一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，包括：2N个绕组桥臂和一个共用桥臂，绕组桥臂包括绕组上桥臂和绕组下桥臂，绕组下桥臂上设有可控开关，共用桥臂包括共用上桥臂和共用下桥臂，共用上桥臂上设有可控开关，通过同时控制每个绕组桥臂上可控开关导通时间以及共用桥臂上可控开关管导通时间，实现对每个绕组进行充放电时间以及续流时间，实现对电流控制，从而实现对多轴磁悬浮轴承中电磁力控制，符合实际应用要求。相对于传统的轴悬浮轴承控制器，本发明专利技术能大量的减少开关器件使用数目，有效的缩减控制系统体积，并能降低设计成本，具有很好的实际应用价值。

Power electronic controller for multi axle magnetic suspension bearing

The invention discloses a power electronic controller, multi axis magnetic bearing comprises 2N winding bridge arm and a common bridge arm, winding bridge arm includes winding arm and winding winding bridge, under the bridge arm is provided with a controllable switch, the common bridge arm includes sharing and sharing under the bridge arm bridge arm, common bridge arm is provided with a controllable switch, can control each winding bridge arm controlled switch conduction time and the common bridge arm controlled turn-on time, realize the charge and discharge time of each winding and the freewheeling time, the current control system, to realize the control of electromagnetic force in multi axis the magnetic bearing, meet the requirements of practical application. Compared with the traditional axial suspension bearing controller, the invention can greatly reduce the number of switching devices, effectively reduce the volume of the control system, and reduce the design cost, and has very good practical application value.

【技术实现步骤摘要】
一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器
本专利技术属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，是一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器。技术背景电磁轴承是指利用电磁力将转子无接触地悬浮起来的支撑器件，其具有无摩擦、无污染、寿命长等优点，已广泛引起学术界和工业界重视。当前电磁轴承可分为三类：(1)有源磁轴承：通过控制电磁力实现转子可控悬浮；(2)无源磁轴承：利用永磁体或超导体实现转子的部分或全部支撑；(3)混合磁轴承：既含有电磁铁，又有永磁体和超导体。针对于高速、真空、超净等特殊环境，磁悬浮轴承具有十分好的应用前景。国外自上世纪70年代，已进入实际的应用阶段，相关产品备受关注；国内近三十年来才逐渐开展磁悬浮轴承的相关研究，研究成果多处于实验室阶段，在大规模实用化上还有一段距离。磁悬浮轴承市场潜力巨大，开展其研究及工业应用具有战略意义。电磁轴承是机电一体化控制系统，其电磁设计决定了承载能力，控制系统设计则关系着其静动态性能。针对于多自由度耦合、非线性磁悬浮轴承系统，当前控制方式的实现主要为模拟控制和数字控制两大类。数字控制相对于模拟控制，实现简单，控制灵活，可靠性高。功率放大器是磁悬浮轴承的关键组成部分，其将控制信号转换为磁悬浮轴承的控制电流，从而控制磁拉力。已有相关学者开展控制器拓扑研究，主要目标是：提高磁悬浮轴承控制系统的高效性，节约成本。
技术实现思路
针对于绕组电流呈现单向性的多轴磁悬浮轴承，例如主动式磁轴承等，本专利技术提供了一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，其目的在于减少电力电子开关器件的使用数目，减少控制信号驱动通道数，从而降低控制器体积、节约成本。为实现上述目的，本专利技术提出了一种多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，针对绕组电流呈单向性的多轴磁悬浮轴承，包括：2N个绕组桥臂及一个共用桥臂；其中，N为多轴磁悬浮轴承自由度数；绕组桥臂包括绕组上桥臂，其第一端与电源正极连接，其第二端与绕组的第一端连接，绕组上桥臂从第二端向第一端单向导通；以及绕组下桥臂，设有第一可控开关，其第一端与绕组的第一端连接，其第二端与电源负极连接；共用桥臂包括共用上桥臂，设有第二可控开关，其第一端与电源正极连接，其第二端与所有绕组的第二端连接；以及共用下桥臂，其第一端与所有绕组的第二端连接，其第二端与电源负极连接，绕组上桥臂从第二端向第一端单向导通；可控开关可控制其导通时间；通过同时控制第一可控开关和第二可控开关控制每个绕组通过每个绕组桥臂和共用桥臂的充放电时间，通过同时控制第一可控开关和第二可控开关控制每个绕组通过每个绕组桥臂和共用桥臂的续流时间。共用桥臂构成每个绕组的充放电回路以及续流回路，能够有效的减少本专利技术提供的电力电子控制器中开关器件的使用，同时通过控制共用桥臂的第二可控开关的导通时间以及绕组桥臂的第一可控开关的导通时间实现对每个绕组电流的控制，使得本专利技术提供的用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器能够在减少开关元器件同时实现对绕组电流的控制。进一步地，绕组下桥臂上第一可控开关和共用上桥臂上第二可控开关均为IGBT，绕组上桥臂和共用下桥臂均为二极管；IGBT的集电极为绕组下桥臂的第一端，IGBT的发射极极为绕组下桥臂的第二端，IGBT的集电极为共用上桥臂的第一端，IGBT的发射极为共用上桥臂的第二端，通过改变IGBT门极控制信号控制开关管导通时间，二极管的负极为绕组上桥臂的第一端，二极管的正极为绕组上桥臂的第二端，二极管的负极为共用下桥臂的第一端，二极管的正极为共用下桥臂的第二端。进一步地，第二可控开关的门极控制信号为占空比固定的脉冲调制信号，第一可控开关的门极控制信号为占空比可调的脉冲调制信号。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)由共用桥臂构成每个绕组的充放电回路以及续流回路，能够在确保同样电流控制需求的前提下，明显的减少了二极管和开关管的使用数目。(2)开关管数目的减少，则控制信号通道数也相应减少，一定程度上减轻了控制器负担，减弱了控制复杂度。(3)减轻了磁悬浮轴承控制器体积重量，提高了其功率密度。(4)直接的减少了控制器设计成本。附图说明图1是本专利技术提供的五轴磁悬浮轴承的结构图；图2是本专利技术提供的单个径向轴承结构；图3为本专利技术提供的五轴磁悬浮轴承控制器拓扑图；图4为本专利技术提供的单轴磁悬浮轴承控制器拓扑图；图5为本专利技术提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中四种可控开关组合状态下单个绕组的励磁电流控制电路；(a)为第一可控开关与第二可控开关均导通时绕组电流控制电路，(b)为第一可控开关截止、第二可控开关均导通时绕组电流控制电路，(c)第一可控开关导通、第二可控开关均截止时绕组电流控制电路，(d)第一可控开关截止、第二可控开关均截止时绕组电流控制电路；图6为本专利技术提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中绕组L1的电流单周期控制图图7为本专利技术提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中绕组L2的电流单周期控制图；图8为本专利技术提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中绕组L1电流上升的控制图；图9为本专利技术提供的用于磁悬浮轴承的电力电子控制器中绕组L2电流下降的控制图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。图1是五轴磁悬浮轴承的结构图，五轴磁悬浮轴承共需设计两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承，即有五个自由度的电磁力需要控制，并且各个自由度之间互相耦合，用该五轴磁悬浮轴承控制一根转子彻底悬浮，至少需要四个径向电磁力和一个轴向电磁力。图2为单个径向轴承结构图，该径向轴承结构图有x方向径向电磁力Fx和y方向的径向电磁力Fy需要控制。x方向的电磁力Fx通过绕组2中电磁力和绕组4中电磁力共同确定，y方向的电磁力Fy通过绕组1中电磁力和绕组3中电磁力共同确定。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为绕组励磁电流系数，Ks为转子相对位置系数，Ki和Ks均与径向轴承结构有关。控制方法上普遍采用双环控制，外环为位置环，通过位置传感器的反馈转子相对位置信号与控制目标位置进行对比，给出内环绕组励磁电流指令信号，最终通过电流环的迅速跟踪，实现各个自由度电磁力之间的有效控制。本专利技术提供的用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，包括2N个绕组桥臂及一个共用桥臂；其中N为多轴磁悬浮轴承的自由度数，通过控制2个绕组的励磁电流来实现对1个自由度上电磁力的控制。绕组桥臂包括绕组上桥臂和绕组下桥臂，绕组上桥臂第一端与电源正极连接，绕组上桥臂第二端与绕组的第一端连接，绕组上桥臂从第二端向第一端单向导通。绕组下桥臂上设有第一可控开关，可控开关可控制其导通时间，其第一端与绕组的第一端连接，其第二端与电源负极连接。共用桥臂包括共用上桥臂和共用下桥臂，共用上桥臂上设有第二可控开关，其第一端与电源正极连接，其第二端与2N个绕组的第二端连接。共用下桥臂的第一端与2N个绕组的第二端连接，其第二端与电源负极连接,共用下桥臂从第二端向第一端单向导通。每个绕组下桥臂和共用上桥臂组成该绕组的充电回路，通过控制第一可控开关和第二可控开关实现对绕组充电时间的控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，针对绕组电流呈单向性的多轴磁悬浮轴承，其特征在于，包括：2N个绕组桥臂及一个共用桥臂；其中，N为多轴磁悬浮轴承自由度数；所述绕组桥臂包括绕组上桥臂，其第一端与电源正极连接，其第二端与绕组的第一端连接，所述绕组上桥臂从第二端向第一端单向导通；以及绕组下桥臂，设有第一可控开关，其第一端与所述绕组的第一端连接，其第二端与电源负极连接；所述共用桥臂包括共用上桥臂，设有第二可控开关，其第一端与所述电源正极连接，其第二端与2N个绕组的第二端连接；以及共用下桥臂，其第一端与2N个绕组的第二端连接，其第二端与所述电源负极连接，绕组上桥臂从第二端向第一端单向导通；可控开关可控制其导通时间；通过同时控制第一可控开关和第二可控开关控制每个绕组通过每个绕组桥臂和共用桥臂的充放电时间，通过同时控制第一可控开关和第二可控开关控制每个绕组通过每个绕组桥臂和共用桥臂的续流时间。

【技术特征摘要】
1.一种用于多轴磁悬浮轴承的电力电子控制器，针对绕组电流呈单向性的多轴磁悬浮轴承，其特征在于，包括：2N个绕组桥臂及一个共用桥臂；其中，N为多轴磁悬浮轴承自由度数；所述绕组桥臂包括绕组上桥臂，其第一端与电源正极连接，其第二端与绕组的第一端连接，所述绕组上桥臂从第二端向第一端单向导通；以及绕组下桥臂，设有第一可控开关，其第一端与所述绕组的第一端连接，其第二端与电源负极连接；所述共用桥臂包括共用上桥臂，设有第二可控开关，其第一端与所述电源正极连接，其第二端与2N个绕组的第二端连接；以及共用下桥臂，其第一端与2N个绕组的第二端连接，其第二端与所述电源负极连接，绕组上桥臂从第二端向第一端单向导通；可控开关可控制其导通时间；通过同时控制第一可控开关和第二可控开关控制每个绕组通过每个绕组桥臂和共用桥臂的充放电时间，通过同时控制第一可控开...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋栋，李桥，付赞松，李田，曲荣海，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42