CN116696946B - 一种磁悬浮轴承控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮轴承控制装置及控制方法，属于磁悬浮轴承控制领域。在磁悬浮轴承控制装置中，开关电路、LLC谐振电路、整流滤波电路依次相连接；整流滤波电路的电压输出端与磁悬浮轴承线圈的电压输入端相连接；反馈电路用于将悬浮在磁悬浮轴承中转子的振动信号反馈给开关电路；开关电路用于根据转子的振动信号与参比振动信号Xref的偏移量实时调整开关管的工作频率，从而改变LLC谐振电路的电压增益，实现对磁悬浮轴承线圈的输入电压的动态调整。该磁悬浮轴承控制装置既省去了磁悬浮轴承开关电源，也实现了开关管的软开关功能，具有体积小、成本低、发热小、功率密度大、集成度高的特点。

Description

一种磁悬浮轴承控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轴承控制装置及控制方法，属于磁悬浮轴承控制领域。

背景技术

随着磁悬浮轴承技术的发展，磁悬浮电机以其无摩擦、噪音小、转速高、能效高等优点逐渐占据传统电机市场。目前磁悬浮轴承的控制电路主要采用脉宽调制控制系统，如图1所示，输入电压V_IN2经过磁悬浮轴承开关电源后输出磁悬浮轴承需要的电压V_OUT2，当开关管S₃和S₄导通时，V_OUT2电压给磁悬浮轴承供电，磁悬浮轴承电流逐渐增大，产生电磁力；当开关管S₃和S₄关断时，V_OUT2电压无法给磁悬浮轴承供电，磁悬浮轴承电磁力逐渐减小。其中开关管S₃和S₄采用脉宽调制方式控制磁悬浮轴承电压的通断，脉宽调制方式如图2所示，在t0时间段，开关管S₃和S₄关断，磁悬浮轴承失电，电流逐渐减小，从而电磁力逐渐减小；在t1时间段，开关管S₃和S₄导通，磁悬浮轴承得电，电流逐渐增大，从而电磁力逐渐增大。其中，t0时间加上t1时间是开关管的工作周期T。通过调整每个周期t0和t1的时间占比，即可调整电压V_OUT2给磁悬浮轴承的供电时间，供电时间越长，磁悬浮轴承电流增加越大，从而电磁力越大。因此，该控制系统具有以下特点：

①需要能够稳定输出直流电的开关电源；

②需要磁悬浮轴承所控制的转子的振动反馈来调整每个开关周期t0和t1的时间占比，进而控制磁悬浮轴承电磁力的大小；

③控制磁悬浮轴承电磁力大小的关键要素是控制磁悬浮轴承电流的大小。

尽管上述磁悬浮轴承脉宽调制控制方法应用广泛，是目前的主流控制方式，但仍然存在以下缺点：

一是集成度不高，需要专用开关电源将输入电源变换为磁悬浮轴承专用的稳定输出的直流电源，既增加了系统体积，也增加了控制系统的成本；

二是大功率控制器发热严重，该控制电路的开关管每次导通时，开关损耗较大，无法实现软开关，因此发热严重、需要较大规模的散热系统，并且也缩短了开关管的使用寿命。

针对上述问题，本发明提供了一种磁悬浮轴承控制装置及控制方法，已解决现有的磁悬浮轴承控制装置体积大，发热严重，集成度低的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种磁悬浮轴承控制装置及控制方法，该磁悬浮轴承控制装置既省去了磁悬浮轴承开关电源，也实现了开关管的软开关功能，具有体积小、成本低、发热小、功率密度大、集成度高的特点。

本发明的技术方案为：

一种磁悬浮轴承控制装置，包括开关电路、LLC谐振电路、整流滤波电路和反馈电路，所述开关电路的电压输入端与变频器母线电压相连接，开关电路、LLC谐振电路、整流滤波电路依次相连接；整流滤波电路的电压输出端与磁悬浮轴承线圈的电压输入端相连接；

反馈电路与开关电路相连接，反馈电路用于将悬浮在磁悬浮轴承中转子的振动信号反馈给开关电路；开关电路用于根据转子的振动信号与参比振动信号Xref的偏移量实时调整开关管的工作频率，从而改变LLC谐振电路的电压增益，实现对磁悬浮轴承线圈的输入电压的动态调整。

由于采用了LLC谐振电路的磁悬浮轴承控制装置的输入电压V_IN1可在较大范围内波动，因此可以利用变频器母线电压作为输入电压，磁悬浮轴承控制装置不需要额外的开关电源提供稳定的输入电压V_IN1。

本发明设计的控制装置中采用了LLC谐振电路，LLC谐振电路具有零电压导通功能，在大部分工作频率上，也能够实现零电流关断功能，因此开关管发热小、效率高、散热片体积也较小，可以做到小体积大功率的高功率密度电路。与现有的通过调整每个周期t0和t1的时间占比来调整电压不同，本发明通过改变开关电路中开关管的工作频率来实现输出电压的调整。

根据本发明优选的，开关电路将变频器母线电压输出的直流电转换为方波，方波经过LLC谐振电路输出正弦波，高频变压器根据磁悬浮轴承线圈的输入电压的需求对LLC谐振电路的输出电压进行升压或降压；最后，整流滤波电路将正弦波转换为直流输出。

根据本发明优选的，所述开关电路包括开关管S₁、开关管S₂和开关驱动模块，开关管S₁的漏极与变频器母线电压的正极相连接，开关管S₁的源极与开关管S₂的漏极相连接，开关管S₂的源极与变频器母线电压的负极相连接，开关管S₁、开关管S₂的栅极均与开关驱动模块相连接；

开关驱动模块与反馈电路的输出端相连接，开关驱动模块基于转子的振动信号与参比振动信号的偏移量实时调整开关管S₁和开关管S₂的工作频率，从而改变LLC谐振电路的电压增益，实现对输出电压V_OUT1的动态调整。

根据本发明优选的，所述LLC谐振电路包括谐振电感L_R、谐振电容C_R和励磁电感L_M，谐振电感L_R的一端连接于开关管S₁的源极与开关管S₂的漏极之间，谐振电感L_R的另一端分别与励磁电感L_M、高频变压器TR₁相连接；谐振电容C_R的一端连接于开关管S₂的源极，谐振电容C_R的另一端分别与励磁电感L_M、高频变压器TR₁相连接。

根据本发明优选的，所述整流滤波电路包括二极管D₁、二极管D₂和滤波电容C₁，二极管D₁的正极与高频变压器TR₁相连接，二极管D₁的负极与磁悬浮轴承的电压输入端相连接；二极管D₂的正极与高频变压器TR₁相连接，二极管D₂的负极与二极管D₁的负极相连接；滤波电容C₁的一端与二极管D₁的负极相连接，滤波电容C₁的另一端与高频变压器TR₁相连接。

基于上述磁悬浮轴承控制装置的控制方法，包括：

将变频器母线电压输出的直流电输入到开关电路中，在开关电路中，根据反馈电路反馈的转子的振动信号与参比振动信号Xref的偏移量实时调整开关管S₁和S₂的工作频率，从而改变LLC谐振电路的电压增益，实现对磁悬浮轴承控制装置输出电压V_OUT1的实时调节，使得转子悬浮在磁悬浮轴承的中心。

根据本发明优选的，当磁悬浮设备的市电突然断电时，利用变频器控制电机减速停车，将机械能转换为电能，维持变频器母线电压20-30秒，从而继续给磁悬浮轴承控制装置供电，直至转子降至安全转速，也省去了UPS备用电源的使用。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供的磁悬浮轴承控制装置实现了开关管的零电压开启，进而减少了开关管的损耗，有助于减小系统的散热规模。

2.由于开关管损耗小，该工作频率可以设定很高，高频率有助于减小磁性元器件和电解电容的体积，实现高功率密度的磁悬浮轴承控制电路设计。

3.本发明提供的磁悬浮轴承控制装置中采用LLC谐振电路,而LLC谐振电路的输入电压可宽幅输入，故而可将变频器母线电压作为输入电压，省去了磁悬浮轴承开关电源。

4.当市电掉电时，变频器通过电机减速自发电，能够维持母线电压20-30秒，保证了磁悬浮轴承系统的持续供电，直至电机降到安全转速，省去了UPS备用电源。

附图说明

图1为现有的磁悬浮轴承脉宽调制控制系统的示意图。

图2为现有的脉宽调制原理图。

图3为PWM模式的开关电源的开关交叉损耗示意图。

图4为LLC结构的谐振式开关电源的开关交叉损耗示意图。

图5为磁悬浮轴承变频调制控制系统的示意图。

图6为LLC谐振电路的电压增益与开关频率关系图。

具体实施方式

下面将以图示揭露本申请的若干个实施方式，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明是用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，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。

在本公开各个实施例中，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以互相结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求保护的范围之内。

磁悬浮轴承脉宽调制控制方法应用广泛，是目前的主流控制方式，但仍然存在以下缺点：

一是集成度不高，需要专用开关电源将输入电源变换为磁悬浮轴承专用的稳定输出的直流电源，既增加了系统体积，也增加了控制系统的成本；

二是大功率控制器发热严重，该控制电路的开关管每次导通时，开关损耗较大，无法实现软开关，因此发热严重、需要较大规模的散热系统，并且也缩短了开关管的使用寿命。

基于LLC谐振电路的开关电源具有如下特点：

①输入电压V_IN1可以在较大范围内波动；

②通过电压反馈控制，输出稳定的直流电压V_OUT1；

③LLC谐振电路可以实现开关管零电压开通，减少了开关损耗，发热量大大减小，故而可以缩小散热片面积；

④由于开关损耗小，所以可以提高开关频率，减小磁性元器件的体积，进而可实现小体积大功率的高功率密度集成。

Buck电路、Boost电路和Forward电路都是PWM模式的开关电源，他们有一个共同的缺点是开关交叉损耗永远存在，如图3所示，区域a和区域b表示开关交叉损耗。随着技术的进一步提高，各种电子设备对开关电源的体积和性能要求越来越高，于是对减小开关损耗的研究越来越多，出现了各种各样的技术，比如有源钳位、准谐振技术、移相全桥、谐振开关电源，但是技术最先进的是LLC结构的谐振式开关电源。

LLC电路的原理是利用阻抗、感抗和容抗来进行分压，因为感抗和容抗的大小都是频率的函数，所以随着频率的变化，感抗、容抗的大小就会跟随着变化，励磁电感上的交流分压可以由驱动频率来进行调整，传输到次级经过整流，就可以得到需要的输出电压。

LLC最大的好处就是实现了ZVS（零电压开通），ZVS是利用交流电路里面电流电压之间的相位角会随着频率发生变化这一特性，如果始终保证LLC谐振腔工作在感性区域，那么就能始终保证谐振腔电流滞后于电压一定的相位角。如图4所示，LLC电路相较于Buck、Boost、Forward这些传统的PWM模式电路，其开关管损耗低了非常多。

根据上述内容总结的各自特点，本发明提供了一种磁悬浮轴承控制装置及控制方法，即基于LLC谐振电路的磁悬浮轴承控制电路，利用LLC谐振电路的优点，输出可调整的电压，该电压提供给磁悬浮轴承后，即可实时改变磁悬浮轴承电流的大小，进而实现对磁悬浮轴承电磁力的控制。

实施例1

一种磁悬浮轴承控制装置，如图5所示，用于控制磁悬浮轴承线圈的输入电压，使得转子悬浮在磁悬浮轴承的中心，包括开关电路、LLC谐振电路、整流滤波电路和反馈电路，所述开关电路的电压输入端与变频器母线电压相连接，开关电路、LLC谐振电路、整流滤波电路依次相连接；整流滤波电路的电压输出端与磁悬浮轴承线圈的电压输入端相连接；

反馈电路与开关电路相连接，反馈电路用于将悬浮在磁悬浮轴承中转子的振动信号反馈给开关电路；开关电路用于根据转子的振动信号与参比振动信号Xref的偏移量实时调整开关管的工作频率，从而改变LLC谐振电路的电压增益，实现对磁悬浮轴承线圈的输入电压的动态调整。

关于输入电路，由于该控制装置的输入电压V_IN1可在较大范围内波动，因此可由变频器母线电压提供，省去了磁悬浮轴承开关电源的使用。

该控制装置的主电路主要由LLC谐振电路、开关电路和整流滤波电路构成；其中LLC电路由电感L_R、L_M和电容C_R构成，通过调整开关电路中的开关管S₁和S₂的工作频率即可调整输出电压，该电压经过变压器TR₁和整流滤波电路中的二极管D₁、D₂和电容C₁的处理后，即可输出磁悬浮轴承所需电压V_OUT1。

关于反馈电路，将磁悬浮轴承所控制的转子的振动信号反馈给开关管S₁和S₂的控制器，即可控制开关管实时调整工作频率，从而实现对输出电压V_OUT1的实时调节，进而实现对磁悬浮轴承电磁力的精确控制。

实施例2

一种磁悬浮轴承控制装置，与实施例1的区别在于：

开关电路将变频器母线电压输出的直流电转换为方波，方波经过LLC谐振电路输出正弦波，高频变压器根据磁悬浮轴承线圈的输入电压的需求对LLC谐振电路的输出电压进行升压或降压；最后，整流滤波电路将正弦波转换为直流输出。磁悬浮轴承线圈的输入电压需求根据具体的情况分析，比如当转子的振动信号偏向X轴正方向，则需要改变X轴正负方向上线圈的输入电压。

实施例3

一种磁悬浮轴承控制装置，与实施例1的区别在于：

如图5所示，所述开关电路包括开关管S₁、开关管S₂和开关驱动模块，开关管S₁的漏极与变频器母线电压的正极相连接，开关管S₁的源极与开关管S₂的漏极相连接，开关管S₂的源极与变频器母线电压的负极相连接，开关管S₁、开关管S₂的栅极均与开关驱动模块相连接；

开关驱动模块与反馈电路的输出端相连接，开关驱动模块基于转子的振动信号与参比振动信号的偏移量实时调整开关管S₁和开关管S₂的工作频率，从而改变LLC谐振电路的电压增益，实现对输出电压V_OUT1的动态调整。具体的，开关驱动模块可以采用开关驱动芯片。LLC谐振电路的电压增益为LLC谐振电路的输出电压与输入电压的比值。

实施例4

一种磁悬浮轴承控制装置，与实施例3的区别在于：

如图5所示，所述LLC谐振电路包括谐振电感L_R、谐振电容C_R和励磁电感L_M，谐振电感L_R的一端连接于开关管S₁的源极与开关管S₂的漏极之间，谐振电感L_R的另一端分别与励磁电感L_M、高频变压器TR₁相连接；谐振电容C_R的一端连接于开关管S₂的源极，谐振电容C_R的另一端分别与励磁电感L_M、高频变压器TR₁相连接。

实施例5

一种磁悬浮轴承控制装置，与实施例4的区别在于：

如图5所示，所述整流滤波电路包括二极管D₁、二极管D₂和滤波电容C₁，

二极管D₁的正极与高频变压器TR₁相连接，二极管D₁的负极与磁悬浮轴承的电压输入端相连接；

二极管D₂的正极与高频变压器TR₁相连接，二极管D₂的负极与二极管D₁的负极相连接；

滤波电容C₁的一端与二极管D₁的负极相连接，滤波电容C₁的另一端与高频变压器TR₁相连接。

实施例6

基于实施例1-5任一个提供的磁悬浮轴承控制装置的控制方法，包括：

将变频器母线电压输出的直流电输入到开关电路中，在开关电路中，根据反馈电路反馈的转子的振动信号与参比振动信号Xref的偏移量实时调整开关管S₁和S₂的工作频率，从而改变LLC谐振电路的电压增益，实现对磁悬浮轴承控制装置输出电压V_OUT1的实时调节，使得转子悬浮在磁悬浮轴承的中心。

LLC谐振电路的电压增益与开关频率关系图如图6所示，由图6可知，当开关管S₁和开关管S₂的工作频率选择在f₁和f₂之间时，其开关频率越大，输出给磁悬浮轴承的电压V_OUT1就会越低、电流就会越小，从而实现对磁悬浮轴承电磁力的变频控制。

实施例7

一种磁悬浮轴承控制装置的控制方法，与实施例5的区别之处在于：

当磁悬浮设备的市电突然断电时，利用变频器控制电机减速停车，将机械能转换为电能，维持变频器母线电压20-30秒，从而继续给磁悬浮轴承控制装置供电，直至转子降至安全转速，也省去了UPS备用电源的使用。一般安全转速在2000r/min以下。

上述说明示出并描述了本申请的优选实施方式，但如前对象，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文对象构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种磁悬浮轴承控制装置，其特征在于，包括开关电路、LLC谐振电路、整流滤波电路和反馈电路，所述开关电路的电压输入端与变频器母线电压相连接，开关电路、LLC谐振电路、整流滤波电路依次相连接；整流滤波电路的电压输出端与磁悬浮轴承线圈的电压输入端相连接；

反馈电路与开关电路相连接，反馈电路用于将悬浮在磁悬浮轴承中转子的振动信号反馈给开关电路；开关电路用于根据转子的振动信号与参比振动信号X_ref的偏移量实时调整开关管的工作频率，从而改变LLC谐振电路的电压增益，实现对磁悬浮轴承线圈的输入电压的动态调整；

所述开关电路包括开关管S₁、开关管S₂和开关驱动模块，开关管S₁的漏极与变频器母线电压的正极相连接，开关管S₁的源极与开关管S₂的漏极相连接，开关管S₂的源极与变频器母线电压的负极相连接，开关管S₁、开关管S₂的栅极均与开关驱动模块相连接；

开关驱动模块与反馈电路的输出端相连接，开关驱动模块基于转子的振动信号与参比振动信号的偏移量实时调整开关管S₁和开关管S₂的工作频率，从而改变LLC谐振电路的电压增益，实现对输出电压V_OUT1的动态调整；

所述LLC谐振电路包括谐振电感L_R、谐振电容C_R和励磁电感L_M，谐振电感L_R的一端连接于开关管S₁的源极与开关管S₂的漏极之间，谐振电感L_R的另一端分别与励磁电感L_M、高频变压器TR₁相连接；谐振电容C_R的一端连接于开关管S₂的源极，谐振电容C_R的另一端分别与励磁电感L_M、高频变压器TR₁相连接；

所述整流滤波电路包括二极管D₁、二极管D₂和滤波电容C₁，二极管D₁的正极与高频变压器TR₁相连接，二极管D₁的负极与磁悬浮轴承的电压输入端相连接；二极管D₂的正极与高频变压器TR₁相连接，二极管D₂的负极与二极管D₁的负极相连接；滤波电容C₁的一端与二极管D₁的负极相连接，滤波电容C₁的另一端与高频变压器TR₁相连接。

2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮轴承控制装置，其特征在于，开关电路将变频器母线电压输出的直流电转换为方波，方波经过LLC谐振电路输出正弦波，高频变压器根据磁悬浮轴承线圈的输入电压的需求对LLC谐振电路的输出电压进行升压或降压；最后，整流滤波电路将正弦波转换为直流输出。

3.基于权利要求1或2所述的磁悬浮轴承控制装置的控制方法，其特征在于，包括：

将变频器母线电压输出的直流电输入到开关电路中，在开关电路中，根据反馈电路反馈的转子的振动信号与参比振动信号X_ref的偏移量实时调整开关管S₁和S₂的工作频率，从而改变LLC谐振电路的电压增益，实现对磁悬浮轴承控制装置输出电压的实时调节，使得转子悬浮在磁悬浮轴承的中心。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承控制装置的控制方法，其特征在于，当磁悬浮设备的市电突然断电时，利用变频器控制电机减速停车，将机械能转换为电能，维持变频器母线电压20-30秒，从而继续给磁悬浮轴承控制装置供电，直至转子降至安全转速。