CN1965172A - 具有简化布线的磁轴承装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种磁轴承装置和操作这种装置的方法。该装置包括一组(410)电磁执行器(411，412，413，414)。每个执行器与放大器单元(701)电连接。第一子组的执行器与第一公共节点(608)连接，第二子组的执行器与第二公共节点(609)连接。公共节点(608，609)或者直接相互连接或者通过象附加执行器这样的装置进行连接。优选地，公共节点(608，609)没有到放大器单元的额外电连接线。根据本发明的特定实施例，每个子组的执行器仅包括单个执行器并且公共节点具有到放大器的电连接线。由此，该装置包括以串联配置连接到H桥的两个执行器。公共节点可以连接至两个不同电压中的任一个。本发明实现了简化的布线而没有增加的线路负载要求。

Description

具有简化布线的磁轴承装置

技术领域

本发明涉及磁轴承装置和操作该装置的方法。特别地，本发明涉及具有权利要求1或权利要求12前序部分的特征的磁轴承装置并且涉及具有权利要求9或权利要求14前序部分的特征的方法。

背景技术

在磁轴承装置中，物体以非接触方式被电磁支持。通过提供位置或位移传感器、把传感器信号提供给控制器、根据传感器信号产生控制电流或控制电压并且借助于功率放大器将这些电流或电压施加到电磁执行器来主动控制物体的一个或多个自由度。这样，就能实现对待支持物体的稳定悬置。

在一个重要的例子中，转子悬置在磁轴承装置中以围绕转子轴旋转。转子轴的长轴被表示为z，而且和转子轴长轴垂直的两个相互正交的方向被表示为x和y。通常要控制5个自由度(3个平移和2个旋转自由度)。原则上，5个传感器和相同数量的执行器就能满足要求。但是，常常会用更多的执行器，一般为10个，分成5对。

为了控制径向运动(x和y方向上的平移和倾斜运动)，通常沿着z轴在上和下位置提供两个径向轴承单元。通常，在每个径向轴单元中，有两对执行器来分别控制转子轴部分在±x和±y方向上的位移。同样，存在含一对执行器的轴向或推力轴承单元用来控制±z方向上的位移。可以向每个执行器提供偏置电流来设置工作点。

每个执行器通常通过两根导线连至单独的功率放大器。这些功率放大器通常封装在独立的放大器单元中，其可以和执行器很好地分离。对于上面的10个执行器的例子，这导致共20根导线跨越相当长的距离从放大器单元到执行器。这么多数量的导线使得线缆和连接器很昂贵且影响可靠性。

本技术领域提供了不同的措施来减少导线的数量。

一种措施是，磁阻型执行器的偏置用永磁体而不是提供偏置电流来实现。永磁体提供了偏置磁场。(Ulbrich，H.；Wang，Y.-X.；Bormann，J.：Magnetic Actuator Design for Mechanical Engineering Applications.Proceedings of the 4th International Symposium on Magnetic Bearings，Zürich 1994，pp.377-382)然后每个轴承单元中的每对执行器以极性相反的方式串联，这样流经执行器的电流导致第一执行器的磁场的增强和该对执行器中第二执行器的磁场的减弱。由此可以减少执行器和放大器单元间所需导线的数量。

另一种减少导线数量的措施是几个执行器使用公共回路导线，典型的是用于到地的连接。在具有10个执行器的系统中，导线数量可以由此从20减少到11根。但是，在这种措施中，公共回路导线的负载要求比其它的导线高很多，而且这种布线的总体功率使用容量较传统的布线也增加了。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有简化布线的磁轴承装置。特别地，本发明的目的是提供一种对于给定执行器数量可实现执行器和功率放大器单元之间更便宜布线的磁轴承装置。

这个目的由具有权利要求1或12的特征的磁轴承装置来实现。

本发明的另一个目的是提供一种操作这种磁轴承装置的改进方法。

这个目的由具有权利要求8或14的特征的操作磁轴承装置的方法来实现。

根据本发明的第一个方面，提供了一种用于磁性支持物体的磁轴承装置。该装置包括放大器单元和至少一组用于控制物体的m个自由度的电磁执行器。所述组中的执行器的数量至少为3，优选至少为4。每个执行器有通过执行器提供电流的第一和第二端口。每个执行器的第一端口连接到放大器单元。该组的执行器被分成第一子组和第二子组。第一子组中的每个执行器的第二端口连接到第一公共节点，第二子组中的每个执行器的第二端口连接到第二公共节点(公共交汇点，公共连接点)。每个公共节点对于每个子组中的所有执行器是共用的。第一公共节点与第二公共节点通过节点连接装置电连接。这些公共节点与放大器单元没有额外的电连接(即，除了通过执行器，公共节点和放大器单元间没有电流通过)。另外，公共节点和所述放大器单元间也可以有一个或多个额外的电连接线(可以称作公共回路)。该放大器单元包括以如下方式通过执行器提供电流的装置：使得通过该额外的电连接线的所有电流的绝对值之和总是比通过该组的执行器中所有执行器的电流的绝对值之和要小，优选地低于后者之和的一半，更优选地低于通过任何一个执行器的电流的最大值(随时间上的)。

因此，该额外的电连接线的尺度可以有利地设计为承载总是(最好远远)小于通过所有执行器的电流的绝对值之和的电流。这样一种设计和操作模式用现有的技术是不可能达到的。

本发明基于如下认识，在无需提供能承受过载的回路导线的情况下使用更少数量的导线事实上可以来操作磁轴承装置。如果有额外的电连接线(公共回路)，该连接线优选地被设计尺度以运载对应于通过该组的执行器中的任一执行器的最大电流的最大电流。这样，公共回路可以和放大器单元和执行器之间的所有其他导线有同样地规格，这就使得布线更便宜更容易。更优选地，在公共节点和放大器单元之间没有额外连接线。

一般来讲，放大器单元会包括保证通过第一子组中执行器的(有符号的)电流值之和的符号和通过第二子组中执行器的(有符号的)电流值之和的符号相反的装置。这样，公共回路的总电流至少部分抵消了。

术语“公共节点”要理解为一概念而不是子组中所有执行器都连接到的物理点。当子组的执行器的第二端口被低欧姆和低电感的连接线如公共导线、印刷电路板上的公共导体或某些其它导体连接时，就要理解为连接到公共节点。

优选地，第一和第二公共节点直接相互连接，即它们由好的电导体相连。这样，概念上只有包含第一和第二公共节点的单个公共节点。另外，节点连接装置可以包括一额外负载，如线圈，具体地为产生偏置磁场的偏置线圈或另外的电磁执行器。

有利地，放大器单元包括以如下方式控制通过执行器的电流的装置：使得任何流过节点连接装置的电流只沿预定方向流动，即，通过每个子组的执行器的电流之和只沿预定的方向流动，其中针对第一和第二子组这些方向是相反的。这就使得能够进行如有效的偏置。换句话说，放大器单元优选地被操作以如下方式向所述组的执行器提供多个电流：在所述磁轴承装置的操作过程中，通过第一子组的执行器从放大器单元到第一公共节点的电流之和不改变符号。

在有利的实施例中，所述组的执行器中的每个执行器是一个磁阻型执行器。这些是在磁轴承装置中最常用的类型的执行器。

在一个具体实施例中，所述第一子组中的每个执行器的第一端口以第一极性连接到放大器单元，而所述第二子组中的每个执行器的第一端口以与第一极性相反的第二极性连接到放大器单元。这样，流经每个执行器的电流方向就固定了。这使得放大器单元设计特别简单，可以是单极的，即，不能改变通过每个执行器的电流的方向。换句话说，放大器单元优选地以如下方式给所述组的执行器提供多个电流：从放大器单元到第一子组中的每个执行器的第一端口的每个电流总是沿第一预定方向流动，而从放大器单元到第二子组中的每个执行器的第一端口的每个电流都是沿与第一预定方向相反的第二预定方向流动，可能除了少量的残余电流之外。

在本发明的上下文中，极性被定义如下。执行器被理解为以某种极性连接到放大器单元上，如果连接导致流过放大器单元和执行器间的连接线的任何电流只按某个预定的方向流动。执行器的第一端口以正极性连接在放大器单元上因此意味着电流会按这个指定的方向通过执行器从放大器单元流向公共节点。相应的，负极性意味着电流会按这个指定的方向通过执行器从公共节点流向放大器单元。

如此定义的执行器到放大器单元和公共节点的连接线的极性与执行器产生的磁场极性(即，方向)是不相关的。磁场方向是由选择第一或第二端口连向放大器单元或执行器中线圈的绕向决定的。

放大器单元可以有利地包含有源开关装置，其能够可操作地将第一子组中的每个执行器选择性地连接至第一电势水平以及将第二子组中的每个执行器选择性地连接至比所述第一电势水平低的第二电势水平。不需要其它有源开关装置。这是单极放大器单元的一个具体实施例。

放大器单元会有利地进一步包括使得单向电流从第二电势水平流到第一子组中每个执行器的每个第一端口的多个第一二极管和使得单向电流从第二子组中每个执行器的每个第一端口流到第一电势水平的多个第二二极管。除了上述的有源开关装置(如，晶体管)和二极管外，不需要其它有源开关装置。

一个具体的例子是包括具有两对执行器的轴承单元的磁轴承装置，该两对执行器沿正和负两个不同的方向产生力。这样的组的执行器包括在第一方向上产生力的第一执行器，在与所述第一方向相反的第二方向上产生力的第二执行器，在不同于所述第一和第二方向的第三方向上产生力的第三执行器和在与所述第三方向相反的第四方向上产生力的第四执行器，第一子组有利地包括第一和第二执行器，第二子组有利地包括第三和第四执行器。具体地，该连接方案对于两子组都实现了简单的偏置。

另一个有利的布置包括含3个执行器的第一子组，含3个执行器的第二子组，则该完整的组的执行器包括6个执行器。再一个有利的布置包括含4个执行器的第一子组，含4个执行器的第二子组，则该完整的组的执行器包括8个执行器。

如果该组的执行器包括操作来产生相反方向的力的至少一对执行器，则每个这样的对属于相同的子组是有利的。当以预定的偏置电流操作该对执行器时，流过每对的电流之和可以更容易地被保持在预定的值上。

通常，本发明的磁轴承装置还包括控制器和多个检测物体位移的传感器。这些传感器被可操作地连接到控制器来提供传感器信号。这个控制器被可操作地连接到放大器单元用于根据传感器信号向放大器单元提供广义的力信号。

发明的方法是一种对用于磁性支持物体的磁轴承装置进行操作的方法。磁轴承装置包括放大器单元和用于控制物体的大量自由度的至少一组电磁执行器，其中所述组中的执行器数至少为3个，优选至少为4个，所述组的执行器中的每个执行器具有给执行器提供电流的第一和第二端口。所述组的执行器中的每个执行器的第一端口连接到所述放大器单元，所述组的执行器被分成第一子组和第二子组，第一子组中的每个执行器的第二端口连接到第一公共节点，第二子组中的每个执行器的第二端口连接到第二公共节点，所述第一公共节点与第二公共节点通过节点连接装置电连接。在该方法中，电流以如下方式被提供给执行器：使得通过所述公共节点和所述放大器单元之间的任何额外的电连接线的所有电流的绝对值之和为零或总是低于通过所述组的执行器中的所有执行器的所有电流的绝对值之和。

有利地，以如下方式给执行器提供电流：使得流过节点连接装置的任何电流都只沿预定方向流动。换句话说，通过第一子组的执行器从放大器单元到第一公共节点的电流之和不改变符号。

在一个有利的实施例中，流过第一子组中的所有执行器的所有电流的绝对值之和等于预定的偏置值。这个偏置值可以固定也可以是随时间变化的，但是会比单个执行器中的电流的变化得更慢。

在本发明的上下文中，磁轴承装置包括p组执行器，一共n个执行器控制着m个自由度。该组执行器中的每个子组的执行器都连在一个公共节点上，本发明的方法能用如下非常精致的方式实现。

该方法包括：

提供多个传感器信号；

基于所述传感器信号得到含m个控制信号的集；而且由所述控制信号得到用于驱动所述执行器的含n个广义的力值的集。

在大多数简单的情况下，广义的力值可以是提供给执行器的电流值。得到含n个广义的力值的集的步骤包括以下一些数学步骤：

确定其矩阵元素是描述所述执行器的几何布置和物理特性的几何矩阵

确定其矩阵元素是描述所述执行器和所述公共节点的连接线的节点矩阵

确定其矩阵元素是描述附加边界条件的偏置矩阵

由所述几何矩阵

，所述节点矩阵 和所述偏置矩阵

形成一个二次型可逆系统矩阵

对所述系统矩阵 作逆变换以得到逆系统矩阵

将所述逆系统矩阵 和包含所述m个控制信号的值、描述所述公共节点流出电流的p个额外数字以及属于所述附加边界条件的(n-m-p)个额外数字的列向量相乘，以得到包含所述广义的力值的n行列向量。

 根据本发明的第二方面，提供了一种用于磁性支持物体的磁轴承装置，其包括放大器单元和第一与第二执行器，每个执行器具有第一和第二端口。第一执行器的第二端口和第二执行器的第一端口连接，执行器由此被串联连接并共享公共节点。第一执行器的第一端口、第二执行器的第二端口和公共节点连接于放大器单元。放大器单元可用于沿第一预定方向给所述第一执行器的所述第一端口提供电流，沿和第一预定方向相反的第二预定方向给第二执行器的第二端口提供电流。可以向公共节点提供双向电流。总体上，这对应于每个子组的执行器只包括一个执行器的系统。

在一个优选实施例中，执行器以串联结构连接在H桥电路的两个输出之间，H桥电路又连接在第一和第二电势水平(电压)之间，且公共节点连接在起到可交替地把公共节点与第一或第二电势水平连接的开关装置。换句话说，磁轴承装置包括选择性地把第一执行器的第一端口与第一电势水平连接的第一开关装置，选择性地把第二执行器的第二端口与比第一电势水平低的第二电势水平连接的第二开关装置，选择性地把第一执行器的第一端口与第二电势水平连接的第三开关装置，选择性地把第二执行器的第二端口与第一电势水平连接的第四开关装置，选择性地把公共节点与第一电势水平连接的第五开关装置，选择性地把公共节点与第二电势水平连接的第六开关装置。

第一、第二、第五和第六开关装置有利地包括有源电流开关，优选为晶体管。

第三和第四开关装置每个有利地由只允许电流沿预定方向流动的无源电流开关优选地由二极管组成。二极管在不导通和导通两个状态间转换，二极管阳极和阴极间的电压为负时，二极管不导通，该电压为正且大于设备相关的阈值时，二极管导通。由此，第三开关装置优选地包含其阳极连到第二电势水平且其阴极连到第一执行器的第一端口的二极管，相应的第四开关装置优选地包含其阳极连到第二执行器的第二端口且其阴极连到第一电势水平的二极管。这种配置能自动保证电流只沿期望的方向流动。

另外，第一和第二开关装置的每个可以包括晶体管。因为晶体管的开关状态取决于控制电压(如，对于MOSFET，栅电压)或控制电流(如，对于双极性晶体管，偏置电流)，因此放大器单元包括以保证电流沿期望的方向流动的方式动态控制开关装置的装置。

一种操作这种磁轴承装置的方法包括如下步骤：

提供从第一执行器的第一端口流到第二执行器的第二端口的预定偏置电流；

确定所述物体的一部分离开期望的位置的位移；

在所述放大器单元和所述公共节点间提供控制电流以产生作用以恢复所述物体的所述部分的所述期望位置的力。

优选地，在第一执行器的第一端口与第二执行器的第一端口间提供预定的偏置电流的步骤包括以下步骤：

选择性地将第一执行器的第一端口与第一电势水平连接，以及将第二执行器的第二端口与比第一电势水平低的第二电势水平连接，直到达到预定的偏置电流；以及

提供闭合的电流路径使电流通过第一和第二执行器再循环。

优选地，在放大器单元与公共节点间提供控制电流的步骤包括如下可交错顺序的步骤：

选择性地将公共节点与第一电势水平连接；且

选择性地将公共节点与比第一电势水平低的第二电势水平连接。

本发明可以应用于任何磁轴承单元的应用。具体地，给涡轮分子泵提供根据本发明的磁轴承单元是有利的。

附图说明

下面结合附图中显示的示范性实施例来更详细地对本发明进行说明，其中：

图1显示了在磁轴承中悬置的转子的高度示意的透视图；

图2显示了磁阻型电磁执行器的原理图；

图3显示了根据现有技术将放大器单元连接至单个执行器的线缆连接方案的示意图；

图4显示了将放大器单元连接至有4个执行器的轴承单元的现有技术的第一线缆连接方案的示意图；

图5显示了将放大器单元连接至有4个执行器的轴承单元的现有技术的第二线缆连接方案的示意图；

图6显示了根据本发明第一实施例的线缆连接方案的示意图，用于将放大器单元连接至有4个执行器的轴承单元；

图7显示了根据本发明第二实施例的线缆连接方案的示意图，用于将放大器单元连接至有4个执行器的轴承单元；

图8显示了具有6个执行器的磁轴承单元的高度示意的顶视图；

图9显示了将放大器单元连接至有6个执行器的轴承单元的现有技术的线缆连接方案的示意图；

图10显示了根据本发明第三实施例的线缆连接方案的示意图，用于将放大器单元连接至有6个执行器的轴承单元；

图11显示了有8个执行器的线性磁轴承装置的高度示意的透视图；

图12显示了根据本发明第四实施例的线缆连接方案的示意图，用于将放大器单元连接至图11的执行器；

图13显示了根据本发明第五实施例的线缆连接方案的示意图，用于将放大器单元连接至图11的执行器；

图14显示了根据本发明第六实施例的线缆连接方案的示意图，用于将放大器单元连接至图11的执行器；

图15显示了根据本发明第七实施例的线缆连接方案的示意图，用于将放大器单元连接至具有4个执行器的轴承单元；

图16显示了根据本发明第八实施例的线缆连接方案的示意图，用于将放大器单元连接至具有4个执行器的轴承单元；

图17显示了根据本发明第九实施例的线缆连接方案的示意图，用于将放大器单元连接至具有4个执行器的轴承单元；

图18显示了根据本发明第十实施例的线缆连接方案的示意图；

图19显示了根据本发明第十一实施例的线缆连接方案的示意图。

具体实施方式

图1以高度示意的方式显示了在磁轴承装置100中悬置的绕Z方向转动的转子轴101。该轴承装置包括第一(上部)径向轴承单元110，第二(下部)径向轴承单元120，和与附着在轴101上的盘102配合的轴向(推力)轴承单元130。上部径向轴承单元110包括4个执行器111，112，113和114，它们分别沿+x，+y，-x，-y方向给轴101的上部区域施加力，x和y方向相互正交并和Z方向是垂直的。同样，下部径向轴承单元120包括4个执行器121，122，123，124，它们分别沿+x，+y，-x，-y方向给轴101的下部区域施加力。径向轴承单元中的每个执行器都由在极靴或轭上有绕组的电磁体组成。而且轴向轴承单元包括两个电磁执行器131和132，在图1中简单地由绕组示意地表示。

含有悬置在磁轴承装置100中的轴101的转子按一级近似可按有六个自由度(DOF)的刚性转子对待。一个DOF是绕z轴的转动。这个DOF一般由电动机驱动(为简单起见，电动机未在图1中示出)。其它5个DOF可以分别是x，y，z方向上的平移和x，y方向(在x-z平面和y-z平面)上的倾斜。这些可以按如下来控制：传感器131，132分别确定轴101的上部区域在±x和±y方向上的位移。同样，传感器141，142分别确定轴101的下部区域在±x和±y方向上的位移。传感器151确定在±z方向上的位移。这些传感器的信号被提供给控制器，控制器用已知的手段从传感器信号中产生用于执行器的驱动信号(更通俗来说，广义的力值)。相同的方案也能推广至多于5个传感器的情况。这样的控制方案在本技术领域是众所周知的。每个驱动信号被提供给功率放大器，功率放大器通过提供实现对应于广义的力值的某个力的分量所需的电流来驱动单个执行器。

在磁轴承装置中，经常使用磁阻型电磁执行器。这种执行器的原理如图2所示。电流j被提供给线圈202。此电流产生通过轭201和铁磁相对体203比如转子轴或在该轴上的衬垫的磁通量，并且在轭与相对体之间有宽度为d的空气间隙。该通量在相对体203中感应出磁化作用。按一级近似并忽略磁滞，在轭与相对体之间产生的力F正比于电流j的平方并且反比于空气间隙宽度d的平方：F∝j²/d²。间隙决不仅限于空气。水间隙，真空间隙，CO₂间隙或填充有其它成份的间隙都能使用。这种力总是相吸的。所以，用磁阻型轴承不能产生相斥的力。

所以，如果使用磁阻型执行器，通常对于指定方向(x，y或z)，需要使用一个以上的执行器来实现对正和负两者方向上的位移全面控制。磁阻型磁执行器的另一个特点是执行器产生的力与电流的近似二次方关系。这种特性可能会不利，因为，在没有偏置电流的情况下，需要大的电流变化来实现力的给定的变化。因此，偏置电流常常要提供给磁阻型磁执行器。力是电流平方关系的进一步的后果是，力与通过执行器的电流方向是无关的，通常仅需要单极电流源。

一种替换偏置电流的使用的可选方案是使用用于偏置的独立的装置。这样的偏置场可用永磁体或附加的线圈来产生：

F∝B²这里：B＝B_bias+B_j且B_j∝j/d

在这种情况下，所有的力仍然是相吸的。但是，为了实现为零的力，电流必须被设置成为负，而且为此需要双极电流源。

作为磁阻型执行器可以如何被驱动的例子，图3又以高度示意的方式说明了连接到某个轴承单元310中的磁阻型执行器311的功率放大器301。功率放大器是所谓的“H桥(H-bridge)”设计。第一电流开关303和第一二极管304串联连接在(正)电压V₀和地之间。该二极管被与其导通方向反向地插入。在第二个分支中，第二二极管304’和第二电流开关303’以类似地方式但相反的顺序串联连接。通过两根导向各个二极管和各个电流开关之间的连接点的导线将执行器310连接到H桥放大器。从电学的角度来说，执行器可以基本上被表示为大的电感。运行中，两个开关开始都是闭合的，导致电流j在执行器310的电感中增大。一旦达到要求的电流，打开其中一个开关。现在的电流通过仍然闭合的开关和一个二极管在闭合环路中流动。通过重新闭合两个开关(增大)或把两个开关都打开(减小)可以改变电流并且可以通过电流传感器305检测。为了优化开关运转状态和/或导电损耗，每个二极管都能用一个有源的电流开关代替。每个有源的电流开关303通常包括由半导体材料制成的固态开关装置，比如MOSFET(金属氧化物/半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、晶闸管等，通过调制技术如脉宽调制(PWM)的方式来驱动，以控制通过每个开关的时间平均电流。这种装置和驱动技术在本领域是周知的。

当然，其它类型的放大器设计也是可以的，并且本发明决不仅限于描述过的H桥类型的放大器设计。其它可能结合本发明一起应用的设计在如下面的文件中作了描述：(Wassermann，J.；Springer，H：A LinearPower Amplifier with Current Injection for Magnetic Bearings.Proceedings of the 4th International Symposium on Magnetic Bearings，Zürich 1994，pp.371-376)，(Schrder，U：Power Amplifiers forMagnetic Bearings.Proceedings of MAG’96，Magnetic Bearings，Magnetic Drives and Dry Gas Seals，Virginia 1995，pp.285-301)，或(Zhang，J.；Schulze，J.O.；Barletta，N：Synchronous Three-Level PWMPower Amplifier for Active Magnetic Bearings.Proceedings of the 5thInternational Symposium on Magnetic Bearings，Kanazawa1996，pp.277-282)。

本领域中，已知许多其它设计的功率电子器件设计被用于驱动感应负载。这些包括电流型变流器，矩阵变换器，电容储能型变换器，谐振变换器或线性放大器。它们典型应用于驱动步进电机，感应电机，磁阻电机，变压器或螺线管。

通过图3中的布线方案，需要两根导线来连接每个执行器和它相应的功率放大器。图4以高度示意的方式显示了包括四个执行器411，412，413，414的径向轴承单元410的布线。这些执行器被连接到包含4个独立的与图3中相同类型的功率放大器的放大器单元401。为简化起见，可以假定执行器411产生+x方向的轴部上的力，执行器412在-x方向，执行器413在+y方向和执行器414在-y方向。驱动这4个执行器需要8根导线。为了比较，对于在放大器单元401和轴承单元410之间的每根导线和在放大单元中的每个功率开关(以及每个二极管)计算出所需的电压和电流额定值是很有用的。各个执行器分别运载电流j₁，j₂，j₃和j₄，电流最大值为j_max。对于电压Vo，每根导线和每个开关的额定电压电流必须为Vo和_jmax。对于所示出的结构，导线的总的功率容量为8Voj_max。4个执行器中的每个执行器的最大输出功率是Voj_max，并且因此线缆的功率容量要求和总的输出功率比等于2.0。

因为在放大器单元401和轴承单元410之间可能有很长的距离，而且因为在每个导线端部通常需要连接器，所以布线将会相当昂贵，因此需要更少导线的更为便宜的布线方式是所期望的。

所以在现有的技术中建议为所有的执行器提供一个单一的公共回路导线。图5以高度示意的方式显示了连接至适用于不同布线的特殊需要的不同类型的放大器单元501的径向转轴单元401的布线。所有执行器现在都由单条回路导线506连接到有开关503和二极管504的放大器支路。一眼看去，这个设计似乎比图4的设计简单很多，因为只需要5根导线将轴承单元410连接至放大器单元501。然而，可以看出该设计中的导线和开关的总的功率容量相对于图4中的设计也增加了。这可以解释如下：为了使得所有四个执行器能独立工作，应该这样来驱动放大器，即保持点507处(线506连到放大器单元的连接点处)的电势水平平均在最大电压V₀的50％。所以，每个执行器两端的最大平均电势差(电压)仅为图4中最大电压的50％。对于流经独立的执行器中的电流j₁，j₂，j₃和j₄的相同的最大值j_max，每个执行器的平均输出功率与图4相比被减半，达到仅仅1/2Voj_max。但是，每条引至独立的执行器的导线仍然需要额定在最大(峰值)电压Vo和电流j_max，而公共的回路导线传输的总的回路电流j_N＝j₁+j₂+j₃+j₄，其可能会是具有最大(峰值)电压的4j_max。同样的考虑也适用于开关。总共，线缆和开关的功率容量与输出功率之比为4.0。这个值可以通过实施能及时限制每个点上通过执行器的瞬间电流总量的合适控制方案来降低。但是，任何情况下，公共回路都要比其它的连接线路的尺度都更坚固，这就使得布线和放大器两者的设计复杂化了。

总而言之，图5中的设计体现了布线的概念性的简化，虽然以更昂贵的导线为代价。

相反，本发明在不需要导线的增加的功率容量的情况下简化了布线。图6以高度示意的方式说明了根据本发明的第一个实施例的连接到合适的放大器单元601的径向轴承单元410的布线。两个执行器411和412形成第一子组，其中每个执行器都通过一个端口与第一公共节点608连接。同样，其它两个执行器形成第二子组，其中每个执行器都通过一个端口与第二公共节点609连接。公共节点608和609两者是直接连接的，即概念上来说，这两个公共节点可以看成是形成了单个公共的节点610。节点610通过一条公共的回路导线606连接到放大器单元601。但是相对于图5，形成第二子组的两个执行器413和414与形成第一子组的另两个执行器411和412相比连接到了具有相反极性的放大器上。这不影响执行器的功能，因为接到放大器单元的端口和接到公共结点的端口以通过执行器线圈的电流的方向与图5中的相同的方式对于每个执行器可以自由选择。但是，这种布线使得能够以最小化通过公共回路导线606的电流j_N的方式来驱动执行器。在任何情况下，电流j_N都会比流经单元410中所有执行器的电流的绝对值的和要小。所以，公共回路导线606的负载要求就相对于图5中的公共回路导线506的要求要低。事实上，回路电流j_N可被确保不高于经过执行器组中的任何一个执行器的最大电流，而且因此可以设定回路导线的尺度以实现与执行器和放大器单元401之间的任何其它导线一样的要求。回路电流j_N甚至可以保持恒定为零。对于图6中的配置，这可以解释如下：在没有控制电流的情况下，偏置电流j_B流经每个执行器。为了实现控制，(不同的)控制电流Δj_i加到了每个执行器i的偏置电流中，因此：j_i＝j_B+Δj_i(i＝1，...，4)。为了控制x轴方向的位移，将执行器411中的电流j₁增加执行器412中的电流j₂被减少的同样的量就足够了，反过来也是一样：Δj₂＝-Δj₁。所以，电流j₁和j₂的和可以保持在一个预定值，是每个执行器偏置电流jB的两倍：j₁+j₂＝(j_B+Δj₁)+(j_B+Δj₂)＝2j_B。对于流经执行器413和414的电流j₃和j₄也是一样的：j₃+j₄＝(j_B+Δj₃)+(j_B+Δj₄)＝2j_B。因为第二子组中的两个执行器的极性和第一子组中的执行器411和412的极性相反，所以流进节点608的电流的绝对值的和等于流出节点609的电流的绝对值的和，且等于偏置电流j_B的两倍：j₁+j₂＝j₃+j₄＝2j_B。

这个结果可以在没有任何控制特性或自由度的损失的情况下实现。原因在于提供四个电流只控制两个自由度。所以，只需要用于电流值的两个条件就能实现控制。两个以外的条件可以自由选择。第一个条件是提供偏置电流。该偏置电流不需要恒定。它可以动态地适应于系统的实际状态。举例来说，可以以最小电流总是为零(或某一个另外的固定值)的方式来选择偏置电流。作为另一个例子，偏置电流可以以功率损耗被最小化的方式被动态调整。

第二个条件是流进节点608的电流之和等于流出节点609的电流，即没有电流流经公共的回路(j_N＝0)。这个例子中，后一条件可以实现是因为两个执行器的极性与另两个执行器的极性是相反的，其中极性在前面有定义。如果所有的执行器有相同的极性，那么只有所有的电流都为零时在公共节点的总电流才会是零。这正是图5中的情况，其中如果将流经导线506的电流保持为零，则就不能有任何的操作。

因为在图6中轴承单元410可以在公共回路导线606没有电流时被驱动，所以这条导线完全可以不要。这在图7中进行了显示，图7示出了和图6中相同的轴承单元410，但是在公共节点610与放大单元701之间没有任何额外的连接线，即，没有公共回路导线。同样放大器单元701现在也被简化了，因为设置公共节点610的公共电势的控制电路也不再需要了。而且，发明的设计只需要3个电流传感器305，因为在已知三个电流值后，第四个可以被计算出来。

另外，计算图7的配置中的导线所需的功率容量是有指导意义的。可以看出，平均而言，节点608和609的电势为Vo/2。j₁到j₄的任一个电流最大为j_max。每个执行器的最大功率为1/2Voj_max，而每条导线和开关必须额定在Vo和j_max。导线和开关的总的功率容量与执行器的输出功率比为2.0，和图4所示的现有技术的布线方案一样。

因此明显地，根据本发明的磁轴承装置有大量有用的特性，它们独立于图7的具体实施例：

●与现有技术相比，放大器单元与轴承单元间的导线数量减少了，提供了简化的布线。

●与现有技术相比，驱动给定数量的执行器的开关数量减少了，提供了简化的放大器设计。

●与现有技术相比，导线和开关的总的电压和电流的要求没有增加。

总的来说，在没有以更昂贵的导线和/或驱动电路为代价的情况下，实现了简化的布线和简化的放大器设计。

除了对给定数量的执行器减少了导线与放大器开关的数量之外，本发明自然地也能被用于对于给定数量的导线与放大器开关的情况下增加执行器的数量。这样，就能实现控制的冗余性，例如用于校正执行器或放大器部件的故障和校准错误。

除了上面的描述，本发明还能用于其它的执行器装置。图8高度示意地显示了具有6个执行器811，812，813，814，815和816的径向轴承单元810。在根据现有技术的布线方案中，这些执行器会通过如图9所示的公共回路导线例如连接到放大单元901。在这种方案中，再一次，与其它导线相比，公共回路导线必须具有大大增加的电流额定值。相反，图10显示了根据本发明的连接到放大器单元1001的轴承单元810的示意性布线。形成第一子组的三个执行器811，813和815连接到具有第一极性的第一公共节点，而形成第二子组的执行器812，814和816连接到具有和第一极性相反的第二极性的第二公共节点。这些节点又直接相连并且可以被视为是单个公共节点。通过这些执行器的电流满足结点条件j₁+j₃+j₅＝j₂+j₄+j₆。这些条件很容易满足，因为执行器或电流的数量超过了要控制的自由度的数量。

如果第一子组的执行器811，813和815形成具有三个执行器的第一(如上部)径向轴承单元，且第二子组的执行器812，814和816形成第二(如下部)径向轴承单元，那么与图10中所示相同的控制方案也适用。完全控制四个径向自由度(两个平移，两个转动/倾斜)是仍然可以实现的。有六个控制变量(电流)，四个自由度和两个边界条件：给定的偏置电流(或等同地，给定的每个组中三个电流之和)和节点条件j₁+j₂+j₃＝j₄+j₅+j₆。这些条件可同时满足。

作为另一个例子，图11高度示意地显示了线性轴承装置1100的例子。物体1101由上部轴承单元1110和下部轴承单元1120支持以沿着箭头1102所指的z方向作线性运动。上部轴承单元1110包括四个执行器1111，1112，1113和1114，下部轴承单元1120包括另四个执行器1121，1122，1123和1124。简化起见，电磁执行器的绕组没有在图11中示出。五个自由度要被控制：沿和z方向垂直的方向的平移(x和y)和沿三个方向的转动(倾斜运动)。图12，13和14显示了根据本发明的用于这样的线性轴承装置的三种不同的可能布线方案。图12中，形成了两组每组各4个执行器。第一组包含两个子组：第一子组中的执行器1111和1113控制第一轴承单元在±x方向上的位移，它们以正极性连接到放大器单元1201，而第二子组中的执行器1121和1123控制第二轴承单元在±x方向上的位移，它们以负极性连接到放大器单元1201。两个子组在公共的节点相连。子组中的电流满足关系：j₁+j₃＝j₅+j₇，因为有公共的节点。同样，第二组包括以与第一组相同的方式通过公共节点连接的第一子组执行器1112与1114和第二子组执行器1122与1124。第二子组中的电流满足关系：j₂+j₄＝j₆+j₈。这对电流有两个约束(边界条件)。因为有5个要控制的自由度和8个执行器，因此可以恰当地选择一个额外的边界条件，例如用于设置(恒定的或是动态可调的)偏置电流。

在图13中，两个轴承单元中的所有执行器形成一个组。上部轴承单元的执行器1111，1112，1113和1114形成以正极性连接到放大器单元1201的第一子组，而下部轴承单元的执行器1121，1122，1123和1124形成以负极性连接到放大器单元1201的第二子组。这两个子组在公共的节点相连，结果满足条件j₁+j₂+j₃+j₄＝j₅+j₆+j₇+j₈。又两个约束能恰当地选择，例如用于设置(恒定的或是动态可调的)偏置电流。

同样，图14中所有执行器形成一个组。执行器1111，1113，1122和1124形成第一子组(正极性)，执行器1112，1114，1121和1123形成第二子组(负极性)。子组之间的公共节点的存在导致条件：j₁+j₃+j₆+j₈＝j₂+j₄+j₅+j₇。又两个约束可以自由选择。

图15很概括地显示了不需要直接连接的第一和第二公共节点。换句话说，它们不需要形成一个公共节点。在这个例子中，选择了和图7一样的布置。但是，和图7相对照，在第一和第二公共节点之间连接了额外的执行器1501。流经该额外的执行器的电流是流经执行器对411和412或等效地也是流经执行器对413和414电流的和。由此可以通过改变该电流的和即改变偏置电流j_B来控制执行器1501。

在上面的例子中，已经假定每个执行器以固定极性连接到放大器单元，即只有沿特定方向的电流能通过执行器。这一点通过放大器单元具体地是二极管304的恰当的设计得以保证。但是，在每个子组的执行器中，各个执行器中的电流至少在某些时间点上可以沿不同方向流动也落入本发明的范围之内。这在图16中进行了说明。和每个二极管304并联地提供电阻器1601。每个电阻器能够使小的电流沿每个二极管的截止方向流动。

如图17中所示，除了提供二极管，也可以提供额外的有源开关。通过恰当的控制开关，就能在每个执行器中沿任何期望方向实现任何期望的电流，而同时自动满足节点条件。通过合适编程的控制器来实现控制。

在图16和图17所示的实施例中，总可以以满足某些额外边界条件的方式例如以两个公共节点608和609间的电流总是按预定的方向流动的方式来驱动放大器单元。

如果在节点608或609与放大器单元之间有公共回路导线(以及控制该回路导线电流的适当的放大器部件)，则具有合适控制程序的控制器能保证流经公共回路导线的电流不会超过预定的最大值。而且，控制程序也可以保证满足其它的边界条件。

图19中显示了本发明的第二方面的布线方案。提供了两个执行器1911，1912和放大器单元1901。一般来讲，这些执行器将会是此轴承装置中布置在要由磁轴承装置悬置的物体的相对侧的任一对执行器。举例来说，执行器可以是诸如图1的装置的单元130中的执行器131，132这样的轴向轴承单元的执行器对，或是径向轴承单元中任何相对着的执行器对。这两个执行器串联在单极H桥型放大器电路的两个输出之间。这两个执行器间的连接点(公共节点1910)连接到放大器单元中用于将公共节点交替连接至电压V0或地GND的电路。

H桥包括两个分支。第一分支包括在(正)电压V₀和地GND之间串联的第一电流开关1903和第一二极管1904。该二极管被与其导通方向反向地插入。在第二分支中，第二二极管1904’和第二电流开关1903’以同样地方式串联连接，但是顺序相反。二极管和电流开关之间的每个连接点分别连至执行器1911或1912的端口。

为了建立通过执行器1911和1912的预定偏置电流j_B，开关1903和1903’都闭合。执行器起到一个大的电感的作用，即电流会渐渐在执行器中增大。一旦达到了期望的偏置电流j₁＝j₂＝j_B，开关1903或1903’中的一个将打开。电流现在通过执行器、一个分支的闭合开关和另一个分支的二极管在闭合回路中再循环。通过不可避免的损耗(如，执行器的欧姆损耗)和二极管的正向电压，通过执行器的电流会慢慢消失。所以，为了维持偏置电流，需要不时地闭合打开的开关。如果要减少偏置电流，两个开关都打开，电流将逆着电压V₀的作用在执行器和二级管中流动，电压V₀现在起到减小执行器中的电流的作用。但是，电流总是沿着图19中的箭头所示方向流动，并且由于电路设计的结果从不变向(可能除了可以忽略不计的漏电流)。

当然，在不脱离所述方案的一般性精神的情况下可以应用任何已知的控制开关打开闭合顺序的方案。特别地，可以使用标准的PWM方案来控制偏置电流(见，例如Zhang，J.；Schulze，J.O.；Barletta，N：Synchronous Three-Level PWM Power Amplifier for Active MagneticBearings.Proceedings of the 5th International Symposium on MagneticBearings，Kanazawa 1996，pp.277-282)。

在另一种实施例中，二极管可用有源开关替代。当然，为了避免电压V₀和地GND之间不期望的短路以及用如上面所描述的相同精神来控制偏置电流，所有开关的有源控制是必要的，而且提供控制单元来实现这种有源控制。控制可以用硬件或软件来实现。

为了控制由磁轴承装置磁性悬置的物体的位置，可以使通过执行器1911的电流j₁不同于通过执行器1912的电流j₂。为此，通过连接线1906将控制电流(节点电流)j_N提供给公共节点1910。为了增加控制电流，开关1923被关闭，而为了减小控制电流，开关1924被关闭。当然，为了避免电源电压V₀和地GND之间的短路，不要同时关闭两个开关。另外，将提供合适的控制单元来确保此点。控制可以用硬件或软件来实现。当然，在改变控制电流时也可以改变偏置电流。

这种磁轴承装置的一个显著特点是快速控制的能力。尽管偏置电流的变化相对较慢，但是由于改变偏置电流时最大电压V₀作用于两个执行器的电感之和上，控制电流的变化可以更快地实现，因为要改变控制电流时最大电压V₀只作用于一个电感上。

相比于把每个执行器连接到独立的单极H桥电路上的传统布线方案，这种磁轴承装置的其它的优点为：

●完整的电路只需要2个而不是4个二极管；

●执行器与放大器单元间只需要3个而不是4个连接线；

●每个执行器在负电压-V₀到正电压+V₀的全程范围内被驱动；

●最大输出功率与所需有源开关的数量和额定功率之比是有利的；

●最大输出功率与连接线缆的额定电流之比是有利的。

虽然这种布线方案需要到公共节点的连线，但是它是某些应用中最有利的配置方式。

如结合图3的电路所描述的，多种不同的有源电流源开关装置如晶体管(如MOSFET，IGBT等)、晶闸管等等都能用。

上述的电路可以用于驱动任何一对期望的执行器来控制悬置在磁轴承装置中的物体的一个自由度。特别地，在用于悬置转子的磁轴承装置中，这样的电路可以用于轴向轴承(+z，-z执行器)或任何径向轴承(如，上部或下部+x，-x执行器或是上部或下部+y，-y执行器)。如果该电路被用于这样的装置中的所有的轴承，那么需要5个电路来实现5个自由度的完全主动控制，总共包括20个有源开关，10个二极管和放大器单元与轴承之间的15条连接线。相比于传统的布线方案，这形成了很大的节省。

从上述例子来看，很明显本发明有许多对一组执行器进行布线的可能性。下面，这些布线方案将会用通用的数学架构来描述。这个架构将适用于执行器以固定极性连接在放大器单元上的所有情况。

假定一组n个执行器用于控制m维自由度。平移的自由度由力来控制，转动的自由度由执行器产生的转矩来控制。假定n＞m。更进一步假定，不失一般性，在电流和力和/或执行器产生的转矩之间存在线性关系：

$\stackrel{-}{F}=\underset{=}{D}\·\stackrel{-}{J},$

其中

$\stackrel{-}{F}={(f_1,...,f_m)}^T$

是表示m个力和/或是转矩值的m维列向量，每个力和/或转矩控制一个预定的自由度。

$\stackrel{-}{J}={(j_1,...,j_n)}^T$

是n个执行器的n个电流值的n维列向量，

是(m×n)的矩阵，有m行和n列，其中的组元取决于执行器几何分布和物理特性。这个矩阵称作“几何矩阵”。符号T表示矩阵的转置。如果线性关系不象假设的那样存在的话，那么实际的(非线性)关系总可以例如利用泰勒展开在预定的工作点附近作线性近似。电流值应当被理解为(小的)电流变化的值。

为了使所有的力和/或转矩能独立控制，矩阵 的秩必须等于m(即，矩阵 的所有m行都要是线性不相关的)。

工作点经常由偏置电流定义。偏置电流定义为从通过执行器的电流中得到的并且保持在确定的值的某电流值。期望不同的执行器组有不同的偏置电流，而且偏置电流可以随时间变化。每个偏置电流要求给一组电流值加上约束(边界条件)。对于k个偏置电流要求(k≤n-m)，这些边界条件可用等式表示：

${\stackrel{-}{I}}_{\mathrm{bias}}=\underset{=b}{D}\·\stackrel{-}{J.}$

这里 是一k维的列向量，且

是一个(k×n)的矩阵，有m行和n列，描述了偏置电流和各个电流值之间的关系。这个矩阵称作“偏置矩阵”。举例来说，如果偏置电流是流经所有执行器的所有电流之和，那么 $\underset{=b}{D}=(1,...,1)$ ，即，一个n维的全1的行向量。

当采用线性近似并且电流实际上应当被理解为(小的)电流变化时，

应该相应地被理解为偏置电流变化的向量。如果偏置电流在时间上是常量，则向量 就只包含零，表示流经预定的执行器组的电流变化之和是零。

力的等式和偏置电流要求可以写成一个等式：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{-}{F}\\ {\stackrel{-}{I}}_{\mathrm{bias}}\end{array}\right)=\underset{=x}{D}\·\stackrel{-}{J}.$

这里，

$\underset{=x}{D}={({\underset{=}{D}}^T,{\underset{=b}{D}}^T)}^T$

是一个m+k行n列的矩阵。

的秩必须等于m+k，否则就不能用预定的偏置电流运行系统。

作为例子，图4到7中的有着n＝4个执行器和m＝2个自由度(x和y的位移)的径向单元410可以考虑。等式如下：

$\stackrel{-}{F}=\left(\begin{array}{c}{f}_x\\ f_y\end{array}\right),$

$\stackrel{-}{J}={\left(\begin{array}{cccc}{j}_{+x}& j_{+y}& j_{-x}& j_{-y}\end{array}\right)}^T,$

$\underset{=}{D}\left(\begin{array}{cccc}1& 0& -1& 0\\ 0& 1& 0& -1\end{array}\right),$

$\underset{=b}{D}=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\end{array}\right).$

的定义表示+x方向的力和+x执行器中的电流成正比，也和-x执行器中的电流的负数成正比。相应的，对于+y方向上的力也是这样。

的定义表示这样给出的所有电流的和限定了一个偏置电流要求。很容易就能验证，由 和 形成的

的秩为3，就像用一个给定的偏置电流来独立控制两个自由度所要求的。

在这个例子中，

不是二次矩阵(n＞m+k)。这样，可以增加更多的条件来定义 和

的独特的关系，即，使得 为二次可逆矩阵。然后对于任何期望的力和/或转矩集，把矩阵 逆变换来产生一独特的电流集。在传统方法中(图4，5)，为此目的，可通过定义更多的偏置电流要求来添加边界条件。对于上述的例子，偏置电流要求例如如下表示：

$\underset{=b}{D}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1\end{array}\right),$

${\stackrel{-}{I}}_{\mathrm{bias}}=\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{bias},x}\\ I_{\mathrm{bias},y}\end{array}\right).$

表示通过-x和+x执行器的电流之和与通过-y和+y执行器的电流之和是无关的。所以

$\underset{=x}{D}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& -1& 0\\ 0& 1& 0& -1\\ 1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1\end{array}\right).$

很容易验证这个矩阵的秩为4并且是可逆的。

在本发明的方法中，各执行器组都连在公共节点上。如果公共节点与放大器单元间有连接线，则每组执行器与相关联的公共节点间的有符号的电流值之和给出流经这个连接线的电流。否则，这个和为零。这就增加了另一个边界条件。对于流经公共节点的电流的要求可表示为如下等式：

${\stackrel{-}{I}}_N=\underset{=N}{D}\·\stackrel{-}{J}.$

这里， 是一个列向量，含有p个通过相应的连接线从每个公共节点流到放大器单元的电流值，而且p是有着公共节点的组的数量。如果没有连接线，那这个列向量就只包含零。 是p行(代表公共节点)n列(代表执行器)的矩阵，元素只能是0，+1或是-1，用以表示执行器与公共节点的连接方式。这个矩阵称作“结点矩阵”。给定行和列中的矩阵元素+1对应于给定列的执行器以正极性连接在给定行的公共节点，值-1对应于给定列的执行器以负极性连接在给定行的公共节点，值0则表示执行器没有连在公共节点上。为了每个都有着一个公共节点的p个单独的执行器组具有电气可能的布线方案，矩阵

的每一列能最多包含一个等于1的元素和最多一个等于-1的元素。如果同一列中即有元素1又有元素-1，则表明一个执行器连在了两个公共结点之间，而不是直接连接到放大器单元。在本文件的上下文中，这样的执行器被理解为不属于任何组。

图18显示了这种情况的一个例子。第一组1810包括执行器1811，1812，1813和1814。这些可以是如图1中上部轴承单元110的+x，+y，-x和-y的执行器。执行器1811和1813形成以正极性连接的第一子组，执行器1812和1814形成以负极性连接的第二子组，且两个子组都连结到了相同的公共节点。这组执行器的公共节点对应于 的第一行，第一子组的每个执行器贡献值为+1的元素，第二子组的每个执行器贡献值为-1的元素。同样，第二组1820在两个具有相反极性的子组中包括执行器1821，1822，1823和1824，这些可以是下部轴承单元的+x，+y，-x和-y执行器。这组的公共节点对应于

的第二行。连在这两组的公共节点间的是一个额外的执行器1830。这可以是例如产生z方向上的力的执行器。这个执行器在第一行产生元素+1并在第二行产生元素-1。总体上，节点矩阵是一个两行九列的矩阵。

当采用线性近似并且电流实际上被理解为(小的)电流变化时， 应该相应地被理解为从公共节点流向放大器单元的电流的变化的向量。

该等式可以包括到力-电流关系和偏置电流要求的等式中：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{-}{F}\\ {\stackrel{-}{I}}_{\mathrm{bias}}\\ {\stackrel{-}{I}}_N\end{array}\right)=\underset{=t}{D}\·\stackrel{-}{J,}$

这里

$\underset{=t}{D}=\left(\begin{array}{c}\underset{=}{D}\\ \underset{=}{D_b}\\ \underset{=}{D_N}\end{array}\right)$

是一个(m+k+p)行n列的矩阵。该矩阵称为“系统矩阵”。

为了使 可逆，矩阵必须为二次型的，即，要控制的自由度的和，偏置电流要求数量的和，还有节点数量的和要等于执行器的数量。而且，矩阵的秩必须等于n，即，所有行和列都要线性不相关。矩阵逆变换得到一个逆系统矩阵

，而且可以为每个想要的力和/或转矩的任意集计算出一个特有的电流值集。

$\stackrel{-}{J}={\underset{=t}{D}}^{-1}\left(\begin{array}{c}\stackrel{-}{F}\\ {\stackrel{-}{I}}_{\mathrm{bias}}\\ {\stackrel{-}{I}}_N\end{array}\right).$

在图6中的例子中，这些数量为n＝4，m＝2，k＝1和p＝1。等式为：

$\stackrel{-}{F}=\left(\begin{array}{c}{f}_x\\ f_y\end{array}\right),$

${\stackrel{-}{I}}_{\mathrm{bias}}=j_B=I_{\mathrm{bias},x}+I_{\mathrm{bias},y},$

${\stackrel{-}{I}}_N=j_N=I_{\mathrm{bias},x}-I_{\mathrm{bias},y},$

$\stackrel{-}{J}={\left(\begin{array}{cccc}{j}_{+x}& j_{+y}& j_{-x}& j_{-y}\end{array}\right)}^T,$

$\underset{=}{D}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& -1& 0\\ 0& 1& 0& -1\end{array}\right),$

$\underset{=b}{D}=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\end{array}\right),\mathrm{and}$

$\underset{=N}{D}=\left(\begin{array}{cccc}1& -1& 1& -1\end{array}\right).$

电流j_N是通过公共回路606从公共节点610流向放大器单元的电流，该电流可以具有任意的定值。如果j_N＝0，公共回路可以不要，象图7中所示。所以，图7可用上述等式在j_N＝0的情况下来正确表示。矩阵(事实上，行向量)

表示径向轴承单元的所有4个执行器形成了连接在单个公共节点的单个组。+x和-x执行器以正极性连接，+y和-y执行器以负极性连接。这样，可对矩阵

逆变换以对于任意要求的力计算执行器的电流值。

如果偏置条件不要，存在通过公共节点连接执行器的更多自由度。具体地，一种选择可以是：

$\underset{=N}{D}=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\end{array}\right),$

其对应于图5中现有技术的方案并且还能留出用于一个额外的边界条件的自由。另一种选择为：

$\underset{=N}{D}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& -1& 0\\ 0& 1& 0& -1\end{array}\right),$

其对应于现有技术的方案，其中+x和-x执行器还有+y和-y执行器都是成对地以相反的极性串联连接，不需要提供偏置电流。这表明对于很多不同的执行器拓扑结构这种数学处理相当地普遍适用。

在给定执行器数(n)和自由度(m)的情况下，通过较少的计算可以评估所有可能的矩阵 ，因为 只包括数字0，1和-1，而且任何列只包含一个数字1和/或-1。这就使得可能的矩阵数量是很有限的。

作为一个例子，对于图11到图14中在n＝8和m＝5的情况下的线性轴承系统进行了系统研究，附加条件为：应当满足至少一个偏置电流要求(k≥1)。研究得到的三个合理的技术上明智的连接方案为图12至14的方案，对应于：

$\underset{=N}{D}=\left(\begin{array}{cccccccc}0& 1& 0& 1& 0& -1& 0& -1\\ 1& 0& 1& 0& -1& 0& -1& 0\end{array}\right)$

对于图12，

$\underset{=N}{D}=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 1& 1& 1& -1& -1& -1& -1\end{array}\right)$

对于图13，

$\underset{=N}{D}=\left(\begin{array}{cccccccc}1& -1& 1& -1& -1& 1& -1& 1\end{array}\right)$

对于图14。

在后面两种方式中，p＝1，而且一个额外的边界条件仍然可以自由选择。

作为另一个例子，得到了用于图19的实施例的对应的等式。图中一对磁体串联连接并且具有被提供了控制电流的公共节点。第一个磁体的力的方向和第二个磁体的力的方向相反：

$\underset{=}{D}=\left(\begin{array}{cc}1& -1\end{array}\right)$

偏置条件可以被添加为：

$\underset{=b}{D}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\end{array}\right).$

现在 $\underset{=x}{D}={({\underset{=}{D}}^T,{\underset{=b}{D}}^T)}^T$ 是二次型的。不需要附加的边界条件 ，根据所期望的力就能计算出公共节点上的电流j_N。所以公共节点需要到控制着j_N的放大器上的连接线，如图19所示。

上面的通用数学模型假定了电流

和所需的力/转矩

之间的关系是线性的，或至少是这种线性关系的线性近似。如前所述，这样的线性近似总可以在预定工作点周围的小区域中通过把真的电流-力关系替换为线性近似来实现，如著名的泰勒展开。电流值应当理解为(小的)电流变化值。在更为通用的方法中，电流值可以理解为广义的力值。每个广义的力值代表要由单个执行器产生的所需的力。如果执行器的物理特性已知，则广义的力值可以转换成产生这个力所需要的执行器中真的电流。为此，可以使用额外的系统状态信息(如，转子的位置)。从广义的力值计算出电流是可实现的，例如，可以通过反映每个执行器物理特性的用于每个执行器的查找表来实现。这可以对每个执行器独立地进行。广义的力值与电流的关系不必要是线性的。在控制期间，将计算满足上面的数学模型的(线性)等式的广义的力值。特别地，如矩阵

和向量 所描述的流经公共节点的电流的条件现在成为广义的力值的条件。广义的力值通过通常的非线性关系将被转换成执行器中的驱动电流。为了保证计算出的电流仍能满足公共节点的条件，转换矩阵 可以用于代替原矩阵 ，它把公共节点的电流条件表示为广义的力值必须要满足的条件。如果电流-力关系在工作点附近是线性近似的，则矩阵

很容易计算出来。如果有必要，

可以在每个采样时间对执行器的实际工作点进行重新计算。在实际应用中，这种方法的简化通常能得到满意的结果。如果

保持不变，或使用原矩阵

，计算出的电流可能不再满足公共节点的条件。但是，根据基尔霍夫第一定律，这些条件被事先满足。这要求放大器以再次满足结点条件(基尔霍夫第一定律)的方式产生不同于计算出来的电流的真实电流。

另外，非线性性也能通过在用逆系统矩阵 作转换之前加一个额外的装置来补偿。如果执行器的物理特性已知，基于原来想要的力/转矩值

能为转换计算出改良的力/转矩值，以得到对非线性性补偿的执行器中的电流。

这种计算可以这样实现，如采用反映每个执行器物理特性的查找表和使用系统状态信息(如，偏置电流，转子位置，传感器信息)来补偿执行器的非线性性。

另一个在计算适当电流时的自由是动态改变偏置电流来优化系统工作性能，如传导损耗或线性性。

结合本发明使用的任何控制方法都能用软件或硬件来实现。特别地，如果采用数字信号处理器(DSP)用于实现控制所需的任何运算将会是很有利的。这样的DSP可以理解为放大器单元的一部分。被适当编程的DSP可以理解为控制执行器电流的装置。运算包括对经过模数转换器(ADC)适当数字化后的任何传感器信号的评价，对在一个控制步骤中这些传感器信号所需的力/转矩(或一般来讲，控制信号)的计算，对适当的广义的力值的计算和将广义的力值到提供给功率放大器和执行器的电流的转换，如通过数模转换器(DAC)或脉宽调制器(PWM)。更通俗来讲，运算包括在由传感器信号(从位移传感器或等效的传感器信息)产生广义的力值过程中的任何计算步骤。

特别地，控制步骤可以有利地包括根据比例(P)、比例积分(PI)、比例积分微分(PID)、比例微分(PD)控制方案或更多本领域中为人熟知的先进的控制方法象非线性控制，自适应控制或H∞控制方法来从传感器信号中产生控制信号。而且，控制步骤可以包括转换，频率过滤或任何其它有利的实现稳定控制的措施。

尽管本发明参照优选实施例进行了说明，但是很明显本发明绝不仅仅限于这些优选实施例，而且在不脱离本发明的范围的情况下许多变形都是可能的。

作为许多例子中的一个，本发明也可以应用于所谓的支持转子的圆锥形轴承，其中至少一个执行器既在轴向(z)上又在径向上施加了力。

Claims (14)

1.一种用于磁性支持物体(101；1101)的磁轴承装置(100；1100)，包括放大器单元(601；701；1001；1201；1601；1701；1801)和至少一组(410；810；1110)控制所述物体(101；1101)的大量自由度的电磁执行器，所述组(410；810；1110)中的执行器的数量至少为三个，所述组的执行器中的每个执行器都有向所述执行器提供电流的第一和第二端口，所述组的执行器中的每个执行器的所述第一端口连接于所述放大器单元，其特征在于：

所述组的执行器被分为第一子组和第二子组执行器，其中所述第一子组中的每个执行器的所述第二端口连接于第一公共节点(608)且所述第二子组中的每个执行器的所述第二端口连接于第二公共节点(609)，

所述第一公共节点(608)和所述第二公共节点(609)通过节点连接装置电连接，

在任何所述公共节点与所述放大器单元之间没有额外的电连接线，或者如果在所述第一和/或所述第二公共节点与所述放大器单元(601；701；1001；1201；1601；1701)之间有一个或多个额外的电连接线(606)，则所述放大器单元(601；701；1001；1201；1601；1701)包括以如下方式控制通过所述执行器的所述电流的装置：使得通过所述额外的电连接线(606)的所有电流的绝对值之和总是低于通过所述组的执行器中的所有执行器的所有电流的绝对值之和。

2.根据权利要求1的磁轴承装置，其特征在于所述第一和第二公共节点被直接相互连接，或者所述节点连接装置包括线圈或另外的电磁执行器。

3.根据权利要求1或2的磁轴承装置，其特征在于所述放大器单元(601；701；1001；1201；1601；1701)包括以如下方式控制通过所述执行器的所述电流的装置：使得任何流过所述节点连接装置的电流只沿预定方向流动。

4.根据权利要求1至3中的一项的磁轴承装置，其特征在于所述组的执行器中的每个执行器都是磁阻型执行器(201，202，203)。

5.根据权利要求1至4中的一项的磁轴承装置，其特征在于所述第一子组中的每个执行器的所述第一端口以第一极性连接于所述放大器单元，以及所述第二子组中的每个执行器的所述第一端口以与所述第一极性相反的第二极性连接于所述放大器单元。

6.根据权利要求1至5中的一项的磁轴承装置，其特征在于所述放大器单元(601；701；1001；1201)包括有源开关装置(303)，其能够可操作地将所述第一子组中的每个所述执行器的每个第一端口选择性地连接至第一电势水平(V₀)以及将所述第二子组中的每个所述执行器的每个第一端口选择性地连接至比所述第一电势水平(V₀)低的第二电势水平(GND)。

7.根据权利要求6的磁轴承装置，其特征在于所述放大器单元(601；701；1001；1201)包括使得单向电流从所述第二电势水平(GND)流到所述第一子组中的每个所述执行器的每个第一端口的多个第一二极管和使得电流从所述第二子组中的每个执行器的每个第一端口流到所述第一电势水平(V₀)的多个第二二极管。

8.根据权利要求1至7中的一项的磁轴承装置，其特征在于所述组(410)的执行器包括在第一方向(+x)上产生力的第一执行器(411)，在与所述第一方向相反的第二方向(-x)上产生力的第二执行器(412)，在不同于所述第一和第二方向的第三方向(+y)上产生力的第三执行器(413)和在与所述第三方向相反的第四方向(-y)上产生力的第四执行器(414)，所述第一子组包括所述第一和所述第二执行器(411，412)，所述第二子组包括所述第三和所述第四执行器(413，414)。

9.一种用于磁性支持物体(101；1101)的磁轴承装置(100；1100)的操作方法，所述的磁轴承装置包括放大器单元(601；701；1001；1201；1601；1701)和至少一组(410；810；1110)控制所述物体(101；1101)的大量自由度的电磁执行器，所述组(410；810；1110)中的执行器的数量至少为三个，所述组的执行器中的每个执行器都有给所述执行器提供电流的第一和第二端口，所述组的执行器中的每个执行器的所述第一端口连接于所述放大器单元，所述组的执行器被分为第一子组和第二子组的执行器，所述第一子组中的每个执行器的所述第二端口连接于第一公共节点且所述第二子组中的每个执行器的所述第二端口连接于第二公共节点，所述第一公共节点和所述第二公共节点通过节点连接装置电连接，其特征在于：

以如下方式将电流提供给所述执行器：使得通过所述额外的电连接线(606)的所有电流的绝对值之和为零或总是低于通过所述组的执行器中的所有执行器的所有电流的绝对值之和。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于以如下方式将所述电流提供给所述执行器：使得通过所述第一子组的执行器从所述放大器单元(601；701；1001；1201；1601；1701；1801)到所述第一公共节点(608)的电流之和不改变符号。

11.根据权利要求9或10的方法，其中所述磁轴承装置包括p组执行器，其中p≥1，一共n个执行器控制着m个自由度，每组执行器中的执行器被连在公共节点上，其特征在于所述方法包括如下步骤：

提供多个传感器信号；

基于所述传感器信号得到含m个控制信号的集；以及

由所述控制信号得到用于驱动所述执行器的含n个广义的力值的集，

其特征在于所述得到含n个广义的力值的集的步骤包括：

确定其矩阵元素是描述所述执行器的几何布置和物理特性的几何矩阵

确定其矩阵元素是描述所述执行器和每个所述公共节点的连接线的节点矩阵

确定其矩阵元素是描述附加边界条件的偏置矩阵

由所述几何矩阵

节点矩阵 和偏置矩阵

形成一个二次型可逆系统矩阵

对所述系统矩阵 作逆变换以得到逆系统矩阵

将所述逆系统矩阵 和包含所述m个控制信号的值、描述所述一个或多个公共节点流出电流的p个额外数字以及属于所述附加边界条件的(n-m-p)个额外数字的列向量相乘，以得到包含所述广义的力值的n行列向量。

12.一种用于磁性支持物体(101；1101)的磁轴承装置(100；1100)，包括放大器单元(1901)和一对电磁执行器(1911，1912)，每个所述执行器都有为所述执行器提供电流的第一和第二端口，其特征在于所述第一执行器的所述第二端口和所述第二执行器的所述第一端口连接于公共节点(1910)，所述第一执行器(1911)的所述第一端口、所述第二执行器(1912)的所述第二端口和所述公共节点(1910)的每一个连接于所述放大器单元(1901)，所述放大器单元可用于沿第一预定方向给所述第一执行器(1911)的所述第一端口提供电流，沿和所述第一预定方向相反的第二预定方向给所述第二执行器(1912)的所述第二端口提供电流，和沿所述方向的任意方向给所述公共节点(1910)提供电流。

13.根据权利要求12的磁轴承装置，其特征在于所述放大器单元包括在第一和第二电势水平之间提供的H桥电路，所述第一执行器的所述第一端口连接于所述H桥电路的第一分支，所述第二执行器的所述第二端口连接到所述H桥电路的第二分支，所述公共节点连接于可以交替地把所述公共节点连接到所述第一或所述第二电势水平的开关装置。

14.操作根据权利要求12或13的磁轴承装置的方法，包括以下步骤：

提供从所述第一执行器的所述第一端口流到所述第二执行器的所述第二端口的预定偏置电流；

确定所述物体的一部分离开期望位置的位移；

改变所述放大器单元和所述公共节点间流动的电流以产生作用以恢复所述期望的位置的力。

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