD1，开关管Q2带有体二极管VD2，开关管Q3带有体二极管VD3，开关管Q4带有体二极管VD4。
在图3所示的例子中，该磁悬浮功率放大器拓扑中两个线圈公用一个桥臂即开关管Q2和开关管Q3组成的共用桥臂，所以该磁悬浮功率放大器拓扑一共4个开关管(如开关管Q1～开关管Q4)和两个单向导通管(如二极管D1～二极管D2)。相较于图2所示的例子，节省了两个管子。
采用本发明的技术方案，通过利用4个可控开关管和2个单向管，控制1个自由度的两个差动控制线圈绕组，共用桥臂为两个可控开关管，从而，通过在电磁轴承差动控制模式中，线圈绕组所需可控开关管和单向导通管减少，以节省成本和减小占用空间。
根据本发明的实施例，还提供了对应于磁悬浮轴承系统的控制方法的一种磁悬浮轴承系统。该磁悬浮轴承系统可以包括：以上所述的磁悬浮轴承系统的控制方法。
由于本实施例的磁悬浮轴承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。
采用本发明的技术方案，通过利用4个可控开关管和2个单向管，控制1个自由度的两个差动控制线圈绕组，共用桥臂为两个可控开关管，降低了共用桥臂的电流应力。
根据本发明的实施例，还提供了对应于磁悬浮轴承系统的一种磁悬浮轴承控制方法，如图7所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。该磁悬浮轴承控制方法可以包括：步骤S110至步骤S130。
在步骤S110处，确定所述磁悬浮轴承系统的工作状态。所述工作状态，包括：稳态和动态响应中任一状态。
在步骤S120处，在所述磁悬浮轴承系统工作于稳态的情况下，控制所述第一绕组和所述第二绕组的电流不变，且所述第一绕组和所述第二绕组的电流之和为所述磁悬浮轴承系统中单自由度绕组偏置电流的2倍。
在步骤S130处，在所述磁悬浮轴承系统工作于动态响应的情况下，控制所述第一绕组和所述第二绕组中一个绕组的电流增大时，控制所述第一绕组和所述第二绕组中的电流减小。
图4为磁悬浮轴承八级径向轴承的结构示意图，即，两个自由度(x方向和y方向)8极径向磁轴承示意图。如图4所示，在本发明的差动控制方法中，设x自由度绕组偏置电流为I，差动控制电流为△I，则总有iLX1+iLX2＝2I，除非超出电流控制范围。设iLX1＝I+△I，iLX2＝I-△I。绕组LX1为绕组LX1的电流，绕组LX2为绕组LX2的电流。
当要增大X1方向的电磁力FX1时，需要增大绕组LX1的电流iLX1，减小绕组LX2的电流iLX2，此时，只需要增大△I，即可保证同时增大电流iLX1，减小电流iLX2。同理要增大X2方向的电磁力FX2时，只需要减小△I，即可保证同时减小电流iLX1，增大电流iLX2。
在一些实施方式中，步骤S130中控制所述第一绕组和所述第二绕组中一个绕组的电流增大时，控制所述第一绕组和所述第二绕组中的电流减小，包括：以设定大小和设定占空比的正电压，控制所述第一绕组和所述第二绕组中一个绕组的电流以设定速率增大时，以所述设定大小和所述设定占空比的负电压，控制所述第一绕组和所述第二绕组中的电流以所述设定速率减小。
在本发明的方案中，单个自由度上的两个绕组在磁悬浮控制中，稳态时：绕组电流基本保持不变，二者之和等于2倍的偏置电流。动态响应时：总是一个绕组电流增大，另一个绕组电流以同样速率减小。此时，增大电流的绕组需要一定占空比的正电压，另一个绕组减小电流，则需要同样大小且同样占空比的负电压。
在图3和图4所示的磁悬浮功率放大器配合响应的控制方法，达到了最大占空比无限接近100％的效果，提高了拓扑的响应速度和电压利用率。同时，减小了开关管Q2和开关管Q3组成的共用桥臂的电流应力。相较于相关方案，在同样减少开关管的同时，提高了接近一倍的电压利用率和电流响应速度。
图5为稳定工作时，三电平稳态工作拓扑开关状态及工作波形示意图。其中，(a)为工作波形示意图，(b)为一个周期所有工作状态示意图。如图5所示，实际磁悬浮轴承稳态工作时，占空比通常很小。设此时绕组平均iLX1＝I1+△I1，iLX2＝I1-△I1。在稳态下，绕组LX1和LX2均只有两种状态，正电压电流增加和零电压续流。图5中(b)为一个周期所有6个工作状态，分析得知，在所有工作状态下，只要共用桥臂导通流过电流，流过该桥臂的电流iLX1和iLX2方向永远相反，故共用桥臂的电流应力约等于2倍的△I1，而差动电流2△I1小于偏置电流2I1，故减小了共用桥臂的电力应力。
在电磁力变化、电流动态响应变化时，绕组两端正(负)电压能够达到的最大占空越大，那么在一个周期内绕组电流增加(下降)的就约多，电流响应速度就越快，电压利用率也越大，整个磁悬浮轴承系统的响应速度就越快。
图6为在电磁力变化动态响应时的工作状态及波形的示意图。其中，(a)为动态响应时的工作波形示意图，(b)为动态响应时的拓扑状态示意图。参加图6所示的例子，在电磁力变化动态响应时的工作状态及波形：一个自由度中，当某个方向的电磁力需要快速增大时，总是同时增大一个绕组电流，减小另一个绕组电流，且二者变化速率一致。
图6所示为增大FX1方向的电磁力，减小FX2方向的电磁力。此时，绕组LX1两端正电压占空比为90％，零电压续流占空比为10％，其以90％的有效占空比增大电流。而绕组LX2两端负电压占空比为90％，零电压续流占空比为10％，其以90％的有效占空比减小电流。二者最大有效占空比可达100％，完全达到了全桥H桥功放的响应速度，比上述专利响应速度提高很多。
公共桥臂Q2和Q3的电流方向与电流大的线圈相同，具体可以参见图8所示的例子。
本发明的方案所提出了一种磁悬浮轴承控制器装置及控制方法，以一个自由度为例给出，可推广到多个自由度系统，减少了功率器件，降低成本和体积。不存在不同自由度间的绕组耦合。在动态响应时，不存在占空比限制，提高了电压利用率，提高了电流响应速度。
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轴承系统的实施例、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。
采用本实施例的技术方案，通过利用4个可控开关管和2个单向管，控制1个自由度的两个差动控制线圈绕组，共用桥臂为两个可控开关管，电压利用率高，电流响应速度快。
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 (7)

1.一种磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，所述磁悬浮轴承系统，包括：N个自由度的控制模块，N为正整数；每个自由度的控制模块，包括：第一绕组，第二绕组，以及单自由度的磁悬浮功率放大器；所述单自由度的磁悬浮功率放大器，包括：第一开关管至第四开关管，以及第一单向管和第二单向管；
在一个自由度中，所述第一绕组和所述第二绕组，形成单自由度的两个差动控制绕组；所述第一开关管至所述第四开关管、以及所述第一单向管和所述第二单向管，能够差动控制所述第一绕组和所述第二绕组；
其中，所述第一绕组和所述第二绕组，能够共用所述第一开关管至所述第四开关管中的两个开关管；
所述磁悬浮轴承系统的磁悬浮轴承控制方法，包括：
确定所述磁悬浮轴承系统的工作状态；所述工作状态，包括：稳态和动态响应中任一状态；
在所述磁悬浮轴承系统工作于稳态的情况下，控制所述第一绕组和所述第二绕组的电流不变，且所述第一绕组和所述第二绕组的电流之和为所述磁悬浮轴承系统中单自由度绕组偏置电流的2倍；
在所述磁悬浮轴承系统工作于动态响应的情况下，控制所述第一绕组和所述第二绕组中一个绕组的电流增大时，控制所述第一绕组和所述第二绕组中的电流减小，包括：以设定大小和设定占空比的正电压，控制所述第一绕组和所述第二绕组中一个绕组的电流以设定速率增大时，以所述设定大小和所述设定占空比的负电压，控制所述第一绕组和所述第二绕组中的电流以所述设定速率减小；节省了功率器件，降低了共用桥臂的电流应力，并且使1个自由度的两个差动线圈绕组同时达到100％的电压利用率，达到最快的电流响应速度。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，所述第一绕组和所述第二绕组串联；并且，所述第一绕组和所述第二绕组的串联点，共用所述第一开关管至所述第四开关管中的两个开关管。
3.根据权利要求1或2所述的磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，在所述第一开关管至所述第四开关管中，直流电源经所述第一开关管后，连接至所述第一绕组的第一端；所述第一绕组的第二端，与所述第二绕组的第一端相连；所述第二绕组的第二端，经所述第四开关管后接地；
所述直流电源，还经所述第二开关管和所述第三开关管后接地；所述第二开关管和所述第三开关管的公共端，连接至所述第一绕组和所述第二绕组的公共点；所述第二开关管和所述第三开关管，形成所述第一绕组和所述第二绕组的共用桥臂。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，在所述第一开关管至所述第四开关管中，每个开关管，包括：三极管；
在所述第一开关管至所述第四开关管中，每个开关管的两端，为三极管的集电极和发射极；三极管的基极为控制端，用于接收所述磁悬浮轴承控制器的控制性。
5.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，在所述第一单向管和所述第二单向管中，所述第一单向管，设置在所述第一绕组的第一端与地之间；所述第二单向管，设置在所述直流电源与所述第二绕组的第二端之间。
6.根据权利要求5所述的磁悬浮轴承系统的控制方法，其特征在于，所述第一单向管包括第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述第一绕组的第一端连接；所述第二单向管包括第二二极管，所述第二二极管的阴极与所述直流电源连接。
7.一种磁悬浮轴承系统，其特征在于，包括：能够执行如权利要求1至6中任一项所述的磁悬浮轴承系统的控制方法。
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