一种用于磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法及系统，属于磁悬浮轴承控制领域。N轴磁悬浮轴承包含2N个H半桥驱动拓扑，2N个绕组和1个直流电压源。在系统正常运行时对各绕组电流及电流环输出的调制波值进行实时监测，当出现开关器件短路故障时，通过对各绕组电流的值及对应电流环输出的调制波值进行判断，识别发生短路故障的开关器件。通过引入磁悬浮轴承电磁力的物理模型，实现对应绕组电流的重新分配，重构所需的电磁力，保证转子的正常悬浮，避免因转子跌落造成系统停机等严重故障。该方法能够有效防止开关短路故障时磁悬浮轴承系统失稳，避免转子跌落，使磁悬浮轴承系统具备开关短路容错运行的能力，有效提升系统可靠性。系统可靠性。系统可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法及系统


[0001]本专利技术属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及一种用于磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法及系统。

技术介绍

[0002]磁悬浮轴承是典型的机电一体化系统，是将磁极通以电流产生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，实现转子与磁极之间的无接触运行，其具有不需要润滑、无摩擦、工作寿命长等特点，故而在一些高转速场合很受青睐。磁悬浮轴承的应用十分广泛，适用于飞轮储能、压缩机、鼓风机等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。主动磁悬浮轴承系统中的功率放大器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。
[0003]在功率放大器中，最为常见的电路拓扑为H半桥控制拓扑，其元器件数量多，潜在的故障点较多，在高载荷，高动态，强干扰的环境下，极易发生短路故障。磁悬浮轴承的功率放大器中，如果开关器件发生短路故障，会导致桥臂中点电压控制失效，从而使绕组电流偏离指令值，使得转子位置失稳，严重将会造成器件严重过流，高速转子与保护轴承之间来回碰撞等严重后果。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种用于磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法及系统，其目的在于提供一种磁悬浮轴承控制器面临开关短路故障情况下的容错控制方法，以解决现有控制器不具备在发生开关短路故障时容错运行能力的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种用于磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法，磁悬浮轴承包括：2N个H半桥驱动拓扑，2N个绕组和1个直流电压源；
[0006]所述每个H半桥驱动拓扑包含两个桥臂，共同实现1个绕组的驱动控制，由上述2个绕组来共同实现一轴的控制。绕组两端各接一个桥臂；绕组接的两个桥臂，一个桥臂上端为开关器件，下端为单极性导通器件，另一个桥臂上端为单极性导通器件，下端为开关器件。桥臂的上端与所述直流电压源的正极连接，桥臂的下端与所述直流电压源的负极连接。
[0007]所述磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法包括以下步骤：
[0008](1)在磁悬浮轴承正常工作时，实时监测各绕组上的电流，基于所监测到的电流进行故障判断，将故障定位到控制某一轴的绕组出故障；
[0009](2)在磁悬浮轴承正常工作时，实时监测故障轴各绕组上的电流环控制器输出的调制波，基于所监测到的调制波进行故障判断，将故障定位到某个H半桥中；
[0010](3)确定出短路故障后，更换该H半桥拓扑的开关管调制策略，此外，固定该故障拓扑控制的绕组电流为一恒定值，根据磁悬浮轴承的电磁力模型，确定出对应轴的另一绕组的电流控制指令，实现磁悬浮轴承的电磁力重构，保证磁悬浮轴承转子依然可以正常悬浮。
[0011]进一步优选地，所述给予监测到的绕组电流进行故障判断的方法，设定每轴两个绕组电流之和的阈值，阈值应大于正常工作情况下两个绕组电流之和。在磁悬浮轴承工作时，实时监测各个轴对应的两个绕组电流之和，并与阈值进行比较，当发生开关器件短路故障时，对应该轴两个绕组电流之和将会迅速增大并大于设定的阈值。
[0012]进一步优选地，所述给予监测到各绕组的电流环控制器输出的调制波进行故障判断的方法，设定绕组的电流环控制器输出的调制波阈值。在磁悬浮轴承工作时，实时监测每个绕组的电流环输出的调制波值，并与阈值进行比较，当发生开关器件短路故障时，对应的绕组的电流环输出的调制波值会迅速增小并明显低于设定的阈值。
[0013]进一步优选地，所述更换出现短路故障的H半桥的调制策略，发生短路故障后，由绕组的电流环输出的调制波生成H半桥两个桥臂的调制波的对应关系需要更换。在正常模式下，如果绕组的电流环输出的调制波为u，H半桥拓扑中上管为开关管的桥臂调制波设定为0.5+0.5u，H半桥拓扑中下管为开关管的桥臂调制波设定为0.5
‑
0.5u。在发生短路故障情况下，H半桥拓扑中两桥臂的调制波均设定为1
‑
u。
[0014]进一步优选地，所述根据磁悬浮轴承的电磁力模型，固定该故障拓扑控制的绕组电流为一恒定值，确定出对应正常H半桥控制的另一绕组电流的控制指令，根据磁悬浮轴承的电磁力模型，固定该故障拓扑控制的绕组电流为一恒定值，确定出对应正常H半桥控制的另一绕组电流的控制指令，根据磁悬浮轴承一轴下的两个绕组产生电磁力的原理，在正常情况下，该轴的第一个和第二个绕组电流为i
aref
和i
cref
，正常工况下两电流之和为两倍的系统预设偏置电流，即i
aref
+i
cref
＝2I
bias
。其对应的电磁力为其中s1，s2分别为转子到两磁极的距离，k
mag
为与电磁力相关的常数。在H半桥拓扑发生短路故障后，其驱动绕组动态响应的能力显著降低。故而一般将该绕组控制为恒定偏置电流I
bias
(也可控制为其他值)，根据原有电磁力公式推算出对应绕组通以电流的大小i
new
。若控制第一个绕组的H半桥拓扑出现短路故障，则i
new
需满足若控制第二个绕组的H半桥拓扑出现短路故障，则i
new
需满足
[0015]进一步优选地，所述的电磁力模型，转子分别到两磁极之间的距离s1，s2由对应的位移传感器经过线性运算得到。
[0016]进一步优选地，所述开关器件为全控型开关器件，包括绝缘栅双极晶体管；所述单向导通器件为二极管。
[0017]本专利技术还提供了用于磁悬浮轴承的开关短路容错控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0018]所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0019]所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的用于磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法。
[0020]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的一种用于磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法及系统，实时监测控制器的运行情况来判断是否发生短路故障。在面对短路故障下，采用更改调制波的策略与电磁力重构的思路来实现对转子的稳态悬浮，保证转子不会因失控碰撞到保护轴承上。对于磁悬浮轴承系统而言，在发生开关器件短路故障时可以在容错工作模式下保证系统不停机运行，有效提高了磁悬浮轴承系统的故障应对能力。
附图说明
[0021]图1是本专利技术提供的八极径向磁悬浮轴承结构及其控制器发生开关短路故障示意图；
[0022]图2是本专利技术提供的控制器短路故障检测流程图；
[0023]图3是本专利技术提供的H半桥发生短路故障前后桥臂调制波生成的示意图；
[0024]图4是本专利技术提供的H半桥正常模式与短路故障后容错模式的位移
‑
电流控制示意图；
[0025]图5是本专利技术提供的H半桥发生短路故障前后两绕组的电流示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法，所述磁悬浮轴承包括2N个H半桥驱动拓扑，2N个绕组和1个直流电压源；所述每个H半桥驱动拓扑用于驱动控制对应的1个绕组，沿轴线分布的2个绕组共同实现一轴的控制；所述述每个H半桥驱动拓扑包含两个桥臂，分别连接在对应绕组的两端，一个桥臂上端为开关器件，下端为单极性导通器件，另一个桥臂上端为单极性导通器件，下端为开关器件，所有桥臂的上端与所述直流电压源的正极连接，桥臂的下端与所述直流电压源的负极连接；其特征在于，控制方法包括以下步骤：(1)在磁悬浮轴承工作时，实时监测各绕组上的电流，基于所监测到的电流进行故障判断，将故障定位到控制某一轴的绕组出故障；(2)实时监测故障轴各绕组上的电流环控制器输出的调制波，基于所监测到的调制波进行故障判断，将故障定位到某个H半桥中；(3)确定出短路故障后，更换该H半桥拓扑的开关管调制策略，此外，固定该故障H半桥拓扑控制的绕组电流为一恒定值，根据磁悬浮轴承的电磁力模型，确定出对应轴的另一绕组的电流控制指令，实现磁悬浮轴承的电磁力重构，保证磁悬浮轴承转子正常悬浮。2.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，所述基于所监测到的绕组电流进行故障判断，包括：设定每轴两个绕组电流之和的阈值，阈值应大于正常工作情况下两个绕组电流之和；在磁悬浮轴承工作时，实时监测各个轴对应的两个绕组电流之和，并与阈值进行比较，当发生开关器件短路故障时，对应该轴两个绕组电流之和将会迅速增大并大于设定的阈值。3.根据权利要求2所述的容错控制方法，其特征在于，所述基于所监测到的调制波进行故障判断，包括：设定绕组的电流环控制器输出的调制波阈值；在磁悬浮轴承工作时，实时监测每个绕组的电流环输出的调制波值，并与阈值进行比较，当发生开关器件短路故障时，对应的绕组的电流环输出的调制波...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋栋，帅逸轩，胡烽，刘自程，周鸣曲，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：