磁浮轴承的功放电流控制方法与流程

1.本公开示例性实施例涉及电磁技术领域，尤其涉及一种磁浮轴承功放电流控制方法。


背景技术：

2.电磁轴承技术，即通过电磁力使机械转子悬浮旋转的技术。该技术因其无接触、无需润滑、无磨损的优良特性备受行业内的青睐，并已逐步地在医疗设备、涡轮机械等领域得以应用。磁悬浮技术的研究与相关产业的应用具有很大的实际意义。
3.在电磁轴承的控制系统中，功率放大器是其重要的一环，功率放大器将控制信号转换为电流输出，驱动电磁轴承悬浮。无论磁悬浮轴承的开关功放拓扑结构如何，其都是利用斩波原理，控制开关管的导通与关断，进而控制线圈电感两端的平均电压，最后达到控制线圈电感电流的效果。此外，电流控制的响应速度及精度直接影响到磁悬浮轴承控制系统的整体性能。
4.现有技术中，电流环一般可设计为pi控制器，通常情况下，采用pi控制器所构成的电流环就可以取得很好的效果。但是磁悬浮轴承控制系统对于电流的响应速度要求非常之高，而pi控制器受限于其闭环调节过程，无法电流环最大的响应速度。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本公开示例性实施例的目的在于提出一种磁浮轴承的功放电流控制方法，以解决磁浮轴承开关功放的电流响应速度慢的问题。
6.有鉴于此，本公开示例性实施例的目的在于提出一种磁浮轴承的功放电流控制装置，以提高磁浮轴承开关功放控制的响应速度。
7.基于上述目的，本公开示例性实施例提供了一种磁浮轴承的功放电流控制方法，包括：
8.分别确定磁浮轴承电感线圈电流、开关功放直流侧电压以及采样转子位置信号；
9.根据所述转子位置信号得到当前气隙长度，并通过所述当前气隙长度得到磁轴承线圈的电感值：
10.根据电流参考值、电流反馈值、开关功放直流侧电压、开关周期、线圈电感、线圈电阻计算得到下一个周期需要的开关管占空比值；
11.将所述占空比发送至控制器得到脉宽调制信号，并根据所述脉宽调制信号对磁浮轴承的开关进行控制。
12.结合上述说明，在本公开实施例另一种可能的实施方式中，所述根据电流参考值、电流反馈值、开关功放直流侧电压、开关周期、线圈电感、线圈电阻计算得到下一个周期需要的开关管占空比值，包括：
13.通过以下公式计算所述占空比：
[0014][0015]
其中，线圈电感为磁浮轴承一线圈的电感；电流参考值为所述磁浮轴承一线圈的参考值；电流反馈值为磁浮轴承一线圈的反馈值；开关周期为igbt的开关周期；直流侧电压为igbt开关桥臂原边的接入的直流电压。
[0016]
结合上述说明，在本公开实施例另一种可能的实施方式中，所述方法还包括：响应于确定所述占空比的值大于调制波时，磁浮轴承的开关导通，线圈电流上升；响应于确定所述占空比的值小于调制波时，磁浮轴承的开关关断，线圈电流下降。
[0017]
结合上述说明，在本公开实施例另一种可能的实施方式中，所述根据转子位置信号推算得到当前气隙长度，进而计算得到磁轴承线圈的电感值，其计算公式如下：
[0018][0019]
结合上述说明，在本公开实施例另一种可能的实施方式中，引入磁浮轴承电感线圈的电路数学模型，以根据电流参考值和当前周期的电流采样反馈值，直接计算得到下一个周期的开关管的占空比，其中，所述电路数学模型为：
[0020]
(r+l)i
l
＝d
+vdc-d
_vdc
+d0×0[0021]
＝d
+vdc-d
_vdc
[0022]
其中r为线圈电阻、l为线圈电感、v
dc
为直流侧电压、d
+
为一个开关周期内正向导通的时间比例、d
—
为负向导通的时间比例，d0为续流的时间比例。
[0023]
结合上述说明，在本公开实施例另一种可能的实施方式中，所述根据所述转子位置信号得到当前气隙长度，包括：
[0024]
通过电磁力和电磁线圈的电流之间的比值，确定当前气隙长度。
[0025]
第二方面，本公开还提供了一种磁浮轴承的功放电流控制装置，包括：
[0026]
确定模块，用于分别确定磁浮轴承电感线圈电流、开关功放直流侧电压以及采样转子位置信号；
[0027]
第一计算模块，用于根据所述转子位置信号得到当前气隙长度，并通过所述当前气隙长度得到磁轴承线圈的电感值：
[0028]
第二计算模块，用于根据电流参考值、电流反馈值、开关功放直流侧电压、开关周期、线圈电感、线圈电阻计算得到下一个周期需要的开关管占空比值；
[0029]
控制模块，用于将所述占空比发送至控制器得到脉宽调制信号，并根据所述脉宽调制信号对磁浮轴承的开关进行控制。
[0030]
结合上述说明，在本公开实施例另一种可能的实施方式中，所述第二计算模块通过以下公式计算所述占空比：
[0031][0032]
其中，线圈电感为磁浮轴承一线圈的电感；电流参考值为所述磁浮轴承一线圈的参考值；电流反馈值为磁浮轴承一线圈的反馈值；开关周期为igbt的开关周期；直流侧电压为igbt开关桥臂原边的接入的直流电压。
[0033]
结合上述说明，在本公开实施例另一种可能的实施方式中，所述装置还包括：第一
调制模块，用于响应于确定所述占空比的值大于调制波时，磁浮轴承的开关导通，线圈电流上升；第二调制模块，用于响应于确定所述占空比的值小于调制波时，磁浮轴承的开关关断，线圈电流下降。
[0034]
结合上述说明，在本公开实施例另一种可能的实施方式中，所述第一计算模块采用的计算公式包括如下：
[0035][0036]
从上面所述可以看出，本公开示例性实施例提供的磁浮轴承的功放电流控制方法和装置，基于磁浮轴承电感线圈的电路数学模型，根据电流的参考值与当前开关周期的电流采样反馈值，直接计算得到下一个开关周期开关管的占空比，本公开的该方法能减少磁浮轴承系统控制芯片的运算量，并且能显著提高开关功放的电流响应速度，具备很好的实用价值。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本公开示例性实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开示例性实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为本公开示例性实施例磁悬浮轴承的轴向剖面图的示意图；
[0039]
图2为本公开示例性实施例磁悬浮轴承的径向轴承剖面示意图；
[0040]
图3为本公开示例性实施例磁悬浮轴承开关功放拓扑图；
[0041]
图4为本公开示例性实施例电流调制策略图；
[0042]
图5为本公开示例性实施例电流控制策略图；
[0043]
图6为本公开示例性实施例的磁悬浮轴承的功放电流控制装置示意图。
具体实施方式
[0044]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[0045]
需要说明的是，除非另外定义，本公开示例性实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开示例性实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
[0046]
本公开涉及一种磁浮轴承的功放电流控制方法，其主要运用于对磁浮轴承进行控制的场景中，其基本思想是：基于磁浮轴承电感线圈的电路数学模型，根据电流的参考值与当前开关周期的电流采样反馈值，直接计算得到下一个开关周期开关管的占空比，本公开的该方法能减少磁浮轴承系统控制芯片的运算量，并且能显著提高开关功放(功率放大器)
的电流响应速度，具备很好的实用价值。
[0047]
本发明的控制方法包括如下步骤：
[0048]
第一步：采样磁轴承电感线圈电流并送入控制器；
[0049]
第二部：采样开关功放直流侧电压(功率放大器转换电压前的电压)并送入控制器；
[0050]
第三步：采样转子位置信号并送入控制器；
[0051]
第四步：根据转子位置信号推算得到当前气隙长度，进而计算得到磁轴承线圈的电感值；
[0052]
第五步：根据电流参考值、电流反馈值、开关功放直流侧电压、开关周期、线圈电感、线圈电阻计算得到下一个周期需要的开关管占空比值。
[0053]
其中，线圈电感、线圈电阻为磁浮轴承的各线圈的电感和电阻，电流参考值为输入的电流参考值，电流反馈值、开关功放直流侧电压、开关周期、气隙磁导率、线圈匝数、磁回路截面积、气隙长度等均指业内专用技术术语，此处不再一一解释。
[0054]
具体地：
[0055]
图1为本公开实施例一提供的磁悬浮轴承的轴向剖面图，图2为磁悬浮轴承的径向轴承剖面图。
[0056]
如图1所示，现有的五轴磁悬浮轴承由两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承构成，一个五轴磁悬浮轴承共计五个自由度的电磁力需要进行控制。
[0057]
如图2所示，磁浮轴承中的位置传感器和电磁线圈成对设置。位置传感器采样转子的位置信号，该转子的位置信号指的是：位置传感器探头到电机转子表面的距离，以形成闭环控制。而该磁浮轴承此处位置的电磁力的大小由气隙间距和线圈电流大小决定，通过控制线圈电流的大小即可以控制电磁力，进而控制转子的位置，通过控制线圈电流的大小可以控制电磁力，进而控制转子的位置。
[0058]
图3为磁悬浮轴承开关功放拓扑图。如图所示，通过控制开关管的开通与关断及可控制线圈电流的大小。
[0059]
图4为电流调制策略图。如图所示，占空比为开关管(igbt)开通及关断的时间比例，电流调制策略包括：当占空比的值大于载波(该载波为三角波)时，开关管导通，线圈电流上升；当占空比的值小于载波时，开关管关断，线圈电流下降。通过控制线圈电流的大小即可以控制电磁力，进而控制转子的位置，电磁力是线圈电流的函数。
[0060]
图5为电流控制策略图。根据电流参考值、电流反馈值、开关功放直流侧电压、开关周期、线圈电感、线圈电阻计算得到下一个控制周期需要的开关管占空比值，其计算公式如下:
[0061][0062]
其中，根据转子位置信号推算得到当前气隙长度，进而计算得到磁轴承线圈的电感值，其计算公式如下：
[0063][0064]
其中，气隙磁导率为、线圈匝数为和磁回路截面积为本领域的常用术语。
[0065]
本公开所述控制策略基于磁浮轴承电感线圈的电路数学模型，根据电流的参考值与当前开关周期的电流采样反馈值，直接计算得到下一个开关周期开关管的占空比，控制占空比即能够控制线圈电流大小，进而也可以实现磁浮轴承各自由度的电磁力。该方法能减少磁浮轴承系统控制芯片的运算量，并且能显著提高开关功放的电流响应速度，具备很好的实用价值。
[0066]
本公开还提供一种磁浮轴承的功放电流控制装置，结合图6所示，其主要包括：
[0067]
确定模块601，用于分别确定磁浮轴承电感线圈电流、开关功放直流侧电压以及采样转子位置信号；
[0068]
第一计算模块602，用于根据所述转子位置信号得到当前气隙长度，并通过所述当前气隙长度得到磁轴承线圈的电感值：
[0069]
第二计算模块603，用于根据电流参考值、电流反馈值、开关功放直流侧电压、开关周期、线圈电感、线圈电阻计算得到下一个周期需要的开关管占空比值；
[0070]
控制模块604，用于将所述占空比发送至控制器得到脉宽调制信号，并根据所述脉宽调制信号对磁浮轴承的开关进行控制。
[0071]
进一步地，所述第二计算模块603通过以下公式计算所述占空比：
[0072][0073]
其中，线圈电感为磁浮轴承一线圈的电感；电流参考值为所述磁浮轴承一线圈的参考值；电流反馈值为磁浮轴承一线圈的反馈值；开关周期为igbt的开关周期；直流侧电压为igbt开关桥臂原边的接入的直流电压。
[0074]
进一步地，所述装置还包括：第一调制模块，用于响应于确定所述占空比的值大于调制波时，磁浮轴承的开关导通，线圈电流上升；第二调制模块，用于响应于确定所述占空比的值小于调制波时，磁浮轴承的开关关断，线圈电流下降。
[0075]
进一步地，所述第一计算模块602采用的计算公式包括如下：
[0076][0077]
本公开的方法、装置以及电路设计与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0078]
(1)控制策略简单，能减少磁浮轴承系统控制芯片的运算量。
[0079]
(2)显著提高电流内环的响应速度即电流环的带宽，进而改善系统的性能。
[0080]
(3)线圈电感值实时更新，可以提高电流的控制精度，且能够实现对线圈电感值进行在线计算校正。
[0081]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开示例性实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0082]
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开示例性实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开示例性实施例难以理解，并且这
也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本公开示例性实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开示例性实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
[0083]
尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。
[0084]
本公开示例性实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开示例性实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。