CN116753234A - 磁悬浮轴承冗余电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种磁悬浮轴承冗余电路及控制方法。所述电路包括：四个功率开关器件组成的桥式结构，其中每个桥臂上设置一个功率开关器件；功率开关器件用于给磁悬浮轴承的线圈提供工作电流；磁悬浮轴承的线圈控制模块两端分别连接第一功率开关器件的输出端和第二功率开关器件的输入端，第一功率开关器件的输出端和第三功率开关器件的输出端通过第三二极管相连，第三功率开关器件的输出端与第二功率开关器件的输入端之间通过第二二极管相连，第一二极管的一端连接所述第一功率开关器件的输出端，另一端接地，第一功率开关器件的输入端和第二功率开关器件的输出端分别连接直流电源的两端。采用本方法能够实现磁悬浮轴承冗余控制。

Description

磁悬浮轴承冗余电路及控制方法

技术领域

本申请涉及控制电路技术领域，特别是涉及一种磁悬浮轴承冗余电路及控制方法。

背景技术

磁悬浮轴承主要应用在高转速领域，在磁悬浮轴承转子系统中，因系统转速高，为避免磁悬浮控制系统失效导致转子系统故障或机械损坏一般采取配置保护轴承的方式，但是保护轴承只能用于短时支承，且使用寿命也较短，需要定期检修维护。磁悬浮轴承系统主要由磁浮轴承驱动器和磁浮轴承构成，磁浮轴承主要由钢制铁芯和铜制线圈构成，其故障率极低；轴承驱动器是由功率放大器和控制器组成，其功率放大器为磁浮轴承线圈提供工作电流，是故障主要的原因之一，因此，亟待一种能够解决磁悬浮轴承故障问题的控制电路。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种磁悬浮轴承冗余电路及控制方法。

一种磁悬浮轴承冗余电路，所述电路包括：

四个功率开关器件组成的桥式结构，其中每个桥臂上设置一个功率开关器件；所述功率开关器件用于给所述磁悬浮轴承的线圈提供工作电流；

所述磁悬浮轴承的线圈控制模块两端分别连接第一功率开关器件的输出端和第二功率开关器件的输入端，所述第一功率开关器件的输入端和第三功率开关器件的输入端相连，所述第一功率开关器件的输出端和第三功率开关器件的输出端通过第三二极管相连，所述第三功率开关器件的输出端与第二功率开关器件的输入端之间通过第二二极管相连，第一二极管的一端连接所述第一功率开关器件的输出端，另一端接地，所述第一功率开关器件的输入端和所述第二功率开关器件的输出端分别连接直流电源的两端。

在其中一个实施例中，在第一工作状态下，所述第一功率开关器件和所述第二功率开关器件均导通，所述第一功率开关器件和所述第二功率开关器件形成所述线圈控制模块的控制回路，所述第三功率开关器件和第四功率开关器件冗余。

在其中一个实施例中，在第二工作状态下，所述第一功率开关器件断开，所述第二功率开关器件，所述第一二极管和所述第二功率开关器件形成所述线圈控制模块的控制回路；所述第二二极管和第三二极管形成所述线圈控制模块的控制回路；所述第一二极管和所述第二功率开关器件以及所述第二二极管和第三二极管之间互为冗余。

在其中一个实施例中，在第三工作状态下，所述第一功率开关器件导通，所述第二功率开关器件断开，所述第二二极管和第三二极管形成所述线圈控制模块的控制回路。

在其中一个实施例中，所述电路还包括：第一电压传感器、第二电压传感器以及第三电压传感器；

所述第一电压传感器的两端分别连接所述直流电源的两端，所述第二电压传感器与所述第一二极管并联，所述第三电压传感器与所述第二功率开关器件并联；

所述第一电压传感器用于检测所述直流电源的电压，所述第二电压传感器用于检测所述线圈控制模块第一端的电压，所述第三电压传感器用于检测所述线圈控制模块第二端的电压。

在其中一个实施例中，所述线圈控制模块包括：电流传感器和所述磁悬浮轴承的线圈；所述电流传感器用于采集通过所述线圈的电流值。

一种磁悬浮轴承冗余电路的控制方法，应用于上述磁悬浮轴承冗余电路中，所述方法包括：

通过所述第一电压传感器、第二电压传感器以及第三电压传感器的测量值，确定所述第一功率开关器件和所述第二功率开关器件的开关状态；

根据所述第一功率开关器件和所述第二功率开关器件的开关状态对所述磁悬浮轴承的线圈进行冗余控制。

上述磁悬浮轴承冗余电路及控制方法，采用桥式结构进行磁悬浮轴承的线圈控制，通过分析磁悬浮轴承线圈控制电路的失效原因，将易出故障点为功率开关器件，由于桥式结构的特殊性，在具体故障分析时，简化为两个功率开关器件上的故障分析，通过考虑第一功率开关器件和第二功率开关器件的不同失效模式，进行不同情况分析，并且对每种情况设置对应的冗余措施，避免了磁悬浮轴承控制电路在发生失效时，无法正常工作的问题。

附图说明

图1为一个实施例中磁悬浮轴承冗余电路的电路图；

图2为一个实施例中Q1开路时的电路图；

图3为一个实施例中Q1短路时的电路图；

图4为一个实施例中Q2开路时的电路图；

图5为一个实施例中Q2短路时的电路图；

图6为一个实施例中第三状态时的回路图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种磁悬浮轴承冗余电路，包括以下步骤：

四个功率开关器件组成的桥式结构，其中每个桥臂上设置一个功率开关器件；功率开关器件用于给磁悬浮轴承的线圈TR1提供工作电流。

磁悬浮轴承的线圈控制模块两端分别连接第一功率开关器件Q1的输出端和第二功率开关器件Q2的输入端，第一功率开关器件Q1的输入端和第三功率开关器件Q3的输入端相连，第一功率开关器件Q1的输出端和第三功率开关器件Q3的输出端通过第三二极管D3相连，第三功率开关器件Q3的输出端与第二功率开关器件Q2的输入端之间通过第二二极管D2相连，第一二极管D1的一端连接第一功率开关器件Q1的输出端，另一端接地，第一功率开关器件Q1的输入端和第二功率开关器件Q2的输出端分别连接直流电源DC的两端。

上述磁悬浮轴承冗余电路中，采用桥式结构进行磁悬浮轴承的线圈控制，通过分析磁悬浮轴承线圈控制电路的失效原因，将易出故障点为功率开关器件，由于桥式结构的特殊性，在具体故障分析时，简化为两个功率开关器件上的故障分析，通过考虑第一功率开关器件和第二功率开关器件的不同失效模式，进行不同情况分析，并且对每种情况设置对应的冗余措施，避免了磁悬浮轴承控制电路在发生失效时，无法正常工作的问题。

值得说明的是，工作状态下控制方法，分析电路存在三种工作状态，第一种工作状态是Q1、Q2导通，TR1两端接入电源电压，电流增加，在此工作状态时Q3与Q1冗余，Q4与Q2冗余；第二种工作状态是Q1断开，TR1通过D1、Q2或者D2、D3回路续流工作，电流减小，其中通过控制Q2可使D1、Q2与D2、D3构成并联关系，互为冗余。第三种工作状态是Q1导通，Q2断开，TR1通过D2、D3回路续流工作，电流减小，此工作状态主要用于Q2失效短路检测。

在其中一个实施例中，电路还包括：第一电压传感器TV1、第二电压传感器TV2以及第三电压传感器TV3；第一电压传感器TV1的两端分别连接直流电源的两端，第二电压传感器TV2与第一二极管D1并联，第三电压传感器TV3与第二功率开关器件Q2并联；第一电压传感器TV1用于检测直流电源DC的电压，第二电压传感器TV2用于检测线圈控制模块第一端的电压，第三电压传感器TV3用于检测线圈控制模块第二端的电压。

在其中一个实施例中，在第一工作状态下，第一功率开关器件和第二功率开关器件均导通，第一功率开关器件和第二功率开关器件形成线圈控制模块的控制回路，第三功率开关器件和第四功率开关器件冗余。

在其中一个实施例中，在第二工作状态下，第一功率开关器件断开，第二功率开关器件，第一二极管和所述第二功率开关器件形成所述线圈控制模块的控制回路；第二二极管和第三二极管形成线圈控制模块的控制回路；第一二极管和第二功率开关器件以及所述第二二极管和第三二极管之间互为冗余。

在其中一个实施例中，在第三工作状态下，第一功率开关器件导通，所述第二功率开关器件断开，第二二极管和第三二极管形成所述线圈控制模块的控制回路。

具体的，针对电路结构，主要需考虑Q1、Q2失效，功率开关器件失效一般有两种状态，即短路及开路。当Q1失效开路，如图2所示，在第一种工作状态时，通过TV2可检测到电路节点A电压为零，电路工作正常时TV2检测为电源电压，此时判断Q1失效处于开路状态，可通过开通Q3，由Q3、D3、Q2构成回路正常工作。当Q1失效短路时，如图3所示，通过TV2可检测到电路节点A电压在第二种工作状态时为电源电压，正常工作时为零，则可判断Q1失效短路，此时在第一种工作状态按正常工作模式，Q1、Q2继续构成回路，在下周期正常工作；在第二种工作状态时则关断Q2，续流回路由D2、D3构成。

当Q2失效开路，如图4所示，在第一种工作状态时，通过TV3可检测到电路节点B电压为电源电压，电路正常工作时B点电压为零，此时判断Q2失效开路，可通过开通Q4，由Q4、D2构成回路正常工作。当Q2失效短路，如图5所示，因D1、Q2与D2、D3构成并联关系，互为冗余，电路工作处于正常状态，此处采用定期检测方式来判断Q2失效状态，即一定周期内，进入第三种工作状态一次，当Q1导通，Q2正常关断进入第三种工作状态时，如图6所示，此时通过TV3可检测到电路节点B电压为电源电压，如果检测结果为零，则判断Q2失效短路，因D1、Q2与D2、D3构成并联关系，互为冗余，Q2失效短路后，电路将继续正常工作在第一种、第二种工作状态。

综上，本发明采用的技术方案如下：正常工况时由Q1、Q2、D1、D2、D3、TR1构成工作回路，TV1检测电源电压；TV2检测电路节点A对地电压；TV3检测电路节点B对地电压；CT1检测TR1工作回路电流。采用电流控制的悬浮控制方法，利用电磁铁与轴承之间的间隙，间隙的微分值，通过控制器算出电磁铁的电流期望值，利用电流期望值和电磁铁端部实际电流值进行计算，得到驱动功率开关Q1、Q2的信号并通过隔离放大后分别驱动Q1、Q2；通过调整悬浮过程中电磁铁的工作电流，使得电磁铁与轴承之间的悬浮力作相应的改变，从而保持电磁铁与轴承间的间隙稳定。

在其中一个实施例中，提供一种磁悬浮轴承冗余电路的控制方法，应用于上述磁悬浮轴承冗余电路中，通过第一电压传感器、第二电压传感器以及第三电压传感器的测量值，确定第一功率开关器件和所述第二功率开关器件的开关状态；根据第一功率开关器件和第二功率开关器件的开关状态对磁悬浮轴承的线圈进行冗余控制。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种磁悬浮轴承冗余电路，其特征在于，所述电路包括：

四个功率开关器件组成的桥式结构，其中每个桥臂上设置一个功率开关器件；所述功率开关器件用于给所述磁悬浮轴承的线圈提供工作电流；

所述磁悬浮轴承的线圈控制模块两端分别连接第一功率开关器件的输出端和第二功率开关器件的输入端，所述第一功率开关器件的输入端和第三功率开关器件的输入端相连，所述第一功率开关器件的输出端和第三功率开关器件的输出端通过第三二极管相连，所述第三功率开关器件的输出端与第二功率开关器件的输入端之间通过第二二极管相连，第一二极管的一端连接所述第一功率开关器件的输出端，另一端接地，所述第一功率开关器件的输入端和所述第二功率开关器件的输出端分别连接直流电源的两端。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，在第一工作状态下，所述第一功率开关器件和所述第二功率开关器件均导通，所述第一功率开关器件和所述第二功率开关器件形成所述线圈控制模块的控制回路，所述第三功率开关器件和第四功率开关器件冗余。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，在第二工作状态下，所述第一功率开关器件断开，所述第二功率开关器件，所述第一二极管和所述第二功率开关器件形成所述线圈控制模块的控制回路；所述第二二极管和第三二极管形成所述线圈控制模块的控制回路；所述第一二极管和所述第二功率开关器件以及所述第二二极管和第三二极管之间互为冗余。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，在第三工作状态下，所述第一功率开关器件导通，所述第二功率开关器件断开，所述第二二极管和第三二极管形成所述线圈控制模块的控制回路。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：第一电压传感器、第二电压传感器以及第三电压传感器；

所述第一电压传感器的两端分别连接所述直流电源的两端，所述第二电压传感器与所述第一二极管并联，所述第三电压传感器与所述第二功率开关器件并联；

所述第一电压传感器用于检测所述直流电源的电压，所述第二电压传感器用于检测所述线圈控制模块第一端的电压，所述第三电压传感器用于检测所述线圈控制模块第二端的电压。

6.根据权利要求1至4任一项所述的电路，其特征在于，所述线圈控制模块包括：电流传感器和所述磁悬浮轴承的线圈；所述电流传感器用于采集通过所述线圈的电流值。

7.一种磁悬浮轴承冗余电路的控制方法，其特征在于，应用于权利要求5所述的磁悬浮轴承冗余电路中，所述方法包括：

通过所述第一电压传感器、第二电压传感器以及第三电压传感器的测量值，确定所述第一功率开关器件和所述第二功率开关器件的开关状态；

根据所述第一功率开关器件和所述第二功率开关器件的开关状态对所述磁悬浮轴承的线圈进行冗余控制。