[发明专利]一种五轴磁悬浮轴承的控制装置及控制方法

说明书

本发明公开了一种五轴磁悬浮轴承的控制装置及控制方法，属于磁悬浮轴承控制领域，包括：五轴磁悬浮轴承中的10个绕组，9个桥臂和1个直流电压源；各桥臂的上、下端分别与直流电压源的正、负极相连；每两对径向控制绕组被划分为一组，每一组内的4个绕组的一端连接到一起，另一端分别连接至一个桥臂的中点；任意两对径向控制绕组的电流之和相等，两组绕组与8个桥臂相连，或者，两组绕组与7个桥臂相连，其中一个桥臂为两组绕组所共用；每个轴向控制绕组的两端分别连接至一个桥臂的中点；绕组不构成环路；仅与单个绕组相连的桥臂为单极性桥臂，与多个绕组相连的桥臂为单极性或双极性桥臂。本发明能够减少五轴磁悬浮轴承系统中开关器件的数量。

技术领域

本发明属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及一种五轴磁悬浮轴承的控制装置及控制方法。

背景技术

磁悬浮轴承是典型的机电一体化系统，是典型的利用电磁力使转子稳定悬浮的轴承装置，其目的是取代传统机械轴承，实现转子与定子之间的无接触运行，其具有不需要润滑、无摩擦、工作寿命长等特点。磁悬浮轴承的应用十分广泛，适用于高转速或要求洁净空间的环境中。对于主动磁悬浮轴承系统，主要包括转子、传感器、控制器和电磁执行器等部分。而控制拓扑作为机电转化的核心，在整个系统中发挥着举足轻重的作用。

最为常见的控制拓扑为H桥控制拓扑，对于每一个绕组，需要两个桥臂进行控制，这种控制拓扑集成度低，功率密度低，元器件数量多，成本较高，潜在的故障点较多。为大幅减少控制拓扑的开关器件，提升其功率密度，在申请公布号为“CN109780057A”的专利文件中，提供了一种基于磁悬浮轴承的电力电子控制器及方法，其包括：4个单向导通器件、4个可控开关和4个绕组；通过改变各绕组对应可控开关的导通时间控制通过各绕组的电流，实现对磁悬浮轴承中控制两个自由度的四个绕组产生的电磁力的控制。

上述专利文件中，各绕组星型连接，对于单个八极径向磁轴承的四个绕组只需要四个桥臂来进行控制，改变了以往结构单个线圈需要两个桥臂来控制的方式，做到了器件的最优化使用。但是，该方案仅适用于具有两个径向自由度的磁悬浮轴承的控制，而目前，工业界最为普遍的五轴磁悬浮轴承具有4个径向自由度以及1个轴向自由度，上述专利文件所提供的控制拓扑结构无法应用于五轴磁悬浮轴承的控制系统中。

因此，如何有效减少五轴磁悬浮轴承系统中的开关器件，仍然是亟待解决的难题。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种五轴磁悬浮轴承的控制装置及控制方法，其目的在于，减少五轴磁悬浮轴承系统中开关器件的数量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种五轴磁悬浮轴承的控制装置，包括：10个绕组；10个绕组为五轴磁悬浮轴承中的绕组，共分为5对绕组，其中4对绕组分别用于控制4个径向自由度，记为径向控制绕组；其余一对绕组用于控制轴向自由度，记为轴向控制绕组；还包括：9个桥臂和1个直流电压源；

各桥臂的上端均与直流电压源的正极相连，各桥臂的下端均与直流电压源的负极相连；

每两对径向控制绕组被划分为一组，每一组内的4个径向控制绕组的一端连接到一起，另一端分别连接至一个桥臂的中点；4对径向控制绕组共与8个桥臂相连，且任意两对径向控制绕组的电流之和相等；每个轴向控制绕组的两端分别连接至一个桥臂的中点；绕组不构成环路；

仅与单个绕组相连的桥臂为单极性桥臂，与多个绕组相连的桥臂为单极性或双极性桥臂。

进一步地，本发明提供的五轴磁悬浮轴承的控制装置，4对径向控制绕组依次记为(La1，Lc1)、(La2，Lc2)、(La3，Lc3)和(La4，Lc4)，一对轴向控制绕组记为(La5，Lc5)，9个桥臂依次记为B₁～B₉，则：