[發明專利]磁軸承串聯繞組控制器的開關斷路故障容錯系統及方法

有效

• 申請號: 202011605006.3
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112727923B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 蔣棟;楊佶昌;孫宏博;李安;劉自程
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: F16C32/04
• 分類號: F16C32/04;H02M1/32
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種磁軸承串聯繞組控制器的開關斷路故障容錯系統及方法，包括2N個串聯的繞組、2N+1個橋臂和1個直流電壓源；各橋臂的上端均與直流電壓源的正極連接，下端均與直流電壓源的負極連接；本發明采用串聯繞組拓撲作為磁懸浮軸承控制器的繞組拓撲，每個開關元件都有獨立的分塊，單個開關元件故障并不會影響其它元件，同時對單獨放置的二極管也沒有太大影響，故在該容錯系統中，當單個開關元件故障時，仍可利用其它剩余開關元件來實現磁懸浮軸承系統的穩定控制，在正常工作模式和容錯工作模式中平滑切換，保證轉子不發生跌落；在發生開關器件斷路故障時可以在容錯工作模式下保證系統不停機運行，有效提高了磁懸浮軸承系統的故障冗余能力。

技術領域

本發明屬于磁懸浮軸承控制領域，更具體地，涉及一種磁軸承串聯繞組控制器的開關斷路故障容錯系統及方法。

背景技術

磁懸浮軸承是一種利用電磁力使轉子懸浮的軸承裝置，可以取代傳統機械軸承，實現轉子與定子的無接觸運行。其轉子和定子之間沒有機械接觸，具有不需要潤滑、無摩擦、工作壽命長等特點。在轉子需要進行高速轉動或者對工作環境的要求比較高的應用場合，磁懸浮軸承的應用十分廣泛。對于有源磁懸浮軸承系統，主要包括轉子、傳感器、控制器和電磁執行器等部分，其控制系統的設計對整個裝置的性能帶來了巨大的影響。功率放大器將控制信號轉換為繞組中的電流從而控制磁軸承的電磁力，是磁懸浮軸承系統中的重要組成部分。

斷路故障指的是故障器件保持斷路狀態，此時該器件的流通電流大小始終為零。磁懸浮功率放大器中，如果開關器件發生了斷路故障，會導致該橋臂電壓控制失效，從而導致繞組電流偏離參考值，進一步導致轉子位置失穩，造成轉子跌落以及系統停機等嚴重故障。

而現有的應用于磁懸浮軸承的串聯控制器，其減少了器件數量，且保證了電壓利用率。其中各個橋臂只用了一半的器件，器件數量不存在冗余，因而無法實現容錯運行。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種磁軸承串聯繞組控制器的開關斷路故障容錯系統及方法，其目的在于解決現有的串聯繞組控制器不具備在發生開關斷路故障時容錯運行能力的問題。

為實現上述目的，第一方面，本發明的提供了一種磁軸承串聯繞組控制器的開關斷路故障容錯系統，包括：2N個繞組、2N+1個橋臂和1個直流電壓源；其中，各繞組相互串聯；各橋臂的上端均與直流電壓源的正極連接，各橋臂的下端均與直流電壓源的負極連接；

第一個橋臂和第2N+1個橋臂為非公共橋臂，第i個橋臂為公共橋臂，i＝2,3,…,2N；具體為，第一個橋臂的輸出節點與第一個繞組的第一端連接；第i個橋臂的輸出節點與第i-1個繞組的第二端連接；第i個橋臂的輸出節點與第i個繞組的第一端連接；第2N+1個橋臂的輸出節點與第2N個繞組的第二端連接；

各橋臂均包括一個上橋臂和一個下橋臂，上橋臂和下橋臂均包括一個開關器件和一個與該開關器件反并聯的單向導通器件。

進一步優選地，上述開關器件為全控型開關器件，包括絕緣柵雙極晶體管；上述單向導通器件為二極管。

進一步優選地，上述磁軸承串聯繞組控制器用于實現N軸磁懸?。黄渲?，2N個繞組兩兩分成一組，共有N組；一組繞組對應控制一軸磁懸浮軸承；控制變量為各組繞組的共模電流和差模電流。

第二方面，本發明提供了一種上述開關斷路故障容錯系統的容錯方法，包括以下步驟：

S1、對各繞組上的電流進行實時檢測，并基于所檢測到的繞組電流對各橋臂進行判斷，確定故障橋臂；

S2、通過檢測繞組中共模電流方向，基于共模電流的方向變化，對故障橋臂中各開關器件進行斷路故障判斷，確定故障開關器件的位置；