[發明專利]一種用于磁懸浮軸承的開關斷路故障容錯控制系統

有效

• 申請號: 202110305579.2
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN112901658B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 蔣棟;楊佶昌;孫宏博;劉自程;孫偉
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: F16C32/04
• 分類號: F16C32/04;G05B23/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 胡秋萍

本發明公開了一種用于磁懸浮軸承的開關斷路故障容錯控制系統，屬于磁懸浮軸承控制領域，包括：公共橋臂、N個非公共橋臂組、直流電源和控制單元，N為磁懸浮軸承中軸的個數；每一非公共橋臂組包括兩個并聯的橋臂支路，每一橋臂支路中上、下橋臂的連接點與公共橋臂中上、下橋臂的連接點之間設置有繞組；控制單元用于控制每一非公共橋臂組中一橋臂支路的上橋臂和另一橋臂支路的下橋臂導通，并在任一非公共橋臂組中導通的橋臂出現斷路故障時切斷導通橋臂，并控制任一非公共橋臂組中原本斷開的橋臂切換至導通狀態。可使故障橋臂組對應方向的電磁力快速恢復至穩定值，避免轉子跌落，且不影響其他方向上的電磁力，提高磁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，涉及一種用于磁懸浮軸承的開關斷路故障容錯控制系統。

背景技術

磁懸浮軸承是一種利用定子產生電磁力來使轉子懸浮的軸承裝置，作為傳統機械軸承的替代品，可以實現轉子與定子的無接觸運行。磁懸浮軸承的轉子和定子之間沒有機械接觸，不需要潤滑、不存在摩擦、工作壽命較長。在轉子需要進行高速轉動或者對工作環境的要求較高的應用場合，磁懸浮軸承的應用十分廣泛。磁懸浮軸承主要包括無源磁軸承、有源磁軸承和混合磁軸承等。對于磁懸浮軸承系統，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。有源磁軸承系統中功率放大器將控制信號轉換為繞組中的電流從而產生磁場和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。

斷路故障是指故障器件保持斷路狀態，故障器件的電流大小始終為零。磁懸浮軸承的功率放大器中，如果開關器件發生了斷路故障，會導致該橋臂對輸出端的電壓控制失效，從而導致繞組電流偏離指令值，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。

目前已有學者提出了應用于磁懸浮軸承的共橋臂拓撲，以通過減少器件數量來降低成本，以及提出了在共橋臂拓撲基礎上進行改進，降低了公共橋臂上電流應力的反向共橋臂拓撲。然而，現有磁懸浮軸承反向共橋臂拓撲中不存在器件冗余，不具備容錯運行能力，開關器件斷路故障發生時會使磁軸承轉子跌落且無法正常工作，不利于磁懸浮軸承的穩定運行。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提供了一種用于磁懸浮軸承的開關斷路故障容錯控制系統，其目的在于通過切換故障橋臂組中導通的橋臂，使故障橋臂組對應方向的電磁力快速恢復至穩定值，避免轉子跌落，且不影響其他方向上的電磁力，提高磁軸承系統的故障冗余能力。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種用于磁懸浮軸承的開關斷路故障容錯控制系統，包括：公共橋臂、N個非公共橋臂組、直流電源和控制單元，N為所述磁懸浮軸承中軸的個數，所述非公共橋臂組與所述軸一一對應；每一所述非公共橋臂組包括兩個并聯的橋臂支路，所述公共橋臂以及每一所述橋臂支路均包括連接在直流電源正、負極之間的上橋臂和下橋臂，每一所述橋臂支路中上橋臂和下橋臂的連接點與所述公共橋臂中上橋臂和下橋臂的連接點之間設置有繞組；所述控制單元用于控制每一所述非公共橋臂組中一橋臂支路的上橋臂和另一橋臂支路的下橋臂導通，并在任一非公共橋臂組中導通的橋臂出現斷路故障時，切斷所述任一非公共橋臂組中導通的橋臂，并控制所述任一非公共橋臂組中一橋臂支路的下橋臂和另一橋臂支路的上橋臂切換至導通狀態。

更進一步地，還包括：采集單元，用于采集每一所述非公共橋臂組中兩個橋臂支路連接的繞組的電流；所述控制單元還用于將每一所述非公共橋臂組中兩個橋臂支路連接的繞組的電流相加，并根據相加結果與預設閾值之間的關系判斷每一所述非公共橋臂組中導通的橋臂是否出現斷路故障。

更進一步地，當所述相加結果小于所述預設閾值時，所述相加結果對應的非公共橋臂組中導通的橋臂出現斷路故障。

更進一步地，所述預設閾值大于0，且小于所述磁懸浮軸承正常工作時各非公共橋臂組對應的相加結果。

更進一步地，所述采集單元用于實時采集每一所述非公共橋臂組中兩個橋臂支路連接的繞組的電流并發送至所述控制單元。