CN113107975A - 用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位、容错方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位、容错方法和系统，属于磁悬浮轴承容错控制领域。本发明提供的绕组控制器断路故障定位、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，以及三相全桥拓扑中器件的冗余，在某个开关器件发生断路故障时，可以及时判断故障的发生以及定位故障开关器件，并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，进而使单自由度两个绕组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，并可以应用至磁悬浮轴承全部自由度，有效提高了磁悬浮轴承中电流控制器的鲁棒性。

Description

用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位、容错方法和系统
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承容错控制领域，更具体地，涉及一种用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位、容错方法和系统。
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，在储能飞轮、航空设备等领域，转子需要进行高速、超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。对于主动式磁悬浮轴承系统，主要包括转子、传感器、控制器和电磁执行器等部分，其中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。这对磁悬浮轴承系统故障的诊断和定位提出了较高的要求。
解决此问题通常采取器件冗余的办法，对磁轴承系统进行容错控制，当检测到开关器件发生开路故障后，及时检测故障并切换至容错工作模式，保证磁悬浮转子稳定悬浮。而现有的磁轴承单自由度三相全桥控制器容错工作模式较为单一，而且中间桥臂的电流应力较大，此外当开关器件发生断路故障后无法对故障器件进行定位，不能够充分利用所有开关器件。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位、容错方法和系统，其目的在于实现绕组控制器在发生开关断路故障时快速识别故障、定位故障位置并进行切换使系统在容错工况下继续运行，提升磁悬浮轴承系统的故障冗余能力。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位方法，其中，所述绕组控制器产生单个或多个自由度方向的电磁力；每个自由度方向的电磁力均由相同结构的绕组控制单元实现；所述绕组控制单元包括两个绕组、三个桥臂和直流电压源；三个桥臂的上端均与所述直流电压源的正极连接，下端均与所述直流电压源的负极连接；第一绕组串联接在第一桥臂与第二桥臂中点之间；第二绕组串联在第二桥臂与第三桥臂中点之间；所述方法包括以下步骤：
S1.实时检测各绕组上的电流，当两个绕组电流之和小于预设电流阈值时，判定发生开路故障；
S2.通过检测三个桥臂中开关器件驱动信号占空比指令值的变化，确定故障发生位置。
进一步地，所述绕组控制单元具有以下四种工作模式：
模式一，第一绕组A1电流方向由第二桥臂中点流出，流入到第一桥臂中点；第二绕组A2电流方向由第三桥臂中点流出，流入到第二桥臂中点；模式一通过封锁第一桥臂上开关管S1和第三桥臂下开关管S6的控制信号，改变其余开关管的导通时间控制绕组产生电磁力；
模式二，第一绕组A1电流方向由第二桥臂中点流出，流入到第一桥臂中点；第二绕组A2电流方向由第二桥臂中点流出，流入到第三桥臂中点；模式二通过封锁第一桥臂上开关管S1、第二桥臂下开关管S4和第三桥臂上开关管S5的控制信号，改变其余开关管的导通时间控制绕组产生电磁力；
模式三，第一绕组A1电流方向由第一桥臂中点流出，流入到第二桥臂中点；第二绕组A2电流方向由第二桥臂中点流出，流入到第三桥臂中点；模式三通过封锁第一桥臂下开关管S2和第三桥臂上开关管S5的控制信号，改变其余开关管的导通时间控制绕组产生电磁力；
模式四，第一绕组A1电流方向由第一桥臂中点流出，流入到第二桥臂中点；第二绕组A2电流方向由第三桥臂中点流出，流入到第二桥臂中点；模式四通过封锁第一桥臂下开关管S2、第二桥臂上开关管S3和第三桥臂下开关管S6的控制信号，改变其余开关管的导通时间控制绕组产生电磁力。
进一步地，
所述绕组控制单元工作于模态一时，步骤S2具体为，
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S2发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设下阈值，则判定S3发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设上阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S4发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S5发生开路故障；
所述绕组控制单元工作于模态二时，步骤S2具体为，
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S2发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设下阈值，则判定S3发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设上阈值，则判定S6发生开路故障；
所述绕组控制单元工作于模态三时，步骤S2具体为，
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设上阈值，则判定S1发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设下阈值，则判定S3发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设上阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S4发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设上阈值，则判定S6发生开路故障；
所述绕组控制单元工作于模态四时，步骤S2具体为，
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设上阈值，则判定S1发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设下阈值，则判定S4发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S5发生开路故障。
进一步地，所述预设占空比下阈值范围∈[0,0.5]，所述占空比上阈值范围∈[0.5,1]。
进一步地，所述预设电流阈值根据绕组控制单元所在的磁悬浮轴承控制系统确定。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述故障定位方法的故障容错方法，包括：根据故障发生位置切换绕组控制单元工作模式，使故障开关器件不工作，利用其他正常器件实现绕组电流的控制，产生所需电磁力。
进一步地，所述绕组控制单元工作于模态一时，所述方法具体为：
若S2或S5发生开路故障，则使两绕组电流同时反向；
若S3发生开路故障，则使第一绕组A1电流反向；
若S4发生开路故障，则使第二绕组A2电流反向；
所述绕组控制单元工作于模态二时，所述方法具体为：
若S2发生开路故障，则使第一绕组A1电流反向；
若S3发生开路故障，则使两绕组电流同时反向；
若S6发生开路故障，则使第二绕组A2电流反向；
所述绕组控制单元工作于模态三时，所述方法具体为：
若S1或S6发生开路故障，则使两绕组电流同时反向；
若S3发生开路故障，则使第二绕组A2电流反向；
若S4发生开路故障，则使第一绕组A1电流反向；
所述绕组控制单元工作于模态四时，所述方法具体为：
若S1发生开路故障，则使第一绕组A1电流反向；
若S4发生开路故障，则使两绕组电流同时反向；
若S5发生开路故障，则使第二绕组A2电流反向。
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。
本发明提供的绕组控制器断路故障定位、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，以及三相全桥拓扑中器件的冗余，在某个开关器件发生断路故障时，可以及时判断故障的发生以及定位故障开关器件，并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，进而使单自由度两个绕组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，并可以应用至磁悬浮轴承全部自由度，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提供的磁轴承单自由度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检测流程图；
图4是本发明实施例2所提供的磁轴承单自由度绕组控制器各种工作模式的拓扑图；其中(a)为磁轴承单自由度绕组控制器正常工作模式下的电路拓扑图；(b)为第二桥臂的下桥臂开关管发生断路故障后磁轴承单自由度绕组控制器容错工作模式下的拓扑图；(c)为第一桥臂的下桥臂开关管或第三桥臂的上开关管发生断路故障后磁轴承单自由度绕组控制器容错工作模式下的拓扑图；(d)为第二桥臂的上桥臂开关管发生断路故障后磁轴承单自由度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所提供的磁轴承单自由度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与x轴方向绕组电流的波形图，其中发生断路故障的开关管为第二桥臂的上桥臂开关管。
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。
为了说明本发明所提供的磁轴承单自由度绕组控制器断路故障定位及容错方法，下面以双轴磁悬浮轴承中的一轴x轴的两个绕组为例进行详述。
实施例1、
图1为单个径向磁轴承的结构图，该径向磁轴承结构有两个自由度x方向y方向。其中，x方向的电磁力Fx通过绕组A1产生的电磁力和绕组A2产生的电磁力共同确定，y方向的电磁力Fy通过绕组A3产生的电磁力和绕组A4产生的电磁力共同确定。控制上通常采用双环控制，外环为位置环采用PID控制器，通过位置传感器反馈的转子相对位置信号与给定位置进行对比，通过单自由度绕组控制器给出的内环绕组励磁电流指令信号，并转换为各桥臂占空比的指令值，送至电流环。内环电流环采用PI控制器达到迅速跟踪电流指令的目的，实现电磁力的有效控制。
图2是一种应用于磁悬浮轴承单自由度绕组控制器的结构，包括：3个桥臂、2个绕组和1个直流电压源；
上述3个桥臂包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂；
上述2个绕组包括x轴方向两个绕组A1和A2；
三个桥臂的上端均与直流电压源的正极连接，三个桥臂的下端均与直流电压源的负极连接；两个绕组串联接在三个桥臂中点之间；
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；
图2的控制器具有四种工作模式，
模式一，第一绕组A1电流方向由第二桥臂中点流出，流入到第一桥臂中点；第二绕组A2电流方向由第三桥臂中点流出，流入到第二桥臂中点。由可控开关S2、S3、S4、S5，单向导通器件D1、D3、D4、D6以及直流电压源组成通路；通过封锁所述可控开关S1和所述可控开关S6的控制信号，改变可控开关S2、可控开关S3、可控开关S4和可控开关S5的导通时间控制绕组产生电磁力；具体地，可控开关S2和可控开关S 3通过改变其导通时间控制通过绕组A1的电流；可控开关S4和可控开关S5通过改变其导通时间控制通过绕组A2的电流；
模式二，绕组A1电流方向由第二桥臂中点流出，流入到第一桥臂中点；绕组A2电流方向由第二桥臂中点流出，流入到第三桥臂中点；由可控开关S2、S3、S6，单向导通器件D1、D4、D5以及直流电压源组成通路；通过封锁所述可控开关S1、所述可控开关S4和所述可控开关S5的控制信号，改变可控开关S2、可控开关S3和可控开关S6的导通时间控制绕组产生电磁力；具体地，可控开关S2和可控开关S3通过改变其导通时间控制通过绕组A1的电流；可控开关S3和可控开关S6通过改变其导通时间控制通过绕组A2的电流；
模式三，绕组A1电流方向由第一桥臂中点流出，流入到第二桥臂中点；绕组A2电流方向由第二桥臂中点流出，流入到第三桥臂中点；由可控开关S1、S3、S4、S6，单向导通器件D2、D3、D4、D5以及直流电压源组成通路；通过封锁所述可控开关S2和所述可控开关S5的控制信号，改变可控开关S1、可控开关S3、可控开关S4和可控开关S6的导通时间控制绕组产生电磁力；具体地，可控开关S1和可控开关S4通过改变其导通时间控制通过绕组A1的电流；可控开关S3和可控开关S6通过改变其导通时间控制通过绕组A2的电流；
模式四，绕组A1电流方向由第一桥臂中点流出，流入到第二桥臂中点；绕组A2电流方向由第三桥臂中点流出，流入到第二桥臂中点；由可控开关S1、S4、S5，单向导通器件D2、D3、D6以及直流电压源组成通路；通过封锁所述可控开关S2、所述可控开关S3和所述可控开关S6的控制信号，改变可控开关S1、可控开关S4和可控开关S5的导通时间控制绕组产生电磁力；具体地，可控开关S1和可控开关S4通过改变其导通时间控制通过绕组A1的电流；可控开关S4和可控开关S5通过改变其导通时间控制通过绕组A2的电流；
其中，模式一为单自由度绕组控制器的正常工作模式，发生断路故障时，根据开关器件故障位置的不同将系统切换至其他工作模式，可以保证系统不停机运行，因此，模式二、三、四在本发明中也可称为容错模式。
上述磁悬浮轴承单自由度控制器可以实现磁悬浮轴承的单轴容错控制，绕组A1和绕组A2控制x轴方向位移。利用此控制器控制绕组A3和绕组A4的电流，就可以同时实现y自由度的悬浮，并可以推广到磁悬浮轴承的所有自由度上。
实施例2、
一种实施x轴方向的绕组控制器开关断路故障容错系统的控制方法，如图3所示，包括：
(1)对各绕组上的电流进行实时检测，通过判断所述绕组A1电流与绕组A2电流之和大小变化判断是否发生开路故障；
需要说明的是当x轴绕组电流控制器发生开关器件开路故障后，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；开关器件断路是的具体现象包括：
(1.1)第一桥臂上桥臂开关S1断路后，正常工作情况下各绕组电流不受影响；第一桥臂下桥臂开关S2断路后，绕组A1电流无法上升，绕组A1将会迅速减小为0。
(1.2)第二桥臂上桥臂开关S3断路后，绕组A1电流将会小于等于绕组A2电流，控制中需要A1电流大于A2电流时，两绕组电流会保持相等。第二个桥臂下桥臂开关S4断路后，绕组A2电流将会小于等于绕组A1电流，控制中需要A2大于A1电流时，两绕组电流会保持相等。
(1.3)第三桥臂下桥臂开关S6短路后，正常工作情况下各绕组电流不受影响；第三桥臂上桥臂开关S5断路后，绕组A2电流无法上升，将会迅速减小为0。
在开关器件S2、S3、S4、S5发生开路故障后，绕组电流之和均会下降，本实施例中，预设电流阈值为9A，若两绕组A1和A2电流之和小于预设电流阈值，则判定开关器件S2、S3、S4、S5中出现开路故障。
(2)通过检测三个桥臂开关器件驱动信号占空比指令值的变化，确定故障发生位置；
单自由度绕组控制器工作于模式一时，具体现象包括：
(2.1)若S2发生开路故障，绕组A1电流会迅速下降，在短时间内A2绕组电流不会迅速变化，则S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会迅速下降、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速上升、S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速上升。
(2.2)若S3发生开路故障，绕组A1电流将会小于等于A2，绕组A1电流指令值将会上升，由于利用差分电流控制，绕组A2电流指令值会随之下降，此时S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会迅速下降、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速上升、S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速下降。
(2.3)若S4发生开路故障，绕组A2电流将会小于等于A1，绕组A2电流指令值将会上升，由于利用差分电流控制，绕组A1电流指令值会随之下降，S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会迅速上升、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速下降、若S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速上升。
(2.4)若S5发生开路故障，绕组A2电流会迅速下降，在短时间内A1绕组电流不会迅速变化，则S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会迅速下降、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速下降、S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速上升。
故可根据上述各桥臂开关器件控制信号脉宽调制占空比变化情况确定故障发生位置，模式一下，故障定位方法具体如下：若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S2发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设下阈值，则判定S3发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设上阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S4发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S5发生开路故障；
本实施例中，预设占空比下阈值为0.2，预设占空比上阈值为0.8。
单自由度绕组控制器工作于模式二时，具体现象包括：
若S2发生开路故障，绕组A1电流会迅速下降，在短时间内A2绕组电流不会迅速变化，则S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会迅速下降、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速上升、S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速上升。
若S3发生开路故障，绕组A1和绕组A2电流将会同时减小，此时S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会迅速下降、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速上升、S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速下降。
若S6发生开路故障，绕组A2电流会迅速下降，在短时间内A1绕组电流不会迅速变化，则S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速下降、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速上升、S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会相应上升。
相应地，模式二下，故障定位方法具体如下：
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S2发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设下阈值，则判定S3发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设上阈值，则判定S6发生开路故障；
单自由度绕组控制器工作于模式三时，具体现象包括：
若S1发生开路故障，绕组A1电流会迅速下降，在短时间内A2绕组电流不会迅速变化，则S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会迅速上升、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速下降、S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速下降。
若S3发生开路故障，绕组A2电流将会小于等于A1，绕组A2电流指令值将会上升，由于利用差分电流控制，绕组A1电流指令值会随之下降，此时S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会迅速上升、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速上升、S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速下降。
若S4发生开路故障，绕组A1电流将会小于等于A2，绕组A1电流指令值将会上升，由于利用差分电流控制，绕组A2电流指令值会随之下降，此时S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会迅速上升、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速下降、若S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速上升。
若S6发生开路故障，绕组A2电流会迅速下降，在短时间内A1绕组电流不会迅速变化，则S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会迅速上升、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速上升、S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速下降。
相应地，模式三下，故障定位方法具体如下：
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设上阈值，则判定S1发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设下阈值，则判定S3发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设上阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S4发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设上阈值，则判定S6发生开路故障；
单自由度绕组控制器工作于模式四时，具体现象包括：
若S1发生开路故障，绕组A1电流会迅速下降，在短时间内A2绕组电流不会迅速变化，则S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会迅速上升、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速下降、S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会相应下降。
若S4发生开路故障，绕组A1和绕组A2电流将会同时减小，此时S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会迅速下降、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速上升、S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速下降。
若S5发生开路故障，绕组A2电流会迅速下降，在短时间内A1绕组电流不会迅速变化，则S5、S6对应桥臂占空比指令值d3会迅速上升、S3、S4对应桥臂占空比指令值d2会迅速下降、S1、S2对应桥臂占空比指令值d1会相应下降。
相应地，模式四下，故障定位方法具体如下：
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设上阈值，则判定S1发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设下阈值，则判定S4发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S6发生开路故障；
(3)根据故障发生位置切换绕组工作拓扑，使故障开关器件不工作，利用其他正常器件，实现绕组电流的控制，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；具体切换方法包括：
模式一下，若第一桥臂的下桥臂发生故障或第三桥臂的上桥臂发生故障，即S2或S5发生故障，则使两绕组电流同时反向；
若第二桥臂的上桥臂发生故障，即S3发生故障，则使绕组A1电流反向；
若第二桥臂的下桥臂发生故障，即S4发生故障，则使绕组A2电流反向。
基于上述分析，模式一下，对工作模式进行切换的方法，包括：
(1)检测到第一桥臂的下桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式四；
(2)检测到第二桥臂的上桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式三；
(3)检测到第二桥臂的下桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式二；
(4)检测到第三桥臂的上桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式四；
模式二下，若第一桥臂的下桥臂发生故障，即S2发生故障，则使绕组A1电流反向；
若第二桥臂的上桥臂发生故障，即S3发生故障，则使两绕组电流同时反向；
若第三桥臂的下桥臂发生故障，即S6发生故障，则使绕组A2电流反向。
基于上述分析，模式二下，对工作模式进行切换的方法，包括：
(1)检测到第一桥臂的下桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式三；
(2)检测到第二桥臂的上桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式四；
(3)检测到第三桥臂的下桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式三；
模式三下，若第一桥臂的上桥臂发生故障或第三桥臂的下桥臂发生故障，即S1或S6发生故障，则使两绕组电流同时反向；
若第二桥臂的上桥臂发生故障，即S3发生故障，则使绕组A1电流反向；
若第二桥臂的下桥臂发生故障，即S4发生故障，则使绕组A2电流反向。
基于上述分析，模式三下，对工作模式进行切换的方法，包括：
(1)检测到第一桥臂的上桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式一；
(2)检测到第二桥臂的上桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式四；
(3)检测到第二桥臂的下桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式二；
(4)检测到第三桥臂的下桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式一；
模式四下，若第一桥臂的上桥臂发生故障，即S1发生故障，则使绕组A1电流反向；
若第二桥臂的下桥臂发生故障，即S4发生故障，则使两绕组电流同时反向；
若第三桥臂的上桥臂发生故障，即S5发生故障，则使绕组A2电流反向。
基于上述分析，模式四下，对工作模式进行切换的方法，包括：
(1)检测到第一桥臂的上桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式一；
(2)检测到第二桥臂的下桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式二；
(3)检测到第三桥臂的上桥臂开关器件断路时，将拓扑切换为工作模式一；
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绕组A1和绕组A2电流进行实时检测，检测到两绕组电流之和小于预设电流阈值9A，则说明电流控制出线异常，此时，根据三个桥臂开关器件控制信号的脉冲宽度调制信号的占空比变化，定位断路故障发生位置。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u1，第二桥臂输出端的平均电压为u2，第三桥臂输出端的平均电压为u3，通过控制各个开关器件控制信号的脉冲宽度调制信号的占空比，可以对所述节点上的平均电压u1、u2、u3进行控制；
记绕组A1、绕组A2的阻抗均为ZL；
记绕组A1中流过的电流为i1，绕组A2中流过的电流为i2；
当控制器正常工作时绕组A1、绕组A2中的电流方向均为由绕组第二端流向绕组第一端；
绕组A1、绕组A2中的电流大小可以表示为：
Figure BDA0003010008190000171
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A2一组，绕组A3和绕组A4一组，分别对x方向和y方向进行控制。
如图5所示为磁轴承单自由度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，并通过上述故障检测方法，实时检测单自由度绕组控制器的工作状态，检测到开关断路故障时，则调整控制器中变换矩阵与反馈电流值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与绕组A1和绕组A2电流的波形图。最开始转子处在稳定悬浮状态，之后第二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，绕组A1电流方向改变，绕组A2电流方向不变，转子位置经过一定时间的暂态过程后继续保持稳定悬浮。
本发明所提供的绕组控制器断路故障定位及容错方法，基于主动磁悬浮轴承中绕组电流单向流动的特性，以及三相全桥拓扑中器件的冗余，在某个开关器件发生断路故障时，可以及时判断故障的发生以及定位故障开关器件，并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，进而使单自由度两个绕组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，并且此控制器应用至磁悬浮轴承任意自由度，容错控制效果相同，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。

Claims (9)

1.一种用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位方法，其中，所述绕组控制器产生单个或多个自由度方向的电磁力；每个自由度方向的电磁力均由相同结构的绕组控制单元实现；所述绕组控制单元包括两个绕组、三个桥臂和直流电压源；三个桥臂的上端均与所述直流电压源的正极连接，下端均与所述直流电压源的负极连接；第一绕组串联接在第一桥臂与第二桥臂中点之间；第二绕组串联在第二桥臂与第三桥臂中点之间；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1.实时检测各绕组上的电流，当两个绕组电流之和小于预设电流阈值时，判定发生开路故障；
S2.通过检测三个桥臂中开关器件驱动信号占空比指令值的变化，确定故障发生位置。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位方法，其特征在于，所述绕组控制单元具有以下四种工作模式：
模式一，第一绕组A1电流方向由第二桥臂中点流出，流入到第一桥臂中点；第二绕组A2电流方向由第三桥臂中点流出，流入到第二桥臂中点；模式一通过封锁第一桥臂上开关管S1和第三桥臂下开关管S6的控制信号，改变其余开关管的导通时间控制绕组产生电磁力；
模式二，第一绕组A1电流方向由第二桥臂中点流出，流入到第一桥臂中点；第二绕组A2电流方向由第二桥臂中点流出，流入到第三桥臂中点；模式二通过封锁第一桥臂上开关管S1、第二桥臂下开关管S4和第三桥臂上开关管S5的控制信号，改变其余开关管的导通时间控制绕组产生电磁力；
模式三，第一绕组A1电流方向由第一桥臂中点流出，流入到第二桥臂中点；第二绕组A2电流方向由第二桥臂中点流出，流入到第三桥臂中点；模式三通过封锁第一桥臂下开关管S2和第三桥臂上开关管S5的控制信号，改变其余开关管的导通时间控制绕组产生电磁力；
模式四，第一绕组A1电流方向由第一桥臂中点流出，流入到第二桥臂中点；第二绕组A2电流方向由第三桥臂中点流出，流入到第二桥臂中点；模式四通过封锁第一桥臂下开关管S2、第二桥臂上开关管S3和第三桥臂下开关管S6的控制信号，改变其余开关管的导通时间控制绕组产生电磁力。
3.根据权利要求2所述的一种用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位方法，其特征在于，
所述绕组控制单元工作于模态一时，步骤S2具体为，
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S2发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设下阈值，则判定S3发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设上阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S4发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S5发生开路故障；
所述绕组控制单元工作于模态二时，步骤S2具体为，
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S2发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设下阈值，则判定S3发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设上阈值，则判定S6发生开路故障；
所述绕组控制单元工作于模态三时，步骤S2具体为，
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设上阈值，则判定S1发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设下阈值，则判定S3发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设上阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S4发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2大于预设下阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设上阈值，则判定S6发生开路故障；
所述绕组控制单元工作于模态四时，步骤S2具体为，
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3小于预设上阈值，则判定S1发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1大于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设下阈值，则判定S4发生开路故障；
若同时满足S1、S2对应桥臂占空比指令值d1小于预设下阈值，S3、S4对应桥臂占空比指令值d2小于预设上阈值，S5、S6对应桥臂占空比指令值d3大于预设上阈值，则判定S5发生开路故障。
4.根据权利要求3所述的一种用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位方法，其特征在于，所述预设占空比下阈值范围∈[0,0.5]，所述占空比上阈值范围∈[0.5,1]。
5.根据权利要求1所述的一种用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位方法，其特征在于，所述预设电流阈值根据绕组控制单元所在的磁悬浮轴承控制系统确定。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的故障定位方法的故障容错方法，其特征在于，包括：根据故障发生位置切换绕组控制单元工作模式，使故障开关器件不工作，利用其他正常器件实现绕组电流的控制，产生所需电磁力。
7.根据权利要求6所述的故障容错方法，其特征在于，所述绕组控制单元工作于模态一时，所述方法具体为：
若S2或S5发生开路故障，则使两绕组电流同时反向；
若S3发生开路故障，则使第一绕组A1电流反向；
若S4发生开路故障，则使第二绕组A2电流反向；
所述绕组控制单元工作于模态二时，所述方法具体为：
若S2发生开路故障，则使第一绕组A1电流反向；
若S3发生开路故障，则使两绕组电流同时反向；
若S6发生开路故障，则使第二绕组A2电流反向；
所述绕组控制单元工作于模态三时，所述方法具体为：
若S1或S6发生开路故障，则使两绕组电流同时反向；
若S3发生开路故障，则使第二绕组A2电流反向；
若S4发生开路故障，则使第一绕组A1电流反向；
所述绕组控制单元工作于模态四时，所述方法具体为：
若S1发生开路故障，则使第一绕组A1电流反向；
若S4发生开路故障，则使两绕组电流同时反向；
若S5发生开路故障，则使第二绕组A2电流反向。
8.一种用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；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，执行权利要求1至5任一项所述的用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位方法。
9.一种基于权利要求1-5任一项所述的故障定位方法的故障容错系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
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，执行权利要求6至7任一项所述的故障容错方法。
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