一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路制造技术

本发明专利技术公开了一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路，属于磁悬浮轴承控制领域，该拓扑电路采用两套反向共桥臂拓扑分别控制四自由度磁悬浮轴承的A相绕组与C相绕组，并对桥臂开关器件进行冗余设计。当一套反向共桥臂拓扑的开关器件出现短路故障时，通过调整故障拓扑的绕组电流控制方向，使其仍具备控制偏置电流的能力，另一套反向共桥臂拓扑则同时控制偏置电流与控制电流，使得磁轴承每个自由度的绕组电流仍可以产生稳定的电磁力。该容错拓扑与控制方法可有效防止由于开关短路故障造成绕组电流失控引起的高速转子碰磨的风险，提高了磁悬浮轴承系统的故障容错能力。高了磁悬浮轴承系统的故障容错能力。高了磁悬浮轴承系统的故障容错能力。

【技术实现步骤摘要】
一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路


[0001]本专利技术属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路。

技术介绍

[0002]磁悬浮轴承是一种利用电磁力使转子悬浮的轴承装置，可以实现转子与定子的无接触运行，具有无润滑、无摩擦、工作寿命长等特点，是取代传统机械轴承的一种优良方案。磁悬浮轴承在离心压缩机、高速飞轮、真空分子泵等需要转子高速运行或要求真空洁净环境的场合，应用十分广泛。对于主动磁悬浮轴承系统，主要包括转子、传感器、控制器和功率放大器等部分。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]功率放大器将电流指令转换为绕组的实际电流，从而控制磁轴承的电磁力。如果功率放大器拓扑中的开关器件发生了短路故障，会导致该桥臂电压控制失效，从而使得绕组电流偏离参考值，进一步导致转子位置失稳，造成转子跌落以及系统停机等严重故障。短路故障指的是故障器件保持短路状态，此时开关器件一直处于导通状态，绕组电流会迅速上升。
[0004]而现有的应用于磁悬浮轴承功率放大器的容错拓扑，例如申请号为CN202110305579.2的中国专利，公开了一种用于磁悬浮轴承开关断路故障容错控制系统，其只能解决开关器件发生断路故障时的容错问题，对于开关器件的短路故障则无法应对。

技术实现思路

[0005]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四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路，其目的在于利用拓扑的冗余器件，通过切换拓扑的工作模式，使得故障拓扑所控制的绕组电流能迅速恢复稳定值，以实现功率放大器的开关器件在发生短路故障时，转子仍能稳定悬浮，避免造成转子跌落以及系统停机等严重故障。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路，包括：
[0007]第一容错拓扑D1，包括绕组A1‑
A4、第一、第二非公共桥臂组B1与B2、B3与B4、公共桥臂B5；
[0008]第二容错拓扑D2，包括绕组C1‑
C4、第三、第四非公共桥臂组B6与B7、B8与B9、公共桥臂B
10
；
[0009]其中，B1‑
B4的中点分别与A1‑
A4的一端一一对应连接，A1‑
A4的另一端均连接至B5的中点；B6‑
B9的中点分别与C1‑
C4的一端一一对应连接，C1‑
C4的另一端均连接至B
10
的中点；绕组组合A1与C1、A2与C2分别用于控制第一磁悬浮轴承的两个自由度的电磁力，绕组组合A3与C3，A4与C4分别用于控制第二磁悬浮轴承的两个自由度的电磁力；各桥臂的上节点和下节点均分别与直流电源的正极和负极连接，且其上桥臂和下桥臂均包括可控开关和与所述可控
开关反并联的单向导通器件；
[0010]所述第一、第二容错拓扑均包括正常模式和故障模式；在正常模式下，对于任一非公共桥臂B
j
，其上桥臂和下桥臂的可控开关交替处于工作状态；第一、第三非公共桥臂组中各桥臂的上桥臂的可控开关工作状态相同，第二、第四非公共桥臂组中各桥臂的上桥臂的可控开关工作状态相同并与第一、第三非公共桥臂组中各桥臂的上桥臂的可控开关工作状态相反，各容错拓扑所控制绕组的参考电流均来自偏置电流与控制电流；在任一容错拓扑D
i
的任一非公共桥臂B
j
的上桥臂或下桥臂可控开关发生短路故障时，D
i
切换至故障模式，D
i
的其它非公共桥臂的上桥臂或下桥臂可控开关均保持断开状态，与B
j
同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，D
i
控制的绕组的参考电流为恒定偏置电流。
[0011]按照本专利技术的第二方面，提供了一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法，应用于如第一方面所述的拓扑电路，包括：
[0012]S101，实时检测A1‑
A4、C1‑
C4的电流，分别计算绕组组合A1与C1、A2与C2、A3与C3、A4与C4的电流绝对值之和；
[0013]S102，判断是否有绕组组合的电流绝对值之和大于第一阈值T，若是则进入S103，否则返回S101；其中，T＝2I+k，I为任一绕组的偏置电流，k为裕量；
[0014]S103，根据各绕组的电流控制器的调制比变化量定位故障桥臂，所述故障桥臂为发生短路故障的可控开关所在的桥臂；
[0015]S104，将故障桥臂所在的容错拓扑D
i
由正常模式切换至故障模式，使D
i
的其它非公共桥臂的上桥臂或下桥臂可控开关均保持断开状态，令与B
j
同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，并将D
i
控制的绕组的参考电流设定为恒定偏置电流。
[0016]按照本专利技术的第三方面，提供了一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错控制系统，其特征在于，包括：如第一方面所述的拓扑电路、故障检测模块、PWM信号切换模块及故障模式电流控制器；
[0017]所述故障检测模块用于实时检测A1‑
A4、C1‑
C4的电流，分别计算绕组组合A1与C1、A2与C2、A3与C3、A4与C4的电流绝对值之和；在任一绕组组合的电流绝对值之和大于第一阈值T时，根据各绕组的电流控制器的调制比变化量定位故障桥臂，并将其通过容错指令发送至所述PWM信号切换模块及故障模式电流控制器；其中，所述故障桥臂为发生短路故障的可控开关所在的桥臂，T＝2I+k，I为任一绕组的偏置电流，k为裕量；
[0018]所述PWM信号切换模块用于根据所述容错指令确定需切换至故障模式的容错拓扑D
i
，并通过驱动信号使D
i
的其它非公共桥臂的上桥臂或下桥臂可控开关均保持断开状态；
[0019]所述故障模式电流控制器用于根据所述容错指令控制与B
j
同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，并将D
i
控制的绕组的参考电流设定为恒定偏置电流。
[0020]按照本专利技术的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如第一方面所述的方法。
[0021]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，能够取得下列有益效果：
[0022]1、本专利技术提供的四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路，采用两套反向共桥臂拓扑分别控制四自由度磁悬浮轴承的A相绕组与C相绕组，并对桥臂开关器件进行冗余设计。当一套反向共桥臂拓扑的开关器件出现短路故障时，通过调整故障拓扑的绕组电流
控制方向，使其仍具备控制偏置电流的能力，另一套反向共桥臂拓扑则同时控制偏置电流与控制电流，使得磁轴承每个自由度的绕组电流仍可以产生稳定的电磁力。对于一个四自由度的磁悬浮轴承的8个绕组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路，其特征在于，包括：第一容错拓扑D1，包括绕组A1‑
A4、第一、第二非公共桥臂组B1与B2、B3与B4、公共桥臂B5；第二容错拓扑D2，包括绕组C1‑
C4、第三、第四非公共桥臂组B6与B7、B8与B9、公共桥臂B
10
；其中，B1‑
B4的中点分别与A1‑
A4的一端一一对应连接，A1‑
A4的另一端均连接至B5的中点；B6‑
B9的中点分别与C1‑
C4的一端一一对应连接，C1‑
C4的另一端均连接至B
10
的中点；绕组组合A1与C1、A2与C2分别用于控制第一磁悬浮轴承的两个自由度的电磁力，绕组组合A3与C3，A4与C4分别用于控制第二磁悬浮轴承的两个自由度的电磁力；各桥臂的上节点和下节点均分别与直流电源的正极和负极连接，且其上桥臂和下桥臂均包括可控开关和与所述可控开关反并联的单向导通器件；所述第一、第二容错拓扑均包括正常模式和故障模式；在正常模式下，对于任一非公共桥臂B
j
，其上桥臂和下桥臂的可控开关交替处于工作状态；第一、第三非公共桥臂组中各桥臂的上桥臂的可控开关工作状态相同，第二、第四非公共桥臂组中各桥臂的上桥臂的可控开关工作状态相同并与第一、第三非公共桥臂组中各桥臂的上桥臂的可控开关工作状态相反，各容错拓扑所控制绕组的参考电流均来自偏置电流与控制电流；在任一容错拓扑D
i
的任一非公共桥臂B
j
的上桥臂或下桥臂可控开关发生短路故障时，D
i
切换至故障模式，D
i
的其它非公共桥臂的上桥臂或下桥臂可控开关均保持断开状态，与B
j
同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，D
i
控制的绕组的参考电流为恒定偏置电流。2.如权利要求1所述的拓扑电路，其特征在于，所述可控开关为功率半导体开关器件；所述单向导通器件为二极管。3.如权利要求2所述的拓扑电路，其特征在于，所述可控开关为功率半导体开关器件为绝缘栅双极晶体管或场效应晶体管。4.一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法，应用于如权利要求1
‑
3任一项所述的拓扑电路，其特征在于，包括：S10...

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