CN116857280A - 一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路 - Google Patents

一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路 Download PDF

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胡烽
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丁建夫
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Abstract

本发明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。

Description

一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路。
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。
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。
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。
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。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，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：
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B10；
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B10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Bj，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Di的任一非公共桥臂Bj的上桥臂或下桥臂可控开关发生短路故障时，Di切换至故障模式，Di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Bj同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，Di控制的绕组的参考电流为恒定偏置电流。
按照本发明的第二方面，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：
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；
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；
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；
S104，将故障桥臂所在的容错拓扑Di由正常模式切换至故障模式，使Di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Bj同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，并将Di控制的绕组的参考电流设定为恒定偏置电流。
按照本发明的第三方面，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；
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；
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Di，并通过驱动信号使Di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；
所述故障模式电流控制器用于根据所述容错指令控制与Bj同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，并将Di控制的绕组的参考电流设定为恒定偏置电流。
按照本发明的第四方面，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。
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，只需要10个桥臂即可进行控制，且该容错拓扑可以同时实现开关短路故障容错与开关断路故障容错，还可以进一步根据实际需求拓展至多自由度。
2、本发明提供的四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法，能够在开关器件发生短路故障后及时检测到短路故障的发生，并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。而未发生故障的容错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。该控制方法能够保证磁悬浮轴承系统在开关器件发生短路故障时有效防止绕组电流失控从而降低高速转子碰磨的风险，在开关器件发生短路故障时仍能保证转子稳定悬浮，提高了磁悬浮轴承系统的故障容错能力，具有较高的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的四自由度磁悬浮轴承开关短路容错拓扑的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的四自由度磁悬浮轴承结构示意图；
图3A、3B分别是本发明实施例提供的四自由度磁悬浮轴承开关短路容错拓扑1在正常模式、故障模式下的电路拓扑图；
图4是本发明实施例提供的四自由度磁悬浮轴承开关短路故障容错控制方法流程图；
图5是本发明实施例提供的开关短路故障容错系统控制框图。
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以相互组合。
本发明实施例提供一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑电路，如图1所示，包括：
第一容错拓扑D1、第二容错拓扑D2以及直流电源Vdc；
所述第一容错拓扑包括绕组A1-A4、非公共桥臂B1-B4(B1与B2、B3与B4分别为第一、第二非公共桥臂组)、公共桥臂B5；
所述第一容错拓扑包括绕组C1-C4、非公共桥臂B6-B9(B6与B7、B8与B9分别为第三、第四非公共桥臂组)、公共桥臂B10；
其中，所述非公共桥臂B1-B4的中点分别与绕组A1-A4的一端一一对应连接，绕组A1-A4的另一端均连接至所述公共桥臂B5的中点；所述非公共桥臂B6-B9的中点分别与绕组C1-C4的一端一一对应连接，绕组C1-C4的另一端均连接至公共桥臂B10的中点；
绕组A1与C1用于控制第一磁悬浮轴承的一个自由度的电磁力；绕组A2与C2用于控制第一磁悬浮轴承的另一个自由度的电磁力；
绕组A3与C3用于控制第二磁悬浮轴承的一个自由度的电磁力；绕组A4与C4用于控制第二磁悬浮轴承的另一个自由度的电磁力；
所述非公共桥臂B1-B4、B6-B9及公共桥臂B5、B10的上节点和下节点均分别与所述直流电压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。
也即，本发明提供的拓扑电路包括8个绕组A1、A2、A3、A4、C1、C2、C3、C4，8个非公共桥臂B1、B2、B3、B4、B6、B7、B8、B9，2个公共桥臂B5、B10和1个直流电压源；
桥臂B1、B2、B3、B4的中点分别与绕组A1、A2、A3、A4的一端连接，绕组A1、A2、A3、A4的另一端均连接至公共桥臂B5的中点；桥臂B6、B7、B8、B9的中点分别与绕组C1、C2、C3、C4的一端连接，绕组C1、C2、C3、C4的另一端均连接至公共桥臂B10的中点；其中，绕组A1、C1控制四自由度磁轴承的一个自由度的电磁力，A2、C2，A3、C3与A4、C4分别控制另三个自由度的电磁力；
具体地，如图2所示，两个径向磁悬浮轴承分别由8个绕组控制，其中绕组A1、C1控制第一径向磁悬浮轴承的x方向的电磁力Fx，绕组A2、C2控制第一径向磁悬浮轴承的y方向的电磁力Fy，绕组A3、C3控制第二径向磁悬浮轴承的x方向的电磁力Fx，绕组A4、C4控制第二径向磁悬浮轴承的y方向的电磁力Fy。每个自由度的电磁力由两个绕组的电流共同确定。经过线性化处理后，每个绕组产生的电磁力Fmag和绕组控制电流以及转子相对位置x之间满足Fmag＝Ki*is-Ks*x，其中Ki为电磁力/电流系数；Kx为电磁力/位移系数。
磁悬浮轴承控制系统的控制方式通常采用双闭环控制，外环为位置环，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，通过位置环控制器给出的内环绕组控制电流指令信号，最终通过电流环迅速跟踪，实现电磁力的有效控制。
所述桥臂B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10均包括一个上桥臂和一个下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括一个可控开关和一个与所述可控开关反并联的单向导通器件；所述桥臂B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10的上节点和下节点均分别与所述直流电压源的正极和负极连接；
所述的绕组A1、A2、A3、A4与桥臂B1、B2、B3、B4、B5组成容错拓扑1；绕组C1、C2、C3、C4与桥臂B5、B6、B7、B8、B9、B10组成容错拓扑2；容错拓扑1与容错拓扑2共用一个直流电源；
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Bj，其上桥臂和下桥臂交替处于工作状态；B1-B2(即第一非公共桥臂组)、B6-B7(即第三非公共桥臂组)的上桥臂通断状态相同，B3-B4(即第二非公共桥臂组)、B8-B9(即第四非公共桥臂组)的上桥臂的可控开关工作状态相同并与B1-B2、B6-B7的上桥臂的可控开关工作状态相反(例如，如图1所示，非公共桥臂B1-B2、B6-B7的上桥臂可控开关工作，下桥臂可控开关不工作，非公共桥臂B3-B4、B8-B9与之相反)；且各容错拓扑控制的绕组的参考电流均来自偏置电流与控制电流，其中，A绕组的参考电流通常为偏置电流与控制电流之和，而C绕组参考电流通常为偏置电流与控制电流之和差；
在任一容错拓扑Di的任一非公共桥臂Bj的可控开关发生短路故障时，Di由正常模式切换至故障模式：
当任一容错拓扑Di的任一非公共桥臂Bj的上桥臂可控开关发生短路故障时，其它非公共桥臂的上桥臂可控开关均保持断开状态；当任一容错拓扑Di的任一非公共桥臂Bj的下桥臂可控开关发生短路故障时，其它非公共桥臂的下桥臂可控开关均保持断开状态；
与Bj同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，从而使得Bj所控绕组的电流方向与Di的其它非公共桥臂所控绕组的电流方向相反；
Di控制的绕组的参考电流为恒定偏置电流；未进入故障模式的容错拓扑控制的绕组的参考电流仍来自偏置电流与控制电流之和；
不论是容错拓扑是在在故障模式还是在正常模式下，公共桥臂B5、B10的上、下桥臂均正常可控。
具体地，容错拓扑1、2(即第一、第二容错拓扑)均具有正常模式与故障模式，且控制方法相同。以容错拓扑1为例，在正常模式下，非公共桥臂B1、B2的上桥臂可控开关工作，下桥臂可控开关不工作；非公共桥臂B3、B4的上桥臂可控开关不工作，下桥臂可控开关工作；在故障模式下，故障的非公共桥臂与另外三个非公共桥臂的可控开关控制反向，绕组电流控制方向相反。其表示若故障的非公共桥臂在正常模式下是上桥臂可控开关工作，下桥臂可控开关不工作，则其余三个非公共桥臂则更改成上桥臂可控开关不工作，下桥臂可控开关工作。
具体地，图3A为容错拓扑1正常模式下的电路拓扑图，图3B为容错拓扑1可控开关S1发生短路故障后切换至故障模式下的电路拓扑图。如图3A所示，在正常模式下，非公共桥臂B1、B2的上桥臂可控开关S1、S2工作，下桥臂可控开关S1`、S2`不工作；非公共桥臂B3、B4的上桥臂可控开关S3、S4不工作，下桥臂可控开关S3`、S4`工作。在该模式下，公共桥臂上下桥臂可控开关S5、S5`正常工作，桥臂B1、B2的下桥臂可控开关S1`、S2`和桥臂B3、B4的上桥臂可控开关S3、S4保持断开状态，不参与电流控制。
当任一容错拓扑有非公共桥臂的可控开关发生短路故障时(即故障桥臂所表现的故障形式为闭合的可控开关出现短路故障)，会对绕组电流控制产生影响，使绕组电流显著偏离参考值，进而导致磁悬浮轴承转子悬浮失稳，可控开关器件发生短路时的具体现象包括：
当桥臂B1的上桥臂可控开关S1发生短路故障后，绕组A1一端直接连接至直流电源正极，绕组A1的电流迅速上升，绕组A1的电流控制器输出的调制比迅速减小，A1电流上升直至触发电流保护，导致系统停机；同样地，当桥臂B2的上桥臂可控开关S2发生短路故障后，绕组A2电流迅速上升；当桥臂B3的下桥臂可控开关S3`发生短路故障后，绕组A3一端直接连接至直流电源负极，绕组A3电流迅速上升；当桥臂B4的下桥臂可控开关S4`发生短路故障后，绕组A4电流迅速上升；
在正常模式下，若上述可控开关S1、S2、S3`、S4`中的任意一个发生了短路故障，则可切换为故障模式。
如图3B所示，当桥臂B1的可控开关S1发生短路故障后，容错拓扑1结构发生改变。此时，桥臂B2的上桥臂可控开关S2断开，下桥臂可控开关S2`闭合；桥臂B3、B4的上桥臂可控开关S3、S4断开，下桥臂可控开关S3`、S4`闭合；桥臂B1的下桥臂可控开关S1`和桥臂B2、B3、B4的上桥臂可控开关S2、S3、S4保持断开状态，不参与电流控制。
如图3B所示，在故障模式下，令绕组A2的电流方向与正常模式下绕组A2的电流方向相反(也即，如果B1的可控开关发生了短路故障，改变电流方向的应该是桥臂B2所控的绕组A2；因为B1的S1出现短路故障后是不能对S1及S1`进行任何操作的，否则会导致桥臂直通，造成更严重的后果；而反向A2的电流方向原因在于，由于S1短路故障后，为了使得A1的电流仍然可控，必须使公共桥臂的电压保持在Vdc附近，如果此时不对A2进行反向，A2的电流将不受控的下降，无法控制)。由于主动式磁轴承所受的电磁力大小与电流平方成正比，与流经线圈的电流方向无关，系统仍能正常工作。最终，故障桥臂与非故障桥臂所控绕组的电流方向相反。
优选地，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。
优选地，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。
本发明实施例提供一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法，应用于如上述任一实施例所述的拓扑电路，如图4所示，包括：
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。
具体地，实时检测绕组A1、A2、A3、A4、C1、C2、C3、C4的电流，计算绕组A1、C1，绕组A2、C2，绕组A3、C3与绕组A4、C4的电流的绝对值之和。
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。
具体地，判断所述的任一绕组A1、C1，绕组A2、C2，绕组A3、C3与绕组A4、C4的电流的绝对值之和是否大于预设电流阈值(即第一阈值T)，若是，则进入步骤S103；若否，则返回步骤S101。
优选地，所述预设电流阈值根据绕组的2倍偏置电流加上一定裕量得到。
可以理解的是，若所述的任一绕组A1、C1，绕组A2、C2，绕组A3、C3与绕组A4、C4的电流的绝对值之和大于预设电流阈值，则意味着可控开关S1、S2、S3`、S4`中的任意一个发生的短路故障。
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。
优选地，与故障桥臂连接的绕组的电流控制器在预设时间内的调制比变化量低于第二阈值。
优选地，实时监测每个绕组的电流控制器输出的调制比大小，并与所设阈值进行比较，当可控开关出现短路故障时，对应绕组的电流控制器输出的调制比会在预设时间内迅速减小并明显低于设定的阈值，以此来定位到具体的故障桥臂。
例如，在正常情况下，电流控制器输出的调制比通常在0.4-0.6左右波动；若出现故障，则调制比会迅速(例如：在0.5ms内)减小为0。
S104，将故障桥臂所在的容错拓扑Di由正常模式切换至故障模式，使Di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Bj同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，并将Di控制的绕组的参考电流设定为恒定偏置电流。
具体地，将所述开关发生短路的容错拓扑由正常模式切换至故障模式，并更改电流分配策略。发生可控开关短路故障的容错拓扑，其所控的绕组参考电流设定为恒定偏置电流；而未发生可控开关短路故障的容错拓扑，其所控的绕组参考电流设定为偏置电流与控制电流。
以图3B为例，可控开关S1发生短路故障后，绕组A1的一端连接至直流电源正极，绕组A1电流迅速上升。为避免绕组A1电流的失控，公共桥臂B5的上桥臂可控开关S5需要保持长时间闭合，以保证绕组A1两端的电压可控。在可控开关S5保持闭合的状态下，绕组A2、A3、A4的电流控制只存在上升与续流模式，电流下降模式消失，导致绕组A2、A3、A4的电流控制性能下降，但其仍可以控制恒定电流。所以此时电流分配策略应更改成容错拓扑1控制恒定的电流(即不能控制动态电流，即绕组A1-A4的参考电流变为恒定值，参考电流仅来自恒定偏置电流)，而未发生短路故障的容错拓扑2控制偏置电流与控制电流(即绕组C1-C4的参考电流均来自偏置电流与位移控制器的指令值)。
综上，本发明实施例提供的四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错控制方法，能够在开关器件发生短路故障后及时检测到短路故障的发生，并通过调整故障拓扑的绕组电流控制方向，使得发生短路故障的容错拓扑仍具备控制恒定绕组电流的能力；发生故障的容错拓扑驱动绕组产生恒定的偏置电流，正常的容错拓扑驱动绕组产生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，可有效防止由于开关短路故障造成绕组电流失控进一步引起高速旋转的转子碰撞的风险。该容错拓扑与控制方法实现了磁悬浮轴承系统的开关短路故障容错运行，能够保证磁悬浮轴承系统在开关器件发生短路故障时，仍能保证转子稳定悬浮，提高了系统的故障容错能力。
下面对本发明提供的一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑及控制系统进行描述，下文描述的一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑及控制系统与上文描述的一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错拓扑及控制方法可相互对应参照。
本发明实施例提供一种四自由度磁悬浮轴承的开关短路容错控制系统，如图5所示，包括：如上述任一实施例所述的拓扑电路、故障检测模块、PWM信号切换模块及故障模式电流控制器；
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。
具体地，磁悬浮轴承系统的控制方式通常采用双闭环控制，外环为位置环，通过位移传感器反馈的转子相对位置信号与给定位置做差后输出给位移控制器，位移控制器经过计算给出内环绕组的参考电流指令。电流控制器接收该参考电流指令后，经计算输出合适的PWM信号驱动拓扑产生实际的绕组电流。
所述故障检测模块对绕组A1、A2、A3、A4、C1、C2、C3、C4的电流与电流控制器输出的调制比进行实时检测，计算绕组A1、C1，绕组A2、C2，绕组A3、C3与绕组A4、C4的电流绝对值之和；若上述的任一对绕组电流绝对值之和大于预设电流阈值，则给PWM信号切换模块发出容错指令将所述的容错拓扑由正常模式切换至故障模式。
其中，所述预设电流阈值的大小由所驱动的磁悬浮轴承系统确定，用于保证及时和准确的检测出可控开关器件的短路故障。例如：根据绕组A1、C1的偏置电流之和加上一定裕量得到。
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Di，并通过驱动信号使Di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。
具体地，所述PWM信号切换模块收集正常模式电流控制器与故障模式电流控制器所产生的两组PWM信号，然后根据容错指令来决定采用哪种模式控制。
所述故障模式电流控制器用于根据所述容错指令控制与Bj同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，并将Di控制的绕组的参考电流设定为恒定偏置电流。
具体地，所述故障模式电流控制器，用于将发生短路故障的容错拓扑所控绕组的参考电流指令更改为恒定的偏置电流，并控制与故障桥臂同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向。
也即，采用PWM信号切换模块将磁悬浮轴承的正常模式电流控制器切换至故障模式电流控制器，以对故障模式下的容错拓扑进行控制。
进一步地，如图5所示，该系统还包括正常模式电流控制器，用于控制处于正常模式的容错拓扑中各桥臂所控绕组的电流。
本发明实施例提供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上述任一实施例所述的方法。
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 (7)

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B10；
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B10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Bj，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Di的任一非公共桥臂Bj的上桥臂或下桥臂可控开关发生短路故障时，Di切换至故障模式，Di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Bj同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，Di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：
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；
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；
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；
S104，将故障桥臂所在的容错拓扑Di由正常模式切换至故障模式，使Di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Bj同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，并将Di控制的绕组的参考电流设定为恒定偏置电流。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，与故障桥臂连接的绕组的电流控制器在预设时间内的调制比变化量低于第二阈值。
6.一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：如权利要求1-3任一项所述的拓扑电路、故障检测模块、PWM信号切换模块及故障模式电流控制器；
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；
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Di，并通过驱动信号使Di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；
所述故障模式电流控制器用于根据所述容错指令控制与Bj同组的非公共桥臂所控绕组的电流反向，并将Di控制的绕组的参考电流设定为恒定偏置电流。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，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权利要求4-5任一项所述的方法。
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