磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统及方法

技术领域

本发明属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及一种磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统及方法。

背景技术

磁悬浮轴承是一种利用电磁力使转子悬浮的轴承装置，可以取代传统机械轴承，实现转子与定子的无接触运行。其转子和定子之间没有机械接触，具有不需要润滑、无摩擦、工作寿命长等特点。在转子需要进行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。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。

断路故障指的是故障器件保持断路状态，此时该器件的流通电流大小始终为零。磁悬浮功率放大器中，如果开关器件发生了断路故障，会导致该桥臂电压控制失效，从而导致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。

而现有的应用于磁悬浮轴承的串联控制器，其减少了器件数量，且保证了电压利用率。其中各个桥臂只用了一半的器件，器件数量不存在冗余，因而无法实现容错运行。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统及方法，其目的在于解决现有的串联绕组控制器不具备在发生开关断路故障时容错运行能力的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明的提供了一种磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统，包括：2N个绕组、2N+1个桥臂和1个直流电压源；其中，各绕组相互串联；各桥臂的上端均与直流电压源的正极连接，各桥臂的下端均与直流电压源的负极连接；

第一个桥臂和第2N+1个桥臂为非公共桥臂，第i个桥臂为公共桥臂，i＝2,3,…,2N；具体为，第一个桥臂的输出节点与第一个绕组的第一端连接；第i个桥臂的输出节点与第i-1个绕组的第二端连接；第i个桥臂的输出节点与第i个绕组的第一端连接；第2N+1个桥臂的输出节点与第2N个绕组的第二端连接；

各桥臂均包括一个上桥臂和一个下桥臂，上桥臂和下桥臂均包括一个开关器件和一个与该开关器件反并联的单向导通器件。

进一步优选地，上述开关器件为全控型开关器件，包括绝缘栅双极晶体管；上述单向导通器件为二极管。

进一步优选地，上述磁轴承串联绕组控制器用于实现N轴磁悬浮；其中，2N个绕组两两分成一组，共有N组；一组绕组对应控制一轴磁悬浮轴承；控制变量为各组绕组的共模电流和差模电流。

第二方面，本发明提供了一种上述开关断路故障容错系统的容错方法，包括以下步骤：

S1、对各绕组上的电流进行实时检测，并基于所检测到的绕组电流对各桥臂进行判断，确定故障桥臂；

S2、通过检测绕组中共模电流方向，基于共模电流的方向变化，对故障桥臂中各开关器件进行断路故障判断，确定故障开关器件的位置；

S3、若第一个桥臂的上桥臂开关器件断路、第j个桥臂的上或下桥臂开关器件断路或者第2N+1个桥臂的下桥臂开关器件断路，则对各绕组电流方向进行切换，使故障开关器件不工作，利用其他正常器件实现各绕组电流的控制，使系统在容错工况下继续运行，保证磁悬浮轴承转子依然可以正常悬浮；j∈{2,3,…,2N}。

进一步优选地，基于所检测到的绕组电流对各桥臂进行判断的方法，包括：

若第一个绕组上的电流大于预设第一电流阈值且小于预设第二电流阈值的保持时间大于预设保持时间，则判定第一个桥臂发生故障；

若第i-1个绕组上的电流与第i个绕组上的电流之差大于预设第一电流阈值且小于预设第二电流阈值的保持时间大于预设保持时间，则判定第i个桥臂发生故障；i＝2,3,…,2N；

若第2N个绕组上的电流大于预设第一电流阈值且小于预设第二电流阈值的保持时间大于预设保持时间，则判定第2N+1个桥臂发生故障。

进一步优选地，上述预设第一电流阈值小于0，上述预设第二电流阈值大于0；上述预设第一电流阈值和预设第二电流阈值根据磁轴承串联绕组控制器所在的磁悬浮轴承控制系统确定。

进一步优选地，上述预设第一电流阈值I

进一步优选地，上述预设保持时间为k

进一步优选地，对各绕组电流方向进行切换的方法包括：

若第一个桥臂的上桥臂开关器件断路，则将所有绕组的电流方向反向；

若第j个桥臂的上桥臂开关器件断路，则将第j个绕组至第2N个绕组的电流反向；

若第j个桥臂的下桥臂开关器件断路，则将第一个绕组至第j个绕组的电流反向；

若第2N+1个桥臂的下桥臂开关器件断路，将所有绕组的电流方向反向。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供了一种磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统，由于磁轴承串联绕组控制器中，开关器件断路故障发生时绕组电流会显著偏离参考值，电流控制失效，磁轴承转子跌落且无法正常工作。本发明采用串联绕组拓扑作为磁悬浮轴承控制器的绕组拓扑，每个开关元件都有独立的分块，单个开关元件故障并不会影响其它元件，同时对单独放置的二极管也没有太大影响，故在本发明所提供的容错系统中，当单个开关元件故障时，仍可利用其它剩余开关元件来实现磁悬浮轴承系统的稳定控制，在正常工作模式和容错工作模式中平滑切换，保证转子不发生跌落；在发生开关器件断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冗余能力。

2、本发明所提供的磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统，对于一个N轴磁悬浮轴承的2N个绕组，只需要2N+1个桥臂进行控制，可以实现多自由度串联绕组控制器开关断路的故障容错。

3、本发明提供了一种磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统的容错方法，在系统正常运行时对各绕组电流进行实时测量，当出现开关器件断路故障时，通过对各绕组电流的值进行判断，识别故障相及发生断路故障的开关器件。通过调整绕组电流的方向，使系统对绕组电流幅值大小的控制不受影响，实现开关断路故障的容错控制。该系统在不同位置的开关器件发生断路时，可以采取不同的容错拓扑保证绕组电流大小依然可控，保持转子的正常悬浮，避免因转子跌落而造成磁悬浮轴承系统停机的严重故障。该方法能够有效防止开关断路故障时磁轴承系统失去稳定，避免转子跌落，实现磁悬浮轴承系统的容错运行，具有很好的实际应用价值。

4、本发明所提供的磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统的容错方法，基于主动磁悬浮轴承中绕组电流单向流动的特性，以及串联绕组拓扑中器件的冗余，在某个开关器件发生断路故障时，可以通过改变绕组电流方向的方式，使故障开关管不参与电流控制，进而使串联绕组控制器在容错工作模式下继续运行，容错工作模式下电流控制效果与正常工作模式下一致，该方案有效提高了磁悬浮轴承中电流控制器的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的八极径向磁轴承结构示意图；

图2是本发明实施例1所提供的磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统结构示意图；

图3是本发明实施例2所提供的开关断路故障容错系统的容错方法流程图；

图4是本发明实施例2所提供的磁轴承串联绕组控制器各种工作模式的拓扑图；其中，(a)为磁轴承串联绕组控制器正常工作模式下的电路拓扑图；(b)为第三桥臂的上桥臂开关管发生断路故障后磁轴承串联绕组控制器容错工作模式下的拓扑图；(c)为第二桥臂的上桥臂开关管发生断路故障后磁轴承串联绕组控制器容错工作模式下的拓扑图；(d)为第一桥臂的上桥臂开关管或第五桥臂的下桥臂开关管发生断路故障后磁轴承串联绕组控制器容错工作模式下的拓扑图；

图5是本发明实施例2所提供的磁轴承串联绕组控制器开关断路容错系统框图；

图6是本发明实施例2所提供的磁轴承容错系统从正常工作模式切换到容错工作模式时转子位置的波形图。

具体实施方式

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了实现上述目的，第一方面，本发明的提供了一种磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统，包括：2N个绕组、2N+1个桥臂和1个直流电压源；其中，各绕组相互串联；各桥臂的上端均与直流电压源的正极连接，各桥臂的下端均与直流电压源的负极连接；

第一个桥臂和第2N+1个桥臂为非公共桥臂，第i个桥臂为公共桥臂，i＝2,3,…,2N；具体为，第一个桥臂的输出节点与第一个绕组的第一端连接；第i个桥臂的输出节点与第i-1个绕组的第二端连接；第i个桥臂的输出节点与第i个绕组的第一端连接；第2N+1个桥臂的输出节点与第2N个绕组的第二端连接；

各桥臂均包括一个上桥臂和一个下桥臂，上桥臂和下桥臂均包括一个开关器件和一个与该开关器件反并联的单向导通器件。优选地，上述开关器件为全控型开关器件，包括绝缘栅双极晶体管；上述单向导通器件为二极管。

上述磁轴承串联绕组控制器用于实现N轴磁悬浮；其中，2N个绕组两两分成一组，共有N组；一组绕组对应控制一轴磁悬浮轴承；控制变量为各组绕组的共模电流和差模电流。当磁轴承串联绕组控制器正常工作时，各绕组中的电流方向均为由绕组的第一端流向绕组的第二端。当开关器件发生断路故障时，会对绕组电流控制产生影响，进而导致磁悬浮轴承转子位置失去稳定。

第二方面，本发明提供了一种上述开关断路故障容错系统的容错方法，包括以下步骤：

S1、对各绕组上的电流进行实时检测，并基于所检测到的绕组电流对各桥臂进行判断，确定故障桥臂；具体包括：

若第一个绕组上的电流大于预设第一电流阈值且小于预设第二电流阈值的保持时间大于预设保持时间，则判定第一个桥臂发生故障；

若第i-1个绕组上的电流与第i个绕组上的电流之差大于预设第一电流阈值且小于预设第二电流阈值的保持时间大于预设保持时间，则判定第i个桥臂发生故障；

若第2N个绕组上的电流大于预设第一电流阈值且小于预设第二电流阈值的保持时间大于预设保持时间，则判定第2N+1个桥臂发生故障；

S2、通过检测绕组中共模电流方向，基于共模电流的方向变化，对故障桥臂中各开关器件进行断路故障判断，确定故障开关器件的位置；

S3、若第一个桥臂的上桥臂开关器件断路、第j个桥臂的上或下桥臂开关器件断路或者第2N+1个桥臂的下桥臂开关器件断路，则对各绕组电流方向进行切换，使故障开关器件不工作，利用其他正常器件实现各绕组电流的控制，使系统在容错工况下继续运行，保证磁悬浮轴承转子依然可以正常悬浮；j∈{2,3,…,2N}。其中，对各绕组电流方向进行切换的方法包括：

若第一个桥臂的上桥臂开关器件断路，则将所有绕组的电流方向反向；

若第j个桥臂的上桥臂开关器件断路，则将第j个绕组至第2N个绕组的电流反向；

若第j个桥臂的下桥臂开关器件断路，则将第一个绕组至第j个绕组的电流反向；

若第2N+1个桥臂的下桥臂开关器件断路，将所有绕组的电流方向反向。

需要说明的是，处于第一电流阈值和第二电流阈值之间的电流为取值在0附近的电流。具体的，上述预设第一电流阈值略小于0，上述预设第二电流阈值略大于0；预设第一电流阈值和预设第二电流阈值的具体取值根据磁轴承串联绕组控制器所在的磁悬浮轴承控制系统确定。优选地，上述预设第一电流阈值I

为了进一步说明本发明所提供的磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统及方法，下面以双轴磁悬浮轴承进行悬浮(N＝2)为例进行详述：

如图1所示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F

实施例1、

一种应用于磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统，如图2所示，包括：5个桥臂、4个绕组和1个直流电压源；

上述5个桥臂包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂和第五桥臂；

上述4个绕组包括绕组A1、绕组A2、绕组A3和绕组A4；

第一桥臂的输出节点与绕组A1的第一端连接，第二桥臂的输出节点与绕组A1的第二端连接；第二桥臂的输出节点与绕组A2的第一端连接，第三桥臂的输出节点与绕组A2的第二端连接；第三桥臂的输出节点与绕组A3的第一端连接，第四桥臂的输出节点与绕组A3的第二端连接；第四桥臂的输出节点与绕组A4的第一端连接，第五桥臂的输出节点与绕组A4的第二端连接；

各桥臂均包括一个上桥臂和一个下桥臂，上桥臂和下桥臂均包括一个开关器件和一个与该开关器件反并联的单向导通器件；本实施例中，开关器件为全控型开关器件，包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)；单向导通器件为二极管；

第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂和第五桥臂的上端均与直流电压源的正极连接，下端均与直流电压源的负极连接。

上述磁轴承串联绕组控制器可以实现磁悬浮轴承的双轴悬浮，其中绕组A1和绕组A3控制其中一轴，绕组A2和绕组A4控制另一轴，控制变量包括绕组A1和绕组A3的共模电流、绕组A1和绕组A3的差模电流、绕组A2和绕组A4的共模电流、绕组A2和绕组A4的差模电流；其中，绕组A1和绕组A3的差模电流控制磁悬浮轴承中一轴的位置；绕组A2和绕组A4的差模电流控制磁悬浮轴承中另一轴的位置。

具体的，当上述磁轴承串联绕组控制器正常工作时，绕组A1、绕组A2、绕组A3和绕组A4中的电流方向均为由绕组的第一端流向绕组第二端；

上述磁轴承串联绕组控制器中的5个桥臂包括2个非共用桥臂和3个共用桥臂；其中，第一桥臂和第五桥臂为非公共桥臂；第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂为公共桥臂。

实施例2、

一种实施例1所述开关断路故障容错系统的容错方法，如图3所示，包括：

S1、对各绕组上的电流进行实时检测，并基于所检测到的绕组电流对各桥臂进行判断，确定故障桥臂；

需要说明书的是，当实施例1中所述开关断路故障容错系统中各个开关器件发生断路故障时，会对绕组电流控制产生影响，进而导致磁悬浮轴承转子位置失去稳定；开关器件断路时的具体现象包括：

(1)第一桥臂上桥臂开关断路后，绕组A1电流无法上升，使绕组A1电流减小为0，其他绕组电流不受影响；第一桥臂下桥臂开关断路后，正常工作情况下各绕组电流不受影响；

(2)3个公共桥臂(第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂)中任何一个桥臂的上桥臂开关断路后，右侧绕组电流将会小于等于左侧绕组电流，控制中需要右侧绕组电流大于左侧绕组电流时，两绕组电流会保持相等，其他绕组电流不受影响；3个公共桥臂中任何一个桥臂的下桥臂开关断路后，右侧绕组电流将会大于等于左侧绕组电流，控制中需要右侧绕组电流小于左侧绕组电流时，两绕组电流会保持相等，其他绕组电流不受影响；

(3)第五桥臂上桥臂开关断路后，正常工作情况下各绕组电流不受影响；第五桥臂下桥臂开关断路后，绕组A4电流无法上升，使绕组A5电流减小为0，其他绕组电流不受影响；

根据各个开关器件发生断路故障时产生的绕组电流变化不同，可以对故障开关器件进行识别。

故上述基于所检测到的绕组电流对各桥臂进行判断的方法，具体包括：

若绕组A1上的电流大于预设第一电流阈值且小于预设第二电流阈值的保持时间大于预设保持时间，则判定第一个桥臂发生故障；

若绕组A1电流与绕组A2电流之差大于预设第一电流阈值且小于预设第二电流阈值的保持时间大于预设保持时间，则判定第二桥臂发生故障；

若绕组A2电流与绕组A3电流之差大于预设第一电流阈值且小于预设第二电流阈值的保持时间大于预设保持时间，则判定第三桥臂发生故障；

若绕组A3电流与绕组A4电流之差大于预设第一电流阈值且小于预设第二电流阈值的保持时间大于预设保持时间，则判定第四桥臂发生故障；

若绕组A4电流大于预设第一电流阈值且小于预设第二电流阈值的保持时间大于预设保持时间，则判定第五桥臂发生故障；

本实施例中，上述预设第一电流阈值取值为-0.5A，预设第二电流阈值为0.5A。上述预设保持时间为k

S2、通过检测绕组中共模电流方向，基于共模电流的方向变化，对故障桥臂中各开关器件进行断路故障判断，确定故障开关器件的位置；

具体的，在磁悬浮轴承控制器正常工作时，绕组A1和绕组A3的共模电流以及绕组A2和绕组A4的共模电流保持不变；当开关断路故障发生时，所述共模电流会由于控制失效而产生变化，在各个桥臂中，上桥臂开关器件和下桥臂开关器件发生断路故障时，会导致共模电流的变化方向不同，根据共模电流的变化方向可以对故障桥臂中的故障开关器件进行判断。

S3、若第一桥臂的上桥臂开关器件断路、任意公共桥臂(第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂)的上或下桥臂开关器件断路或者第五桥臂的下桥臂开关器件断路，则对各绕组电流方向进行切换，使故障开关器件不工作，利用其他正常器件实现各绕组电流的控制，使系统在容错工况下继续运行，保证磁悬浮轴承转子依然可以正常悬浮。

具体的，图4所示为磁轴承串联绕组控制器各种工作模式的拓扑图。其中，图(a)为磁轴承串联绕组控制器正常工作模式下的电路拓扑，四个绕组的电流方向均为从左到右，该情况下第一桥臂的下桥臂开关管和第五桥臂的上桥臂开关管保持断开状态，没有参与电流控制。图(b)-(d)为3种典型的断路故障发生时的容错工作模式拓扑图；具体的，图(b)为第三桥臂的上桥臂开关管发生断路故障后磁轴承串联绕组控制器容错工作模式下的拓扑图，此时绕组A1和绕组A2电流方向从左到右，绕组A3和绕组A4电流方向从右到左，此时第三桥臂的上桥臂开关管不参与电流控制，可以实现容错运行。图(c)为第二桥臂的上桥臂开关管发生断路故障后磁轴承串联绕组控制器容错工作模式下的拓扑图，此时绕组A1电流方向从左到右，绕组A2、绕组A3和绕组A4电流方向从右到左，此时第二桥臂的上桥臂开关管不参与电流控制，可以实现容错运行。图(d)为第一桥臂的上桥臂开关管或第五桥臂的下桥臂开关管发生断路故障后磁轴承串联绕组控制器容错工作模式下的拓扑图，此时四个绕组电流方向均为从右到左，故障开关管不参与电流控制，可以实现容错运行。

基于上述分析，对绕组电流方向进行切换的方法，包括：

(1)检测到第一桥臂的上桥臂开关器件断路时，将所有绕组的电流方向反向；

(2)检测到任意公共桥臂(第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂)的上桥臂开关器件断路时，将该桥臂右侧的所有绕组电流反向；

(3)检测到任意公共桥臂(第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂)的下桥臂开关器件断路时，将该桥臂左侧的所有绕组电流反向；

(4)检测到第五桥臂的下桥臂开关器件断路时，将所有绕组的电流方向反向；

需要说明的是，发生开关断路故障后，故障桥臂输出端的电流方向受限制，当上桥臂开关故障时，当前桥臂输出端只能控制电流的正常流入，当下桥臂开关故障时，当前桥臂输出端只能控制电流的正常流出，故对电流方向进行切换后，可以利用故障桥臂仍可对单向电流正常控制的性质来保证绕组电流控制不失效。因此，根据上述绕组电流方向调整方法，可以使系统可以在容错工况下继续运行，保证磁悬浮轴承转子依然可以正常悬浮。

综上，本实施例在系统正常运行时对电流进行实时检测，检测电流包括绕组A1电流、绕组A1电流与绕组A2电流之差、绕组A2电流与绕组A3电流之差、绕组A3电流与绕组A4电流之差、绕组A5电流。检测到上述电流在一定时间内保持为0附近时，则说明电流控制出现异常，此时根据异常电流对故障桥臂进行判断，随后通过检测绕组中共模电流的变化来对故障开关管进行判断。确定故障开关管后，通过改变绕组电流方向的方式，使故障开关管不参与电流控制，切换到容错工作模式，继续维持磁悬浮轴承系统中转子的悬浮。

具体的，记上述第一桥臂输出端的平均电压为u

记绕组A1、绕组A2、绕组A3和绕组A4的阻抗均为Z

记绕组A1中流过的电流为i

当控制器正常工作时，绕组A1、绕组A2、绕组A3和绕组A4中的电流方向均为由绕组第一端流向绕组第二端；

绕组A1、绕组A2、绕组A3和绕组A4中的电流大小可以表示为：

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。

如图5所示为磁轴承串联绕组控制器开关断路容错系统框图。磁悬浮轴承的电流控制流程为，系统接收到参考电流指令后，将参考电流值与实际电流值比较，将误差值输入至电流调节器(PI调节器)，电流调节器给出各个轴的参考电压指令，经变换矩阵转换为各个桥臂的占空比信号，再由载波比较的方法产生实际PWM信号输入到各个开关器件，控制各个绕组的实际电流，以此调节磁悬浮轴承各个方向的电磁力，实现转子的悬浮。电流检测模块检测各个绕组电流，将实际电流反馈到控制器中，并通过故障识别算法，实时检测串联绕组控制器的工作状态，检测到开关断路故障时，则通过调整控制器中变换矩阵的方式改变绕组中电流的方向，使系统在容错工作模式下继续运行。

图6为磁轴承容错系统从正常工作模式切换到容错工作模式时转子位置的波形图。最开始转子落在保护轴承上，以正常工作模式进行转子起浮，经过一定时间的暂态过程后，转子保持稳定悬浮。在0.2s时刻第三桥臂的上桥臂开关管发生断路故障，绕组电流控制失效，转子位置发生变化，系统监测到故障电流后，立刻切换到容错工作模式，转子位置经过一定时间的暂态过程后继续保持稳定悬浮。

本发明利用了主动磁悬浮轴承中绕组电流单向流动的特性，以及串联绕组拓扑中器件的冗余，在某个开关器件发生断路故障时，可以通过改变绕组电流方向的方式，使故障开关管不参与电流控制，进而使串联绕组控制器在容错工作模式下继续运行，容错工作模式下电流控制效果与正常工作模式下一致，该方案有效提高了磁悬浮轴承中电流控制器的鲁棒性。

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。