CN114263677B - 一种应用于磁悬浮轴承的五桥臂容错控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于磁悬浮轴承的五桥臂容错控制方法及系统，属于磁悬浮轴承电力电子容错控制领域，容错控制方法包括：在正常工作模式下，将4个绕组上的电流指令值通过矩阵变换为五个桥臂中点平均电压指令值；实时监测五个桥臂中点平均电压指令值的变化，并将其与设定的阈值进行比较，判定有无可控开关发生故障；根据故障位置的不同，对4个绕组上的电流方向和可控开关进行切换至对应的容错工作模式。本发明对于两轴磁轴承的4个绕组只需要五个桥臂进行控制，五个桥臂中点平均电压均可控，并且相比于反向共桥臂拓扑结构可实现较高的电压利用率，提升了现有的有源磁悬浮轴承系统的可靠性和稳定性。

Description

一种应用于磁悬浮轴承的五桥臂容错控制方法及系统

技术领域

本发明属于磁悬浮轴承电力电子容错控制领域，更具体地，涉及一种应用于磁悬浮轴承的五桥臂容错控制方法及系统。

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，用来取代传统机械轴承，实现转子与定子的无接触运行。由于转子和定子之间没有机械接触，因而具有不需要润滑、无机械摩擦、无污染、稳定性好、工作寿命长等特点。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。

由于磁悬浮轴承系统长时间工作于高速旋转领域，其可靠性和安全性逐渐引起学者的重视，目前已经有学者提出了使用绕组容错或是器件冗余的方式进行容错控制，从而提升系统的稳定性和可靠性。比如针对五桥臂反向共桥臂拓扑提出容错控制方法，但是其容错控制技术存在无法进行全部器件的容错，尤其是公共桥臂发生故障之后无法进行容错控制，以及无法定位发生开路故障器件的位置和电压利用率低等问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于磁悬浮轴承的五桥臂容错控制方法及系统，旨在实现在五桥臂拓扑中任一开关器件开路故障的条件下，自检测故障位置并切换到相应的容错状态，保持两轴四绕组磁悬浮轴承的稳定悬浮。

为实现上述目的，一方面本发明提供了一种应用于磁悬浮轴承的五桥臂容错控制方法，所述五桥臂的拓扑包括：10个可控开关、4个绕组和1个直流电压源，每个桥臂由上下2个可控开关串联连接，每个桥臂上下两端分别与所述直流电压源两端相连，第一个桥臂作为公共桥臂，其余四个桥臂作为非公共桥臂，所述4个绕组A1、A2、A3、A4的一端均与公共桥臂中点相连，另一端分别依次与其余四个非公共桥臂的中点相连，所述容错控制方法包括：

步骤(1)、在正常工作模式下，将4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流指令值通过矩阵变换为五个桥臂中点平均电压指令值；

步骤(2)、实时监测五个桥臂中点平均电压指令值的变化，并将其与设定的阈值进行比较；若所述五个桥臂中点平均电压指令值同时满足：一个桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值且其余桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值，或一个桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值且其余桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值，则判定有可控开关发生故障；

步骤(3)、根据故障位置的不同，对4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流方向和可控开关进行切换至对应的容错工作模式。

进一步地，在所述正常工作模式下，所有可控开关均工作，控制绕组A1、A3的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A2、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂。

进一步地，公共桥臂故障，进入容错模式一：控制绕组A1、A2的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A3、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂或绕组A1、A2电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂，绕组A3、A4的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，同时控制公共桥臂所在的两个可控开关不工作。

进一步地，绕组A1或绕组A2所在的非公共桥臂故障，进入容错模式二：控制绕组A2、A3的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A1、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂，同时控制绕组A1所在非公共桥臂的上可控开关和绕组A2所在非公共桥臂的下可控开关不工作。

进一步地，绕组A3或绕组A4所在的非公共桥臂故障，进入容错模式三：控制绕组A2、A3的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂，绕组A1、A4的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，同时控制绕组A3所在非公共桥臂的上可控开关和绕组A4所在非公共桥臂的下可控开关不工作。

进一步地，所述故障位置判别方法为：

公共桥臂中点平均电压指令值高于所述其所在桥臂设定的上阈值，非公共桥臂中点平均电压指令值低于所述其所在桥臂设定的下阈值，则判定公共桥臂的上可控开关故障；

公共桥臂中点平均电压指令值低于所述其所在桥臂设定的下阈值，非公共桥臂中点平均电压指令值高于所述其所在桥臂设定的上阈值，则判定公共桥臂的下可控开关故障；

绕组A1所在的非公共桥臂中点平均电压指令值高于所述其所在桥臂设定的上阈值，其余桥臂中点平均电压指令值低于所述其所在桥臂设定的下阈值，则判定绕组A1所在的非公共桥臂的上可控开关故障；

绕组A2所在的非公共桥臂中点平均电压指令值低于所述其所在桥臂设定的下阈值，其余桥臂中点平均电压指令值高于所述其所在桥臂设定的上阈值，则判定绕组A2所在的非公共桥臂下可控开关故障；

绕组A3所在的非公共桥臂中点平均电压指令值高于所述其所在桥臂设定的上阈值，其余桥臂中点平均电压指令值低于所述其所在桥臂设定的下阈值，则判定绕组A3所在的非公共桥臂的上可控开关故障；

绕组A4所在的非公共桥臂中点平均电压指令值低于所述其所在桥臂设定的下阈值，其余桥臂中点平均电压指令值高于所述其所在桥臂设定的上阈值，则判定绕组A4所在的非公共桥臂下可控开关故障。

进一步地，通过将所述五个桥臂中点平均电压指令值经载波比较转换为所述可控开关占空比指令值，对所述可控开关进行控制。

进一步地，所述故障为可控开关断路故障。

按照本发明的另一方面，提供了一种应用于磁悬浮轴承的五桥臂容错控制系统，包括：

矩阵变换模块，用于将正常工作模式下的4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流指令值变换为五个桥臂中点平均电压指令值；

故障检测模块，用于实时监测五个桥臂中点平均电压指令值的变化，并将其与设定的阈值进行比较；若所述五个桥臂中点平均电压指令值同时满足：一个桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值且其余桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值，或一个桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值且其余桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值，则判定有可控开关发生故障；

容错切换模块，用于根据故障位置的不同，对4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流方向和可控开关进行切换至对应的容错工作模式。

进一步地，在所述正常工作模式下，所有可控开关均工作，控制绕组A1、A3的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A2、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明的容错控制方法相比于现有的控制方法，通过同时检测5个桥臂中点平均电压指令值的变化，既能够实时检测故障发生的位置，又能够控制4个绕组的电流方向和可控开关将电路切换至对应的容错工作模式，且五个桥臂中点平均电压均可控，实现了在五桥臂拓扑中任一开关器件开路故障的条件下，自检测故障位置并切换到相应的容错状态，保证磁悬浮轴承在开关器件发生故障后也能保持稳定悬浮，解决了传统五桥臂反向共桥臂容错控制方法无法检测公共桥臂故障以及无法准确定位故障的问题，并且能够保证较高的电压利用率。

(2)进一步地，为了实现正常工作模式和容错工作模式，本发明还设计了五个桥臂相应的电流流向及可控开关切换策略；尤其是，针对故障出现的不同位置，设计了三种不同的容错工作方法，涵盖了故障可能出现的所有情况，充分保障了两轴四绕组磁悬浮轴承的稳定悬浮。

(3)本发明的容错控制方法不会对磁悬浮轴承动态扰动过程所产生的电压指令值的变化进行响应，完全依赖于控制指令值，响应速度快，算法简单，可直接嵌入至控制程序中。

总而言之，本发明的磁悬浮轴承五桥臂容错控制方法及系统应用于两轴四绕组的磁悬浮轴承的悬浮控制，实现了在五桥臂拓扑中任一开关器件开路故障的条件下，自检测故障并迅速切换到容错状态，提升了现有的有源磁悬浮轴承系统的可靠性和稳定性。

附图说明

图1是八极径向磁轴承结构示意图；

图2是本发明提供的五桥臂控制器的正常工作模式示意图；

图3(a)是本发明提供的五桥臂拓扑容错工作模式一示意图；

图3(b)是本发明提供的五桥臂拓扑容错工作模式二示意图；

图3(c)是本发明提供的五桥臂拓扑容错工作模式三示意图；

图4是本发明提供的电流环故障检测及容错控制框图。

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相互组合。

本发明提供了一种应用于磁悬浮轴承的五桥臂容错控制方法，该五桥臂拓扑结构由10个可控开关、4个绕组和1个直流电压源构成，每个桥臂由上下两个可控开关串联连接，每个桥臂两端分别与直流电压源两端相连接，第一个桥臂作为公共桥臂，其余四个桥臂作为非公共桥臂，两轴磁悬浮轴承的4个绕组A1、A2、A3、A4的一端均与公共桥臂中点相连，4个绕组A1、A2、A3、A4的另一端分别依次与其余四个非公共桥臂的中点相连，即与绕组A1、A2、A3、A4的另一端所连接的四个非公共桥臂依次相邻，如图2所示。

其中，10个可控开关均为绝缘栅双极晶体管，绝缘栅双极晶体管通过改变其门极控制信号控制其导通时间。

如图1所示，此处的磁悬浮轴承为两轴四绕组磁悬浮轴承，绕组A1、A2控制两轴四绕组磁悬浮轴承的一个自由度X1，绕组A3、A4控制两轴四绕组磁轴承的另一个自由度Y1。

图1中，该径向磁轴承结构有两个正交方向x方向的电磁力F_x和y方向的电磁力F_y需要控制。其中，x方向的电磁力F_x通过绕组A1(即图中的轴承线圈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F_y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。每个绕组产生的电磁力F_mag和该绕组励磁电流i_s以及转子相对位置s之间满足F_mag＝K_i*i_s-K_s*s，其中，K_i为电磁力/电流系数；K_s为电磁力/位移系数；K_i与K_s均为径向轴承结构有关。

对该径向磁轴承的控制，通常采用双环控制，外环为位置环，内环为电流环。本发明是通过控制电流环(即对4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流)进行策略控制。通过设置在位置环上的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，得到内环电流环信号，即4个绕组上的电流指令值，通过矩阵变换，将电流指令转换为电压指令，并将电压指令经载波比较转换为可控开关占空比的指令值对五个桥臂拓扑中的可控开关进行控制，最终通过电流环迅速跟踪，实现电磁力的有效控制。

4个绕组通过对应绕组电流，产生磁悬浮轴承所需的电磁力。

具体的，本发明的容错控制方法包括正常工作模式和容错工作模式，具体方法的实现步骤为：

(1)在正常工作模式下，将4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流指令值通过矩阵变换为五个桥臂中点平均电压指令值；

(2)实时监测五个桥臂中点平均电压指令值的变化，并将其与设定的阈值进行比较；若五个桥臂中点平均电压指令值同时满足：一个桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值且其余桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值，或一个桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值且其余桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值，则判定有可控开关发生故障；其他情况下，则是正常工作状态；

(3)根据故障位置的不同，对4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流方向和可控开关进行切换至对应的容错工作模式，使磁悬浮轴承保持稳定悬浮状态。其中，本发明中的故障为可控开关断路故障。

其中，五个桥臂都能够正常工作为正常工作模式；任意一个桥臂故障，进行相应的电流方向控制以及可控开关切换，保证磁悬浮轴承的稳定悬浮，为对应的容错工作模式。

具体的，步骤(1)中，在正常工作模式下，所有可控开关都工作，控制绕组A1、A3的电流方向由绕组A1、A3所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A2、A4的电流方向由公共桥臂流入绕组A2、A4所在的非公共桥臂，如图2所示。

定义4个绕组A1、A2、A3、A4的阻抗均为Z，绕组A1中流过的电流为i_a1，绕组A2中流过的电流为i_c1，绕组A3中流过的电流为i_a2，绕组A4中流过的电流为i_c2。

公共桥臂中点的平均电压为u₁，绕组A1、A2、A3、A4分别对应四个非公共桥臂中点的平均电压为u₂、u₃、u₄、u₅，通过控制响应绝缘栅双极晶体管的门极控制信号的脉冲宽度调制信号的占空比，可以对各个绕组对应节点上的平均电压(五个桥臂中点的平均电压)u₁、u₂、u₃、u₄和u₅进行控制。

根据绕组电流的方向和桥臂中点平均电压，四个绕组A1、A2、A3、A4中的电流大小(即4个绕组的电流指令值)可以表示为：

即四个绕组A1、A2、A3、A4中的电流与平均电压的矩阵变换关系为：

为保证每个桥臂中点平均电压变换范围的一致性，对平均电压进行限定：

2.5V_DC＝u₁+u₂+u₃+u₄+u₅。

通过矩阵逆变换得到的变换矩阵T，将上述4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流指令值通过变换矩阵，变换为五个桥臂中点平均电压指令值

进一步，由下述公式可由电流指令值和变换矩阵T得到各个桥臂可控开关占空比信号的指令值：

其中，d₁、d₂、d₃、d₄、d₅为各个桥臂可控开关占空比指令值，V_DC为直流电压源提供的直流母线电压，两者相乘即为每个桥臂中点的平均电压指令信号。可控开关占空比指令值(d₁、d₂、d₃、d₄、d₅)给到对应的可控开关后，可对可控开关进行控制。

步骤(2)中具体的容错工作模式为：

公共桥臂故障，进入容错模式一：控制绕组A1、A2的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A3、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂或绕组A1、A2电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂，绕组A3、A4的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂；同时，封锁门级控制信号使公共桥臂所在的两个可控开关不工作(控制对应的可控开关占空比指令值为0)。此时，可以满足流入公共桥臂中点的电流等于流出公共桥臂中点的电流，即绕组A1、A2的电流之和与绕组A3、A4的电流之和相等，因此可以实现两轴四绕组磁悬浮轴承的稳定悬浮。

绕组A1或绕组A2所在的非公共桥臂故障，进入容错模式二：控制绕组A2、A3的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A1、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂；同时封锁门级控制信号使绕组A2所在非公共桥臂的下可控开关和绕组A1所在非公共桥臂的上可控开关不工作。由于电磁力的产生与电流方向无关，改变绕组A1和A2的电流方向后，依旧可以实现转子的稳定悬浮，使正常工作。

绕组A3或绕组A4所在的非公共桥臂故障，进入容错模式三：控制绕组A2、A3的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂，绕组A1、A4的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，同时封锁门级控制信号使绕组A4所在非公共桥臂的下可控开关和绕组A3所在非公共桥臂的上可控开关不工作。由于电磁力的产生与电流方向无关，改变绕组A3和A4的电流方向后，依旧可以实现转子的稳定悬浮，使正常工作。

其中，各绕组所在桥臂设定的上阈值和下阈值由各绕组的电流指令值上下阈值和变换矩阵确定，即通过下面的公式计算而来

步骤(3)中，故障位置判别方法为：

公共桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值，非公共桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值，则判定公共桥臂的上可控开关故障，切换为容错模式一；

公共桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值，非公共桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值，则判定公共桥臂的下可控开关故障，切换为容错模式一；

绕组A1所在的非公共桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值，其余桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值，则判定绕组A1所在的非公共桥臂的上可控开关故障，切换为容错模式二；

绕组A2所在的非公共桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值，其余桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值，则判定绕组A2所在的非公共桥臂下可控开关故障，切换为容错模式二；

绕组A3所在的非公共桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值，其余桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值，则判定绕组A3所在的非公共桥臂的上可控开关故障，切换为容错模式三；

绕组A4所在的非公共桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值，其余桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值，则判定绕组A4所在的非公共桥臂下可控开关故障，切换为容错模式三。

其余可控开关发生故障之后不会对绕组的充电回路产生影响，磁轴承仍可以稳定悬浮，故无需对其故障进行检测。

电压指令值上阈值和下阈值(即上述的其所在桥臂设定的上阈值或其所在桥臂设定的下阈值)均由各自的电流指令值和变换矩阵计算得来。根据故障条件下绕组电流指令值会迅速变换，并达到电流指令值的最大值或最小值，并通过变换矩阵可以计算出故障情况下电压指令值的上阈值或下阈值。

具体电流控制框图如图4所示，位置环得到的4个绕组上的参考电流指令值与电流反馈信号进行比较得到电流误差，经电流调节器得到电流的指令值，经变换矩阵后得到电压的指令值，通过载波比较得到PWM信号给到五桥臂拓扑可控开关，从而对绕组电流进行控制。同时实时检测电压指令值，并在故障条件下对拓扑和参考电流方向进行切换。

按照本发明的另一方面，基于上述五桥臂容错控制方法，提出了一种应用于磁悬浮轴承的五桥臂容错控制系统，包括：

矩阵变换模块，用于将正常工作模式下的4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流指令值变换为五个桥臂中点平均电压指令值；

故障检测模块，用于实时监测五个桥臂中点平均电压指令值的变化，并将其与设定的阈值进行比较；若五个桥臂中点平均电压指令值同时满足：一个桥臂中点平均电压指令值高于上阈值且其余桥臂中点平均电压指令值低于下阈值，或一个桥臂中点平均电压指令值低于下阈值且其余桥臂中点平均电压指令值高于上阈值，则判定有可控开关发生故障；

容错切换模块，用于根据故障位置的不同，对4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流方向和可控开关进行切换至对应的容错工作模式。

在正常工作模式下，所有可控开关均工作，控制绕组A1、A3的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A2、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂。

故障检测模块检测出公共桥臂故障，容错切换模块切换至容错模式一：控制绕组A1、A2的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A3、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂或绕组A1、A2电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂，绕组A3、A4的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，同时控制公共桥臂所在的两个可控开关不工作；

故障检测模块检测出绕组A1或绕组A2所在的非公共桥臂故障，容错切换模块切换至容错模式二：控制绕组A2、A3的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A1、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂，同时控制绕组A1所在非公共桥臂的上可控开关和绕组A2所在非公共桥臂的下可控开关不工作；

故障检测模块检测出绕组A3或绕组A4所在的非公共桥臂故障，容错切换模块切换至容错模式三：控制绕组A2、A3的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂，绕组A1、A4的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，同时控制绕组A3所在非公共桥臂的上可控开关和绕组A4所在非公共桥臂的下可控开关不工作。

实施例1

本发明实施例以磁悬浮轴承两个自由度五桥臂变换器公共桥臂上开关器件故障为例进行详细介绍，如图2所示，变换器包括直流电源V_DC、4个绕组A1、A2、A3、A4，10个功率管(可控开关)S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10。

单个8极磁轴承两个自由度x方向的电磁力F_x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F_y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，通过控制响应绝缘栅双极晶体管的门极控制信号的脉冲宽度调制信号的占空比，可以对节点上的平均电压u₁、u₂、u₃、u₄和u₅进行控制；

根据绕组电流方向，确定绕组电流与桥臂中点电压的关系：

即四个绕组A1、A2、A3、A4中的电流与平均电压的矩阵变换关系为：

并对桥臂中点平均电压进行限定：

2.5V_DC＝u₁+u₂+u₃+u₄+u₅

得到电流指令值到功率管占空比信号指令值的变换关系矩阵：

进一步地，得到公共桥臂上开关器件故障条件下的电流指令变换为可控开关占空比指令值的上下阈值：

其中，I_min、I_max分别为设定的电流指令的最小值和最大值。

为公共桥臂设定的上阈值，

为A1绕组对应非公共桥臂设定的下阈值，

为A2绕组对应非公共桥臂设定的下阈值，

为A3绕组对应非公共桥臂设定的下阈值，

为A4绕组对应非公共桥臂设定的下阈值，

分别为公共桥臂上开关器件故障条件下的四个绕组上的电流指令。

故障检测模块实时监测占空比指令值的变换，根据所检测到公共桥臂上开关器件S1的故障变化超阈值情况后，将指令值送入容错切换模块。整个系统控制框图，如图4所示。

容错切换模块接收到S1的故障信号后，将控制拓扑由正常工作模式切换为容错工作模式，即切换至图3(a)中的容错工作模式。

对于其余开关器件发生故障可根据上述故障检测方法对开路故障进行定位，并进行相应的容错拓扑切换。例如检测到S3、S5发生开路故障后，切换至容错模式二，如图3(b)所示；检测到S8、S9发生故障后，切换至容错模式三，如图3(c)所示。

本发明通过改变绕组电流控制方向来实现容错控制，由于电磁式磁悬浮轴承是通过磁阻力实现转子悬浮状态，转子的悬浮与电流方向无关。本发明针对两轴4个绕组的磁轴承所有工作可控开关的断路故障进行容错。并且，本发明的这种利用桥臂中点电压的控制方法相比于传统半桥结构也可以将每个绕组的控制电压提升到全直流母线电压，实现较高的电流控制带宽，实现较高的电压利用率。

本发明的容错控制方法及系统还可拓展至四自由度磁悬浮轴承拓扑，实现多自由度磁悬浮轴承容错控制，且本容错控制方法不会对磁悬浮轴承动态扰动过程所产生的电压指令值的变化进行响应，完全依赖于控制指令值，响应速度快，算法简单，可直接嵌入至控制程序中。

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 (10)

1.一种应用于磁悬浮轴承的五桥臂容错控制方法，所述五桥臂的拓扑包括：10个可控开关、4个绕组和1个直流电压源，每个桥臂由上下2个可控开关串联连接，每个桥臂上下两端分别与所述直流电压源两端相连，第一个桥臂作为公共桥臂，其余四个桥臂作为非公共桥臂，所述4个绕组A1、A2、A3、A4的一端均与公共桥臂中点相连，另一端分别依次与其余四个非公共桥臂的中点相连，其特征在于，所述容错控制方法包括：

步骤(1)、在正常工作模式下，将4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流指令值通过矩阵变换为五个桥臂中点平均电压指令值；

步骤(2)、实时监测五个桥臂中点平均电压指令值的变化，并将其与设定的阈值进行比较；若所述五个桥臂中点平均电压指令值同时满足：一个桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值且其余桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值，或一个桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值且其余桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值，则判定有可控开关发生故障；

步骤(3)、根据故障位置的不同，对4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流方向和可控开关进行切换至对应的容错工作模式。

2.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，在所述正常工作模式下，所有可控开关均工作，控制绕组A1、A3的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A2、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂。

3.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，公共桥臂故障，进入容错模式一：控制绕组A1、A2的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A3、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂或绕组A1、A2电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂，绕组A3、A4的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，同时控制公共桥臂所在的两个可控开关不工作。

4.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，绕组A1或绕组A2所在的非公共桥臂故障，进入容错模式二：控制绕组A2、A3的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A1、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂，同时控制绕组A1所在非公共桥臂的上可控开关和绕组A2所在非公共桥臂的下可控开关不工作。

5.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，绕组A3或绕组A4所在的非公共桥臂故障，进入容错模式三：控制绕组A2、A3的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂，绕组A1、A4的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，同时控制绕组A3所在非公共桥臂的上可控开关和绕组A4所在非公共桥臂的下可控开关不工作。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的容错控制方法，其特征在于，所述故障位置判别方法为：

公共桥臂中点平均电压指令值高于所述其所在桥臂设定的上阈值，非公共桥臂中点平均电压指令值低于所述其所在桥臂设定的下阈值，则判定公共桥臂的上可控开关故障；

公共桥臂中点平均电压指令值低于所述其所在桥臂设定的下阈值，非公共桥臂中点平均电压指令值高于所述其所在桥臂设定的上阈值，则判定公共桥臂的下可控开关故障；

绕组A1所在的非公共桥臂中点平均电压指令值高于所述其所在桥臂设定的上阈值，其余桥臂中点平均电压指令值低于所述其所在桥臂设定的下阈值，则判定绕组A1所在的非公共桥臂的上可控开关故障；

绕组A2所在的非公共桥臂中点平均电压指令值低于所述其所在桥臂设定的下阈值，其余桥臂中点平均电压指令值高于所述其所在桥臂设定的上阈值，则判定绕组A2所在的非公共桥臂下可控开关故障；

绕组A3所在的非公共桥臂中点平均电压指令值高于所述其所在桥臂设定的上阈值，其余桥臂中点平均电压指令值低于所述其所在桥臂设定的下阈值，则判定绕组A3所在的非公共桥臂的上可控开关故障；

绕组A4所在的非公共桥臂中点平均电压指令值低于所述其所在桥臂设定的下阈值，其余桥臂中点平均电压指令值高于所述其所在桥臂设定的上阈值，则判定绕组A4所在的非公共桥臂下可控开关故障。

7.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，通过将所述五个桥臂中点平均电压指令值经载波比较转换为所述可控开关占空比指令值，对所述可控开关进行控制。

8.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，所述故障为可控开关断路故障。

9.一种应用于磁悬浮轴承的五桥臂容错控制系统，其特征在于，包括：

矩阵变换模块，用于将正常工作模式下的4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流指令值变换为五个桥臂中点平均电压指令值；

故障检测模块，用于实时监测五个桥臂中点平均电压指令值的变化，并将其与设定的阈值进行比较；若所述五个桥臂中点平均电压指令值同时满足：一个桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值且其余桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值，或一个桥臂中点平均电压指令值低于其所在桥臂设定的下阈值且其余桥臂中点平均电压指令值高于其所在桥臂设定的上阈值，则判定有可控开关发生故障；

容错切换模块，用于根据故障位置的不同，对4个绕组A1、A2、A3、A4上的电流方向和可控开关进行切换至对应的容错工作模式。

10.根据权利要求9所述的容错控制系统，其特征在于，在所述正常工作模式下，所有可控开关均工作，控制绕组A1、A3的电流方向由其所在的非公共桥臂流入公共桥臂，绕组A2、A4的电流方向由公共桥臂流入其所在的非公共桥臂。

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