一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置及方法

摘要

本发明公开了一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置及方法，属于磁悬浮轴承控制领域，包括5个单向导通器件、5个可控开关、4个绕组和电源。改变各个可控开关在一个开关周期内的导通时间控制通过各绕组的电流，通过将4个绕组分为两组，控制绕组中共模电流与差模电流的方式，实现对磁悬浮轴承中控制两个自由度的4个绕组电流的控制。本发明4个绕组串联，对于单个八极径向磁轴承的4个绕组只需要5个桥臂进行控制，对普通的桥式电路中单个线圈需要两个桥臂控制的方式，有效提高了器件的利用率。同时本发明提供的控制器在对两个绕组之间的差模电流进行控制时，可实现较高的电压利用率。

权利要求

1.一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置，其特征在于，包括：5个单向导通器件、

5个可控开关、4个绕组和1个直流电压源；

单向导通器件D1的第一端与绕组A1和可控开关S1的第二端连接，其第二端与电源负极连接，用于为绕组A1提供续流回路；单向导通器件D2的第一端与电源正极连接，其第二端与绕组A1、绕组A2和可控开关S2的第一端连接，用于为绕组A1和绕组A2提供续流回路；单向导通器件D3的第一端与绕组A2、绕组A3和可控开关S3的第二端连接，其第二端与电源负极连接，用于为绕组A2和绕组A3提供续流回路；单向导通器件D4的第一端与电源正极连接，其第二端与绕组A3、绕组A4和可控开关S4的第一端连接，用于为绕组A3和绕组A4提供续流回路；单向导通器件D5的第一端与绕组A4和可控开关S5的第二端连接，其第二端与电源负极连接，用于为绕组A4提供续流回路；单向导通器件D1、单向导通器件D2、单向导通器件D3、单向导通器件D4、单向导通器件D5均由对应的第二端向第一端单向导通；

可控开关S1的第一端与电源正极连接；可控开关S2的第二端与电源负极连接；可控开关S3的第一端与电源正极连接；可控开关S4的第二端与电源负极连接；可控开关S5的第一端与电源正极连接；可控开关S1和可控开关S2通过改变其导通时间控制通过绕组A1的电流；可控开关S2和可控开关S3通过改变其导通时间控制通过绕组A2的电流；可控开关S3和可控开关S4通过改变其导通时间控制通过绕组A3的电流；可控开关S4和可控开关S5通过改变其导通时间控制通过绕组A4的电流；

所述4个绕组通过对应绕组电流，产生磁悬浮轴承所需的电磁力。

2.根据权利要求1所述的串联绕组控制装置，其特征在于，所述可控开关S1、所述可控开关S2、所述可控开关S3、所述可控开关S4和所述可控开关S5均为绝缘栅双极晶体管；

绝缘栅双极晶体管S1的集电极与所述电源正极连接，其发射极与所述绕组A1和所述单向导通器件D1的第一端连接；绝缘栅双极晶体管S2的集电极与所述绕组A1、所述绕组A2和所述单向导通器件D2的第二端连接，其发射极与电源负极连接；绝缘栅双极晶体管S3的集电极与所述电源正极连接，其发射极与所述绕组A2、所述绕组A3和所述单向导通器件D3的第一端连接；绝缘栅双极晶体管S4的集电极与所述绕组A3、所述绕组A4和所述单向导通器件D4的第二端连接，其发射极与所述电源负极连接；绝缘栅双极晶体管S5的集电极与所述电源正极连接，其发射极与所述绕组A4和所述单向导通器件D5的第一端连接；

所述绝缘栅双极晶体管S1、所述绝缘栅双极晶体管S2、所述绝缘栅双极晶体管S3、所述绝缘栅双极晶体管S4和所述绝缘栅双极晶体管S5通过改变其门极控制信号控制其导通时间。

3.根据权利要求1所述的串联绕组控制装置，其特征在于，所述单向导通器件D1、所述单向导通器件D2、所述单向导通器件D3、所述单向导通器件D4和所述单向导通器件D5均为二极管；

二极管D1的负极与所述绕组A1和所述可控开关S1的第二端连接，其正极与所述电源负极连接；二极管D2的负极与所述电源正极连接，其正极与所述绕组A1、所述绕组A2和所述可控开关S2的第一端连接；二极管D3的负极与所述绕组A2、所述绕组A3和所述可控开关S3的第二端连接，其正极与所述电源负极连接；二极管D4的负极与所述电源正极连接，其正极与所述绕组A3、所述绕组A4和所述可控开关S4的第一端连接；二极管D5的负极与所述绕组A4和所述可控开关S5的第二端连接，其正极与所述电源负极连接。

4.根据权利要求2所述的串联绕组控制装置，其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管S1、所述绝缘栅双极晶体管S2、所述绝缘栅双极晶体管S3、所述绝缘栅双极晶体管S4和所述绝缘栅双极晶体管S5的门极控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号。

5.基于权利要求1所述的串联绕组控制装置的控制方法，其特征在于，包括：(1)通过同步控制各可控开关的导通与关断，切换串联绕组控制器的工作模态；

(2)通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间，实现对各绕组电流的控制。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间，实现对各绕组电流的控制，具体包括：(2.1)通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间；

(2.2)根据串联控制器的各工作模态的持续时间，获取相邻绕组节点上的电压；

(2.3)根据相邻绕组节点上的电压，计算各绕组的电流大小；

(2.4)利用各绕组的电流大小计算各绕组间的共模电流和差模电流；

(2.5)通过改变绕组中差模电流的大小，对磁悬浮轴承中各方向的电磁力进行控制，从而对磁悬浮轴承的转子进行悬浮。

7.根据权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，所述各可控开关为绝缘栅双极晶体管，各所述绝缘栅双极晶体管的导通时间为各所述绝缘栅双极晶体管的门极控制信号的脉冲宽度调制信号的占空比。

8.根据权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，所述各绕组电流的控制包括各绕组间的共模电流控制和差模电流控制。

说明书

一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置及方法。

背景技术

[0002] 磁悬浮轴承是一种利用电磁力使转子悬浮的轴承装置，从而取代传统机械轴承，实现转子与定子的无接触运行。由于转子和定子之间没有机械接触，因而具有不需要润滑、
无机械摩擦、无污染、稳定性好、工作寿命长等特点。在储能飞轮、航空设备等领域，转子需
要进行高速、超高速转动或者对工作环境的要求比较高的应用场合，磁悬浮轴承的应用十
分广泛。早在上世纪40年代，国外就已经有学者对磁悬浮轴承进行了深入研究，上世纪70年
代，磁悬浮轴承进入了工业应用阶段。航空技术领域的发展极大的促进了磁悬浮轴承的发
展，并因此产生了很多具有跨时代意义的磁悬浮装置。国内相关领域的发展起步较晚，近年
来许多高校与企业都十分关注磁悬浮轴承领域的最新研究进展，已有公司目前也开始出现
相关的产品，磁悬浮轴承在未来的几十年仍有广阔的发展前景。

[0003] 对于有源磁悬浮轴承系统，主要包括转子、传感器、控制器和电磁执行器等部分，其控制系统的设计对整个装置的性能带来了巨大的影响。功率放大器将控制信号转换为绕
组中的电流从而控制磁轴承的电磁力，是磁悬浮轴承系统中的重要组成部分。传统的全桥
拓扑结构需要两个桥臂对一个绕组进行控制，在磁悬浮轴承系统中会使得系统结构变得复
杂，提高了装置成本。目前已经有学者提出了使用共桥臂的方法来减少器件数量，从而降低
成本，但是其器件数量仍有优化空间，且电压利用率不高，影响磁悬浮轴承装置的控制效
果。应用于磁悬浮轴承的环形拓扑四桥臂控制器可以有效地减少器件数量，同时也提高了
电压利用率，但是其固有的环流不可控问题仍限制了其实际应用。

发明内容

[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置和方法，旨在解决现有的有源磁悬浮轴承系统无法极大限度减少器件数量的问
题，以及环形拓扑四桥臂控制器的环流不可控问题。

[0005] 为实现上述目的，一方面本发明提供了一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置，包括：单向导通器件D1、单向导通器件D2、单向导通器件D3、单向导通器件D4、单向导通器
件D5、可控开关S1、可控开关S2、可控开关S3、可控开关S4、可控开关S5、绕组A1、绕组A2、绕组
A3、绕组A4和电源；

[0006] 单向导通器件D1的第一端与绕组A1和可控开关S1的第二端连接，其第二端与电源负极连接；

[0007] 单向导通器件D2的第一端与电源正极连接，其第二端与绕组A1、绕组A2和可控开关S2的第一端连接；

[0008] 单向导通器件D3的第一端与绕组A2、绕组A3和可控开关S3的第二端连接，其第二端与电源负极连接；

[0009] 单向导通器件D4的第一端与电源正极连接，其第二端与绕组A3、绕组A4和可控开关S4的第一端连接；

[0010] 单向导通器件D5的第一端与绕组A4和可控开关S5的第二端连接，其第二端与电源负极连接；

[0011] 单向导通器件D1、单向导通器件D2、单向导通器件D3、单向导通器件D4、单向导通器件D5均由对应的第二端向第一端单向导通；

[0012] 可控开关S1的第一端与电源正极连接；可控开关S2的第二端与电源负极连接；可控开关S3的第一端与电源正极连接；可控开关S4的第二端与电源负极连接；可控开关S5的第一
端与电源正极连接；

[0013] 单向导通器件D1为绕组A1提供续流回路；单向导通器件D2为绕组A1和绕组A2提供续流回路；单向导通器件D3为绕组A2和绕组A3提供续流回路；单向导通器件D4为绕组A3和绕组
A4提供续流回路；单向导通器件D5为绕组A4提供续流回路；

[0014] 可控开关S1和可控开关S2通过改变其导通时间控制通过绕组A1的电流；可控开关S2和可控开关S3通过改变其导通时间控制通过绕组A2的电流；可控开关S3和可控开关S4通过
改变其导通时间控制通过绕组A3的电流；可控开关S4和可控开关S5通过改变其导通时间控
制通过绕组A4的电流；

[0015] 绕组A1、绕组A2、绕组A3和绕组A4通过对应绕组电流，产生磁悬浮轴承所需的电磁力。

[0016] 优选地，可控开关S1、可控开关S2、可控开关S3、可控开关S4和可控开关S5均为绝缘栅双极晶体管；

[0017] 绝缘栅双极晶体管S1的集电极与电源正极连接，其发射极与绕组A1和单向导通器件D1的第一端连接；

[0018] 绝缘栅双极晶体管S2的集电极与绕组A1、绕组A2和单向导通器件D2的第二端连接，其发射极与电源负极连接；

[0019] 绝缘栅双极晶体管S3的集电极与电源正极连接，其发射极与绕组A2、绕组A3和单向导通器件D3的第一端连接；

[0020] 绝缘栅双极晶体管S4的集电极与绕组A3、绕组A4和单向导通器件D4的第二端连接，其发射极与电源负极连接；

[0021] 绝缘栅双极晶体管S5的集电极与电源正极连接，其发射极与绕组A4和单向导通器件D5的第一端连接；

[0022] 所述绝缘栅双极晶体管S1、所述绝缘栅双极晶体管S2、所述绝缘栅双极晶体管S3、所述绝缘栅双极晶体管S4和所述绝缘栅双极晶体管S5通过改变其门极控制信号控制其导通
时间。

[0023] 优选地，单向导通器件D1、单向导通器件D2、单向导通器件D3、单向导通器件D4和单向导通器件D5均为二极管；

[0024] 二极管D1的负极与绕组A1和可控开关S1的第二端连接，其正极与电源负极连接；

[0025] 二极管D2的负极与电源正极连接，其正极与绕组A1、绕组A2和可控开关S2的第一端连接；

[0026] 二极管D3的负极与绕组A2、绕组A3和可控开关S3的第二端连接，其正极与电源负极连接；

[0027] 二极管D4的负极与电源正极连接，其正极与绕组A3、绕组A4和可控开关S4的第一端连接；

[0028] 二极管D5的负极与绕组A4和可控开关S5的第二端连接，其正极与电源负极连接。

[0029] 优选地，绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管S2、绝缘栅双极晶体管S3、绝缘栅双极晶体管S4和绝缘栅双极晶体管S5的门极控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号。

[0030] 另一方面，基于上述的一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置，本发明提供了一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制方法，包括：

[0031] (1)通过同步控制各可控开关的导通与关断，切换串联绕组控制器的工作模态；

[0032] (2)通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间，实现对各绕组电流的控制。

[0033] 优选地，各可控开关为绝缘栅双极晶体管，各绝缘栅双极晶体管的导通时间为各绝缘栅双极晶体管的门极控制信号的脉冲宽度调制信号的占空比；

[0034] 优选地，各绕组电流的控制包括各绕组间的共模电流控制和差模电流控制。

[0035] 优选地，步骤(2)具体包括：

[0036] (2.1)通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间；

[0037] (2.2)根据串联绕组控制器的各工作模态的持续时间，获取相邻绕组节点上的电压；

[0038] (2.3)根据相邻绕组节点上的电压，计算各绕组的电流大小；

[0039] (2.4)利用各绕组的电流大小计算各绕组间的共模电流和差模电流；

[0040] (2.5)通过改变绕组中差模电流的大小，对磁悬浮轴承中各方向的电磁力进行控制，从而对磁悬浮轴承的转子进行悬浮。

[0041] 对于一个磁悬浮轴承，在x方向和y方向分别需要两个绕组进行控制，本发明提供的串联绕组控制装置中的绕组A1和绕组A3一组，绕组A2和绕组A4一组，分别对x方向和y方向
进行控制；

[0042] 串联绕组控制装置保持稳定时，控制可控开关S1、可控开关S2、可控开关S3和可控开关S4的导通时间均为单周期的50％，对磁悬浮轴承进行控制时，对应可控开关的导通时
间在单周期的50％的基础上进行增减。

[0043] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

[0044] (1)相比于传统磁悬浮控制器，每个绕组都需要两个桥臂同时控制，本发明使用的4个绕组串联连接，4个绕组只需要5个桥臂进行控制，每个绕组的电流由与其相邻的两个桥
臂上的可控开关与单向导通器件进行控制，使得器件的利用率大大提高，减少了控制器的
成本与体积。

[0045] (2)本发明利用其拓扑的特点，对绕组的共模电流与差模电流进行控制，每一对绕组分别控制磁悬浮轴承中的一个方向，利用共模电流调整转子广义刚度，两个差模电流分
别对其两个方向的力进行控制，可以有效满足磁悬浮轴承中的控制需要，充分体现了本发
明提出的应用磁悬浮轴承的串联绕组控制器具有良好的实用性。

[0046] (3)本发明采用的是对相对绕组中差模电流的控制方法，通过对绕组两端电压的控制。例如在可控开关S1、S2闭合，可控开关S3、S4断开时，绕组A1两端电压达到正直流母线电
压，相对绕组A3两端电压为负直流母线电压，实现了这一组差模电流的快速增加，此时对这
一对绕组的控制实现了直流母线电压的全部利用，电压利用率为1。在只需要控制一个方向
上的电磁力时，其电压利用率可以达到1，可以有效提高磁悬浮轴承装置的控制效果。

[0047] (4)本发明控制方法与环形拓扑四桥臂控制器类似，但为了避免环形拓扑中环流不可控的问题，本发明采用了串联绕组的形式，比环形拓扑四桥臂控制器多一个自由度，可
以分别控制两组绕组的共模电流，同时有效避免了环流不可控的问题。

附图说明

[0048] 图1是本发明提供的八极径向磁轴承结构示意图；

[0049] 图2是本发明提供的串联绕组控制器的拓扑图；

[0050] 图3(a)至图3(d)是本发明提供的串联绕组控制器的四种工作模态；

[0051] 图4(a)至图4(d)是本发明提供的四个绕组电流同时上升的示意图；

[0052] 图5(a)至图5(d)是本发明提供的绕组A1、绕组A3电流变化，绕组A2、绕组A4电流不变的控制示意图；

[0053] 图6(a)至图6(d)是本发明提供的绕组A2、绕组A4电流变化，绕组A1、绕组A3电流不变的控制示意图；

[0054] 图7(a)至图7(d)是本发明提供的四个绕组处于稳态的示意图。

具体实施方式

[0055] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。

[0056] 图1为单个径向磁轴承的结构图，该径向磁轴承结构有两个正交方向x方向的电磁力Fx和y方向的电磁力Fy需要控制。其中，x方向的电磁力Fx通过绕组A1产生的电磁力和绕组
A3产生的电磁力共同确定，y方向的电磁力Fy通过绕组A2产生的电磁力和绕组A4产生的电磁
力共同确定。每个绕组产生的电磁力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为电磁力/电流系数；Ks为电磁力/位移系数；Ki与Ks均为径向轴承
结构有关。控制上通常采用双环控制，外环为位置环，通过位置传感器反馈的转子相对位置
信号与给定位置进行对比，通过串联绕组控制器给出的内环绕组励磁电流指令信号，最终
通过电流环迅速跟踪，实现电磁力的有效控制。

[0057] 图2是本发明提供的一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置，包括：5个单向导通器件、5个可控开关、4个绕组和1个直流电压源；

[0058] 单向导通器件D1的第一端与绕组A1和可控开关S1的第二端连接，其第二端与电源负极连接，用于为绕组A1提供续流回路；单向导通器件D2的第一端与电源正极连接，其第二
端与绕组A1、绕组A2和可控开关S2的第一端连接，用于为绕组A1和绕组A2提供续流回路；单向
导通器件D3的第一端与绕组A2、绕组A3和可控开关S3的第二端连接，其第二端与电源负极连
接，用于为绕组A2和绕组A3提供续流回路；单向导通器件D4的第一端与电源正极连接，其第
二端与绕组A3、绕组A4和可控开关S4的第一端连接，用于为绕组A3和绕组A4提供续流回路；单
向导通器件D5的第一端与绕组A4和可控开关S5的第二端连接，其第二端与电源负极连接，用
于为绕组A4提供续流回路；单向导通器件D1、单向导通器件D2、单向导通器件D3、单向导通器
件D4、单向导通器件D5均由对应的第二端向第一端单向导通；

[0059] 可控开关S1的第一端与电源正极连接；可控开关S2的第二端与电源负极连接；可控开关S3的第一端与电源正极连接；可控开关S4的第二端与电源负极连接；可控开关S5的第一
端与电源正极连接。可控开关S1和可控开关S2通过改变其导通时间控制通过绕组A1的电流；
可控开关S2和可控开关S3通过改变其导通时间控制通过绕组A2的电流；可控开关S3和可控
开关S4通过改变其导通时间控制通过绕组A3的电流；可控开关S4和可控开关S5通过改变其
导通时间控制通过绕组A4的电流；

[0060] 4个绕组通过对应绕组电流，产生磁悬浮轴承所需的电磁力。

[0061] 优选地，可控开关S1、所述可控开关S2、所述可控开关S3、所述可控开关S4和所述可控开关S5均为绝缘栅双极晶体管；

[0062] 绝缘栅双极晶体管S1的集电极与所述电源正极连接，其发射极与所述绕组A1和所述单向导通器件D1的第一端连接；绝缘栅双极晶体管S2的集电极与所述绕组A1、所述绕组A2
和所述单向导通器件D2的第二端连接，其发射极与电源负极连接；绝缘栅双极晶体管S3的集
电极与所述电源正极连接，其发射极与所述绕组A2、所述绕组A3和所述单向导通器件D3的第
一端连接；绝缘栅双极晶体管S4的集电极与所述绕组A3、所述绕组A4和所述单向导通器件D4
的第二端连接，其发射极与所述电源负极连接；绝缘栅双极晶体管S5的集电极与所述电源
正极连接，其发射极与所述绕组A4和所述单向导通器件D5的第一端连接；

[0063] 所述绝缘栅双极晶体管S1、所述绝缘栅双极晶体管S2、所述绝缘栅双极晶体管S3、所述绝缘栅双极晶体管S4和所述绝缘栅双极晶体管S5通过改变其门极控制信号控制其导通
时间。

[0064] 优选地，单向导通器件D1、单向导通器件D2、所述单向导通器件D3、所述单向导通器件D4和所述单向导通器件D5均为二极管；

[0065] 二极管D1的负极与所述绕组A1和所述可控开关S1的第二端连接，其正极与所述电源负极连接；二极管D2的负极与所述电源正极连接，其正极与所述绕组A1、所述绕组A2和所
述可控开关S2的第一端连接；二极管D3的负极与所述绕组A2、所述绕组A3和所述可控开关S3
的第二端连接，其正极与所述电源负极连接；二极管D4的负极与所述电源正极连接，其正极
与所述绕组A3、所述绕组A4和所述可控开关S4的第一端连接；二极管D5的负极与所述绕组A4
和所述可控开关S5的第二端连接，其正极与所述电源负极连接。

[0066] 优选地，绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管S2、绝缘栅双极晶体管S3、绝缘栅双极晶体管S4和绝缘栅双极晶体管S5的门极控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号。

[0067] 基于上述提出的串联绕组控制装置，本发明提供了相应的一种控制方法，包括：

[0068] (1)通过同步控制各可控开关的导通与关断，切换串联绕组控制器的工作模态；

[0069] (2)通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间，实现对各绕组电流的控制。

[0070] 优选地，步骤(2)具体包括：

[0071] (2.1)通过控制各可控开关的导通时间控制串联绕组控制器的各工作模态的持续时间；

[0072] (2.2)根据串联绕组控制器的各工作模态的持续时间，获取相邻绕组节点上的电压；

[0073] (2.3)根据相邻绕组节点上的电压，计算各绕组的电流大小；

[0074] (2.4)利用各绕组的电流大小计算各绕组间的共模电流和差模电流；

[0075] (2.5)通过改变绕组中差模电流的大小，对磁悬浮轴承中各方向的电磁力进行控制，从而对磁悬浮轴承的转子进行悬浮。

[0076] 优选地，各可控开关为绝缘栅双极晶体管，各绝缘栅双极晶体管的导通时间为各绝缘栅双极晶体管的门极控制信号的脉冲宽度调制信号的占空比。

[0077] 优选地，各绕组电流的控制包括各绕组间的共模电流控制和差模电流控制。

[0078] 对于上述的控制方法，定义可控开关S1和单向导通器件D1所在桥臂中点的平均电压为u1，可控开关S2和单向导通器件D2所在桥臂中点的平均电压为u2，可控开关S3和单向导
通器件D3所在桥臂中点的平均电压为u3，可控开关S4和单向导通器件D4所在桥臂中点的平
均电压为u4，可控开关S5和单向导通器件D5所在桥臂中点的平均电压为u5，通过控制绝缘栅
双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管S2、绝缘栅双极晶体管S3、绝缘栅双极晶体管S4和绝缘栅
双极晶体管S5的门极控制信号的脉冲宽度调制信号的占空比，可以对所述节点上的平均电
压u1、u2、u3、u4和u5进行控制；

[0079] 定义绕组A1、绕组A2、绕组A3和绕组A4的阻抗均为ZL；

[0080] 绕组A1中流过的电流为i1，方向为由可控开关S1的第二端流向可控开关S2的第一端；

[0081] 绕组A2中流过的电流为i2，方向为由可控开关S3的第二端流向可控开关S2的第一端；

[0082] 绕组A3中流过的电流为i3，方向为由可控开关S3的第二端流向可控开关S4的第一端；

[0083] 绕组A4中流过的电流为i4，方向为由可控开关S5的第二端流向可控开关S4的第一端；

[0084] 绕组A1、绕组A2、绕组A3和绕组A4中的电流大小可以表示为：

[0085]

[0086] 定义ic1为绕组A1和绕组A3的共模电流，ic2为绕组A2和绕组A4的共模电流，id1为绕组A1和绕组A3的差模电流，id2为绕组A2和绕组A4的差模电流。

[0087] 对于一个磁悬浮轴承，在x方向和y方向分别需要两个绕组进行控制，本控制器中的绕组A1和绕组A3一组，绕组A2和绕组A4一组，分别对x方向和y方向进行控制。

[0088] 串联绕组控制装置保持稳定时，控制可控开关S1、可控开关S2、可控开关S3、可控开关S4和可控开关S5的导通时间均为单周期的50％，对磁悬浮轴承进行控制时，对应可控开关
的导通时间在单周期的50％的基础上进行增减。

[0089] 图3(a)至图3(d)所示为应用于磁悬浮轴承的电力电子控制器的四种工作模态示意图，以绕组A1为例，可控开关S1和可控开关S2同时闭合时为第一模态，直流电源正向加于
绕组A1之上，绕组A1的电流迅速上升；可控开关S1和可控开关S2同时断开时为第二模态，此
时单向导通器件D1和单向导通器件D2导通，直流电源反向加于绕组A1之上，绕组A1的电流迅
速下降；可控开关S1闭合，可控开关S2断开时为第三模态，单向单通器件D2导通，此时工作于
续流状态，绕组A1电流缓慢下降；可控开关S1断开，可控开关S2闭合时为第四模态，单向导通
器件D1导通，此时也工作于续流状态，绕组A1电流缓慢下降。通过对四种工作模态的组合，可
以实现对绕组电流的有效控制。

[0090] 图4(a)至图4(d)所示为控制4个绕组电流同时上升的情况。起始可控开关S1、可控开关S2、可控开关S3、可控开关S4和可控开关S5的导通时间均为单周期的50％，4个绕组电流
均为0A，在0.01秒时控制4个绕组电流同时上升，此时需要提高4个绕组的共模电流，改变5
个可控开关的导通时间从而调节各个节点的电压，对4个绕组中的电流大小进行控制，使得
电流上升。各个绕组参数相同时，由于电路的对称性，可控开关S1、可控开关S5门极驱动信号
波形相同。图4(a)表示可控开关S1、可控开关S5门极驱动信号波形和绕组A1电流波形；图4
(b)表示可控开关S2门极驱动信号波形和绕组A2电流波形；图4(c)表示可控开关S3门极驱动
信号波形和绕组A3电流波形；图4(d)表示可控开关S4门极驱动信号波形和绕组A4电流波形。

[0091] 图5(a)至图5(d)所示为绕组A1和绕组A3的电流变化，绕组A2和绕组A4电流不变的控制示意图。在磁悬浮轴承控制中，当一个自由度上的一个绕组电流上升，一个绕组电流下
降时，即产生差模电流时，则在该自由度会产生对应的电磁力。起始各个绕组的电流均为
5A，在0.02s时绕组A1电流上升，绕组A3电流下降，最终绕组A1的电流达到6A，绕组A3的电流
变为4A，绕组A2和绕组A4的电流大小不变。由绕组A1和绕组A3所控制方向上的磁悬浮轴承的
电磁力发生变化，由绕组A2和绕组A4所控制方向上的磁悬浮轴承的电磁力不发生变化。图5
(a)表示可控开关S1、可控开关S5门极驱动信号波形和绕组A1电流波形；图5(b)表示可控开
关S2门极驱动信号波形和绕组A2电流波形；图5(c)表示可控开关S3门极驱动信号波形和绕
组A3电流波形；图5(d)表示可控开关S4门极驱动信号波形和绕组A4电流波形。

[0092] 图6(a)至图6(d)所示为绕组A2和绕组A4电流变化，绕组A1和绕组A3电流不变的控制示意图。起始绕组A1的电流为6A，绕组A3的电流为4A，在0.03s时，绕组A2电流上升，绕组A4
电流下降，最终绕组A2的电流达到6A，绕组A4的电流变为4A，绕组A1和绕组A3的电流大小不
变。由绕组A2和绕组A4所控制方向上的磁悬浮轴承的电磁力发生变化，由绕组A1和绕组A3所
控制方向上的磁悬浮轴承的电磁力不发生变化。图6(a)表示可控开关S1、可控开关S5门极驱
动信号波形和绕组A1电流波形；图6(b)表示可控开关S2门极驱动信号波形和绕组A2电流波
形；图6(c)表示可控开关S3门极驱动信号波形和绕组A3电流波形；图6(d)表示可控开关S4门
极驱动信号波形和绕组A4电流波形。

[0093] 图7(a)至图7(d)表示稳态工作时，四个绕组电流均不变化时的控制示意图。图7(a)表示可控开关S1、可控开关S5门极驱动信号波形和绕组A1电流波形；图7(b)表示可控开
关S2门极驱动信号波形和绕组A2电流波形；图7(c)表示可控开关S3门极驱动信号波形和绕
组A3电流波形；图7(d)表示可控开关S4门极驱动信号波形和绕组A4电流波形。

[0094] 本发明中绕组A1和绕组A3的电流之和等于绕组A2和绕组A4的电流之和，其电流和的大小受共模电流大小的控制，绕组A1和绕组A3的电流差以及绕组A2和绕组A4的电流差受
差模电流大小的控制，两对绕组的差模电流的大小分别控制磁悬浮轴承两个方向上的电磁
力，符合磁悬浮轴承的控制需求，并且通过上述控制方法，可以实现磁悬浮轴承控制中所需
要的各种电流变化，达到了期望的控制效果。使用5个可控开关和5个单向导通器件即可实
现4个绕组电流的控制，提高了器件利用率，节约了控制器的成本。同时避免了环形拓扑四
桥臂控制器中存在环流的问题。

[0095] 需特别指出，在所提供的控制方法中，两个方向上电压利用率之和为1，在仅需要对其中一对绕组进行电流控制，另一对绕组电流不变时，其电压利用率可以达到1，实现绕
组电流的快速变化。

[0096] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。