CN116950994A - 具备容错能力的磁悬浮轴承控制电路、控制方法及控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具备容错能力的磁悬浮轴承控制电路、控制方法及控制器，属于磁悬浮轴承控制领域，电路包括：磁悬浮轴承中的2N个绕组，直流电源，2个双极性桥臂，2N‑1个单极性桥臂；每个绕组的两端分别连接至两个桥臂的中点；每个单极性桥臂同时与两个绕组相连，每个双极性桥臂仅与一个绕组相连；各桥臂的上、下端分别与直流电源正、负极相连；方法包括：实时判断与故障开关器件相关的绕组，封锁控制该绕组的开关器件，并使该绕组中的电流反向，并建立电流约束；在电流约束下，重新计算各绕组的电流指令值，使得电磁力在故障前、后保持一致，并由此确定控制电路中各开关器件的开关信号。本发明能够在实现开关断路容错能力的同时，减少开关器件数量。
Description
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及具备开关断路容错能力的磁悬浮轴承控制电路及控制方法。
背景技术
磁悬浮轴承是机电一体化系统，其目的是为了取代传统机械轴承，实现转子与磁极之间的无接触稳定运行，极其适用于高转速，需要洁净空间的场合，在飞轮储能、压缩机、鼓风机等工业应用中应用广泛。磁悬浮轴承的工作原理是将磁极通以电流产生电磁力使转子稳定悬浮。对于主动磁悬浮轴承系统，主要包括转子、传感器、控制器、电磁执行器等部分。通过位置传感器采集到转子位置信息，控制器接收到转子各自由度的位置信息，为各绕组提供所需的电流，电磁执行器则是起到将线圈中的电流转换为实现转子稳定悬浮的电磁力。其中，功率放大器作为控制器中的一环，是机电转化的核心，在整个系统中发挥着至关重要的作用。
在申请号为202010435591.0的专利文件中，公开了一种应用于磁悬浮轴承的串联绕组控制装置及方法，包括5个单向导通器件、5个可控开关、4个绕组和电源。改变各个可控开关在一个开关周期内的导通时间控制通过各绕组的电流，通过将4个绕组分为两组，控制绕组中共模电流与差模电流的方式，实现对磁悬浮轴承中控制两个自由度的4个绕组电流的控制。本发明4个绕组串联，对于单个八极径向磁轴承的4个绕组只需要5个桥臂进行控制，对普通的桥式电路中单个线圈需要两个桥臂控制的方式，有效提高了器件的利用率。
但是，在功率放大器中，电力电子器件数量多，潜在的故障点较多，在高载荷，高动态，强干扰的复杂环境下，电力电子器件极易发生断路故障。磁悬浮轴承的功率放大器中，如果开关器件发生断路故障，会导致电压控制失效，从而使绕组电流偏离指令值，转子位置失稳，造成高速转子与保护轴承之间来回碰撞等严重后果。而上述专利文件所提供的装置不具备开断断路故障的容错能力，针对这一问题，以申请号为CN202011605006.3为例的系列专利曾提出具有开关断路容错能力的功率放大器，但其为实现开关断路容错增加了一倍的全控型开关器件来实现冗余备份，器件数量过多，占用体积较大。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了具备容错能力的磁悬浮轴承控制电路、控制方法及控制器，其目的在于，对磁悬浮轴承控制电路的拓扑进行优化，在保证该控制电路具有开关断路容错能力的同时，减少电路中全控型开关器件的数量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具备开关断路容错能力的磁悬浮轴承控制电路，磁悬浮轴承包括2N个绕组，且具有N个自由度，每个自由度由两个绕组共同控制，N为正整数；控制电路包括：磁悬浮轴承中的2N个绕组，直流电源以及2N+1个桥臂；2N+1个桥臂中，2个为双极性桥臂，2N-1个为单极性桥臂；
每个绕组的两端分别连接至两个桥臂的中点；每个单极性桥臂同时与两个绕组相连，每个双极性桥臂仅与一个绕组相连；
各桥臂的上端和下端分别与直流电源的正极和负极相连。
按照本发明的又一个方面，提供基于上述具备开关断路容错能力的磁悬浮轴承控制电路的控制方法，包括如下步骤：
(S1)实时检测各绕组的电流，以实时判断出现故障的自由度，作为故障自由度，并在检测到断路故障后，判断控制故障自由度的两个绕组中与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组，作为目标绕组；
(S2)封锁当前控制目标绕组的全控型开关器件；若存在与目标绕组相连的双极性桥臂，则打开该双极性桥臂中位于下桥臂的全控型开关器件；
(S3)使目标绕组中的电流反向，并对目标绕组连接的两个桥臂建立相应的电流约束；
对于双极性桥臂，其电流约束为：其所连接绕组的电流大于0；
对于单极性桥臂，其电流约束为：其所连接的两个绕组电流大小相等且电流方向一个流进桥臂，另一个流出桥臂；
(S4)在电流约束下，重新计算各绕组的电流指令值，使得控制各自由度的两个绕组产生的电磁力在断路故障前、后保持一致；
(S5)根据步骤(S4)计算的电流指令值确定控制电路中各全控型开关器件的开关信号。
进一步地，步骤(S1)中，判断出现故障的自由度，包括：
对于每一个自由度，判断控制该自由度的两个绕组的电流之和是否小于预设的偏置阈值，若是，则判断该自由度为发生故障的自由度。
进一步地，步骤(S1)中，在检测到断路故障后，判断控制故障自由度的两个绕组中与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组，包括：
获取控制故障自由度的两个绕组的绕组调制波并进行比较，将绕组调制波较大的绕组判定为与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组。
进一步地，步骤(S4)中，对于任意一个自由度，在发生断路故障前、后控制该自由度的两个绕组的电流指令值满足：
其中，iaN和icN为发生断路故障前两个绕组中的电流大小，ia和ic为发生断路故障后两个绕组中的电流大小，s1和s2分别为转子到该自由度下的两磁极的距离。
进一步地，步骤(S5)包括：
(S51)分别将各绕组的电流指令值和电流反馈值作差后进行PI控制，得到各绕组的绕组调制波；
(S52)根据(S51)计算的绕组调制波以及基尔霍夫电压定律，计算施加至各桥臂中点的桥臂调制波；
(S53)对(S52)计算的桥臂调制波进行载波比较，得到各桥臂中点期望的PWM信号；
(S54)根据各桥臂重点期望的PWM信号确定各桥臂中各全控型开关器件的驱动信号；对于任意一个全控型开关器件，若其位于上桥臂，则其驱动信号与桥臂中点期望的PWM信号一致，若其位于下桥臂，则其驱动信号与桥臂中点期望的PWM信号相反。
按照本发明的又一个方面，提供了基于上述具备开关断路容错能力的磁悬浮轴承控制电路的控制器，包括：
电流检测模块，与各绕组相连，用于实时检测各绕组的电流；
故障识别模块，与电流检测模块相连，用于根据电流检测模块检测到的电流判断出现故障的自由度，作为故障自由度，并在检测到断路故障后，判断控制故障自由度的两个绕组中与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组，作为目标绕组；
变偏置电流控制模块，包括约束构建单元以及电磁力重构单元；
约束构建单元，与故障识别模块相连，用于使目标绕组中的电流反向，并对目标绕组连接的两个桥臂建立相应的电流约束；对于双极性桥臂，其电流约束为：其所连接绕组的电流大于0；对于单极性桥臂，其电流约束为：其所连接的两个绕组电流大小相等且方向相反；
电磁力重构单元，与约束构建单元相连，用于在电流约束下，重新计算各绕组的电流指令值，使得控制各自由度的两个绕组产生的电磁力在断路故障前、后保持一致；
以及电流控制模块，与电磁力重构模块相连，用于根据电磁力重构模块计算的电流指令值确定控制电路中各全控型开关器件的开关信号；电流控制模块，还与各全控型开关器件相连，用于使能或封锁全控型开关器件。
进一步地，故障识别模块根据电流检测模块检测到的电流判断出现故障的自由度，包括：
对于每一个自由度，判断控制该自由度的两个绕组的电流之和是否小于预设的偏置阈值，若是，则判断该自由度为发生故障的自由度；
并且，故障识别模块在检测到断路故障后，判断控制故障自由度的两个绕组中与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组，包括：
获取控制故障自由度的两个绕组的绕组调制波并进行比较，将绕组调制波较大的绕组判定为与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组。
进一步地，电流控制模块包括：
电流比较单元，其第一输入端用于接收电流指令值，其第二输入端与电流检测模块相连，其用于将绕组的电流指令值与电流反馈值作差；
电流控制单元，其输入端连接至电流比较单元的输出端，用于对电流比较单元输出的电流差值进行PI控制，得到绕组调制波；
变换矩阵单元，其输入端与电流控制单元的输出端相连，用于根据电流控制器输出的绕组调制波以及基尔霍夫电压定律，计算施加至各桥臂中点的桥臂调制波；
开关驱动单元，与各全控型开关器件相连，用于使能或封锁开关；
载波比较单元，其输入端与变换矩阵单元的输出端相连，用于对变换矩阵计算的桥臂调制波进行载波比较，得到各桥臂中点期望的PWM信号；
以及驱动信号生成单元，其输入端与载波比较单元的输出端相连，其输出端与各全控型开关器件相连，用于根据各桥臂重点期望的PWM信号确定各桥臂中各全控型开关器件的驱动信号；对于任意一个全控型开关器件，若其位于上桥臂，则其驱动信号与桥臂中点期望的PWM信号一致，若其位于下桥臂，则其驱动信号与桥臂中点期望的PWM信号相反。
按照本发明的又一个方面，提供了一种磁悬浮轴承系统，包括磁悬浮轴承，本发明提供的上述控制电路，以及本发明提供的上述控制器。
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)本发明提供的备开关断路容错能力的磁悬浮轴承控制电路，其在实现关断路容错能力的同时，仅需2个冗余的全控型开关器件。
(2)本发明提供的控制方法，通过实时检测控制器的电流及电流环输出的调制波运行情况来判断是否发生断路故障，能够准确检测出开关断路故障，并定位出相关的绕组；在此基础上，在面对断路故障下，通过封锁相关的全控型开关器件，并根据电路拓扑的电流约束，同时基于电磁力重构的原则重新计算各绕组的电流指令值，能有效防止开关在发生断路故障后磁悬浮轴承系统失稳，避免转子跌落，有效提升系统可靠性，具有很好的实际应用价值。
总的来说，对于磁悬浮轴承系统而言，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应对能力，且所需冗余器件数量较少，不会对控制器造成较大的硬件设计负担。
附图说明
图1为现有的八极径向(前后两端)磁悬浮轴承结构示意图；
图2为本发明实施例提供的面向八极径向(前后两端)磁悬浮轴承的控制电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的控制方法流程图；
图4为本发明实施例提供的整体控制框图；
图5为本发明实施例提供的不同状态下绕组电流流通方向及流通路径的示意图；其中，(a)为正常工作时，各绕组电流流通方向及流通路径示意图；(b)～(e)为各开关发生断路故障后绕组电流流通方向及流通路径示意图；
图6为本发明实施例提供的电流控制模块框图。
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。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
在详细解释本发明的技术方案之前，先对磁悬浮轴承的结构及控制方式进行简要介绍如下：
对于具有N个控制自由度的磁悬浮轴承，每个自由度分别由两个绕组共同控制，相应地，具有2N个绕组；按照现有技术，为了实现开关断路故障容错能力，其控制电路需要2N+1个双极性桥臂，相应需要2×(2N+1)个全控型开关器件。
以图1所示为八极径向(前后两端)磁悬浮轴承为例，该磁悬浮轴承包括4个控制自由度，每个自由度分别由两个绕组共同控制，具体地，x1方向由绕组A1，C1控制，y1方向由绕组A2，C2控制，x2方向由绕组A3，C3控制，y2方向由绕组A4，C4控制。按照现有的容错方案，其控制电路需要9个双极性桥臂，相应需要18个全控型开关器件，相比于不具有容错能力的控制电路，全控型开关器件的数量增加了一倍，冗余器件数量为9。
器件冗余较多，占用体积过大。
为了解决现有的磁悬浮轴承的控制电路在实现开关断路故障容错能力的同时，需要较多冗余器件，占用体积过大的技术问题，本发明提供了具备容错能力的磁悬浮轴承控制电路、控制方法及控制器，其整体思路在于：基于电磁力重构的思想对磁悬浮轴承的控制电路的拓扑结构进行改进，在实现开关断路故障容错能力的同时，减少控制电路中全控型开关器件的数量。不失一般性地，在以下实施例均以图1所示的具有4个自由度的磁悬浮轴承为例进行说明。
以下为实施例。
实施例1：
一种具备开关断路容错能力的磁悬浮轴承控制电路，如图1所示，磁悬浮轴承包括8个绕组，且具有4个自由度，每个自由度由两个绕组共同控制；
如图2所示，控制电路包括：磁悬浮轴承中的8个绕组，直流电源以及9个桥臂；9个桥臂中，2个为双极性桥臂，7个为单极性桥臂；
每个绕组的两端分别连接至两个桥臂的中点；每个单极性桥臂同时与两个绕组相连，每个双极性桥臂仅与一个绕组相连；
各桥臂的上端和下端分别与直流电源的正极和负极相连。
容易理解的是，如图2所示，所谓单极性桥臂，为上桥臂或是下桥臂中有且仅有一个为全控型开关器件，双极性桥臂中上桥臂与下桥臂均为全控型器件，且全控型开关器件需反并联一个单向导通器件。可选地，本实施例中，全控型开关器件包括绝缘栅双极晶体管；单向导通器件为二极管。
图2所示的控制电路中，正常工作时，两个双极性桥臂中仅上桥臂的全控型开关器件参与绕组的控制，下桥臂的全控型开关器件则作为冗余备份，在发生开关断路故障时参与绕组的控制。相比于不具有容错能力的控制电路，仅存在两个冗余的开关器件，相比于现有的容错方案，冗余器件数量大大减少。
容易理解的是，当磁悬浮轴承控制自由度增加时，相应增加单极性桥臂数量即可。此外，需要说明的是，当磁悬浮轴承的控制自由度增加时，若采用现有的容错方案，则其冗余开关器件的数量将随之增加，而采用本发明提供的控制电路，其冗余开关器件的数量仍然为2。
实施例2：
基于上述实施例1提供的具备开关断路容错能力的磁悬浮轴承控制电路的控制方法，如图3所示，包括如下步骤：
(S1)实时检测各绕组的电流，以实时判断出现故障的自由度，作为故障自由度，并在检测到断路故障后，判断控制故障自由度的两个绕组中与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组，作为目标绕组；
在磁悬浮轴承正常工作时，两个绕组的电流之和为两倍的预设偏置电流，即2Ibias0；以某一个自由度的两个绕组为例，这两个绕组的电流iaN和icN之和满足：iaN+icN＝2Ibias0；
而在发生开关断路故障后，发生故障的全控型开关器件所控制的绕组电流将显著减小，相应自由度下的两个绕组的电流之和将迅速减小；根据正常及故障情况下同一自由度下的两个绕组电流之和的大小合理设定一个阈值Ilimit，该阈值应小于2Ibias0，在磁悬浮轴承工作时，实时检测控制各自由度的两个绕组电流之和，并与阈值进行比较，当某个自由度对应的两个绕组电流之和小于设定的阈值时，即可判断该自由度对应的两个绕组电流出现问题；进一步地，由于发生断路故障的全控型开关器件所控制的绕组电流会迅速减小，与电流指令值之间的差值将增加，相应导致该绕组的绕组调制波增加，因此，在确定电流出现问题的两个绕组后，进一步通过比较绕组调制波，找出绕组调制波较大的绕组，即可将故障定位到控制某个绕组的开关器件出故障；
基于此，本实施例的步骤(S1)中，判断出现故障的自由度，包括：
对于每一个自由度，判断控制该自由度的两个绕组的电流之和是否小于预设的偏置阈值，若是，说明控制该自由度的两个绕组所连接的桥臂中存在发生断路故障的全控型开关器件，则判断该自由度为发生故障的自由度；
本实施例的步骤(S1)中，在检测到断路故障后，判断控制故障自由度的两个绕组中与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组，包括：
获取控制故障自由度的两个绕组的绕组调制波并进行比较，将绕组调制波较大的绕组判定为与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组；
(S2)封锁当前控制目标绕组的全控型开关器件；若存在与目标绕组相连的双极性桥臂，则打开该双极性桥臂中位于下桥臂的全控型开关器件；
定位与发生断路故障的全控型开关器件相关的目标绕组后，进一步判断具体出现故障的全控型开关器件，难度较高，本实施例的步骤(S2)直接封锁当前控制目标绕组的全控型开关器件，能够以较低的控制复杂度切断故障器件的连接；
(S3)使目标绕组中的电流反向，并对目标绕组连接的两个桥臂建立相应的电流约束；
封锁相关全控型开关器件后，被封锁开关器件所在的单极性桥臂既不能吸收电流也不能释放电流，因此，目标绕组中的电流需反向，且目标绕组所连接的两个桥臂需满足相应的电流约束，以保证电路的正常工作；具体地，对于双极性桥臂，其电流约束为：其所连接绕组的电流大于0，此为不等式约束；对于单极性桥臂，其电流约束为：其所连接的两个绕组电流大小相等且电流方向一个流进桥臂，另一个流出桥臂，此为等式约束；
(S4)在电流约束下，重新计算各绕组的电流指令值，使得控制各自由度的两个绕组产生的电磁力在断路故障前、后保持一致；
为保证控制电路具有开关断路故障容错能力，需要保证发生开关断路故障后，控制各自由度的绕组产生的电磁力与原有正常工况下的电磁力相等；以一个自由度为例，在正常情况下，两个绕组电流为iaN和icN，正常工况下两电流之和为两倍的系统预设偏置电流，即iaN+icN＝2Ibias，其对应的电磁力为其中s1，s2分别为转子到该自由度下的两磁极的距离，可以通过位置传感器得到，kmag为产生电磁力的系数，可以视为常数；
在发生断路故障后保证容错模态下的两个绕组电流ia与ic产生电磁力的大小与正常模态下一致即可，即即
对于各自由度，按照上述电流关系，建立相应的方程，并在约束条件下求解，即可得到各绕组的新的电流指令值；
(S5)根据步骤(S4)计算的电流指令值确定控制电路中各全控型开关器件的开关信号；
本实施例的步骤(S5)包括：
(S51)分别将各绕组的电流指令值和电流反馈值作差后进行PI控制，得到各绕组的绕组调制波；
(S52)根据(S51)计算的绕组调制波以及基尔霍夫电压定律，计算施加至各桥臂中点的桥臂调制波；
容易理解的是，为避免出现过调制现象，各个桥臂的调制波需限制在[0,Vdc]的范围内，其中，Vdc为直流母线电压；
(S53)对(S52)计算的桥臂调制波进行载波比较，得到各桥臂中点期望的PWM信号；
(S54)根据各桥臂重点期望的PWM信号确定各桥臂中各全控型开关器件的驱动信号；对于任意一个全控型开关器件，若其位于上桥臂，则其驱动信号与桥臂中点期望的PWM信号一致，若其位于下桥臂，则其驱动信号与桥臂中点期望的PWM信号相反。
本实施例所提供的控制方法，能够准确检测出开关断路故障，并定位出相关的绕组；在此基础上，通过封锁相关的全控型开关器件，建立相应的电流约束，并基于电磁力重构的原则重新计算各绕组的电流指令值，能有效防止开关在发生断路故障后磁悬浮轴承系统失稳，避免转子跌落，有效提升系统可靠性，具有很好的实际应用价值。
容易理解的是，当磁悬浮绕组正常工作时，按照各绕组给定的电流指令值进行控制，确定各开关器件的驱动信号即可，驱动开关信号的确定方式与上述步骤(S5)类似，所不同之处在于，由于不存在绕组电流反向，基于基尔霍夫电压定律(KVL)建立的绕组调制波与桥臂调制波之间的数学关系有所不同。
图4是本发明提供的正常控制与容错控制的框图，在正常运行情况下各轴绕组为电流差分控制模式，即一个绕组上电流为偏置电流加位置控制器的输出值，相对的绕组上电流为偏置电流减位置控制器的输出值，控制该轴两电流之和实时保持恒定，即恒定偏置电流控制，但在故障后容错运行模式下，由于电路拓扑中的约束，绕组间的电流存在不等式或是等式的约束，这导致控制各轴的绕组电流无法全部实现恒定偏置电流控制策略，故而此时施加的电流控制策略为变偏置电流控制策略。
以下结合具体的故障情况，对本实施例所提供的控制方法做进一步的解释说明。
图5是磁悬浮绕组正常工作情况下以及各开关发生断路故障后绕组电流流通方向及流通路径示意图。图5中的(a)为正常工作下绕组电流流通方向及流通路径，此时绕组调制波从左至右依次为uA1,uA2,uA3,uA4,uC1,uC2,uC3,uC4，从左到右桥臂的调制波依次为u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8,u9。由绕组调制波转换为桥臂调制波需要遵循基尔霍夫电压定律，即，
若第一个桥臂上管发生断路故障，该故障会使得绕组A1的电流明显下降。根据上述的故障检测判断为控制绕组A1的开关管发生断路故障。封锁控制绕组A1的开关管，即第一个桥臂和第二个桥臂的开关管，此时需将绕组A1电流反向并满足在电流约束ia1＝ia2下实现电磁力等效的变偏置控制，正常模态下绕组A1,C1,A2,C2电流分别为ia1N，ic1N，ia2N，ic2N，所以存在且/>
图5中的(b)为容错模态下绕组电流流通方向及流通路径。由绕组调制波转换为桥臂调制波需要遵循基尔霍夫电压定律，即，
若第二个桥臂下管发生断路故障，该故障会使得绕组A1与A2的电流明显下降。若根据上述的故障检测判断为控制绕组A1的开关管发生断路故障。封锁控制绕组A1的开关管，即第一个桥臂和第二个桥臂的开关管，此时需将绕组A1电流反向并满足在电流约束ia1＝ia2下实现电磁力等效的变偏置控制，容错模态下绕组电流流通方向及流通路径如图5中的(b)所示。若根据上述的故障检测判断为控制绕组A2的开关管发生断路故障。封锁控制绕组A2的开关管，即第二个桥臂和第三个桥臂的开关管，此时需将绕组A2电流反向并满足在电流约束ia1＝ia2＝ia3下实现电磁力等效的变偏置控制，容错模态下绕组电流流通方向及流通路径如图5中的(c)所示。
若第三个桥臂上管发生断路故障，该故障会使得绕组A2与A3的电流明显下降。若根据上述的故障检测判断为控制绕组A2的开关管发生断路故障。封锁控制绕组A2的开关管，即第二个桥臂和第三个桥臂的开关管，此时需将绕组A2电流反向并满足在电流约束ia1＝ia2＝ia3下实现电磁力等效的变偏置控制，容错模态下绕组电流流通方向及流通路径如图5中的(c)所示。若根据上述的故障检测判断为控制绕组A3的开关管发生断路故障。封锁控制绕组A3的开关管，即第三个桥臂和第四个桥臂的开关管，此时需将绕组A3电流反向并满足在电流约束ia2＝ia3＝ia4下实现电磁力等效的变偏置控制，容错模态下绕组电流流通方向及流通路径如图5中的(d)所示。
若第四个桥臂下管发生断路故障，该故障会使得绕组A3与A4的电流明显下降。若根据上述的故障检测判断为控制绕组A3的开关管发生断路故障。封锁控制绕组A3的开关管，即第三个桥臂和第四个桥臂的开关管，此时需将绕组A3电流反向并满足在电流约束ia2＝ia3＝ia4下实现电磁力等效的变偏置控制，容错模态下绕组电流流通方向及流通路径如图5的(d)所示。若根据上述的故障检测判断为控制绕组A4的开关管发生断路故障。封锁控制绕组A4的开关管，即第四个桥臂和第五个桥臂的开关管，此时需将绕组A4电流反向并满足在电流约束ia3＝ia4＝ic1下实现电磁力等效的变偏置控制，容错模态下绕组电流流通方向及流通路径如图5的(e)所示。
其余开关管发生断路故障时，具体的控制方式可参考以上描述，在此将不作一一列举。
实施例3：
基于上述具备开关断路容错能力的磁悬浮轴承控制电路的控制器，如图6所示，包括：
电流检测模块，与各绕组相连，用于实时检测各绕组的电流；
故障识别模块，与电流检测模块相连，用于根据电流检测模块检测到的电流判断出现故障的自由度，作为故障自由度，并在检测到断路故障后，判断控制故障自由度的两个绕组中与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组，作为目标绕组；
变偏置电流控制模块，包括约束构建单元以及电磁力重构单元；
约束构建单元，与故障识别模块相连，用于使目标绕组中的电流反向，并对目标绕组连接的两个桥臂建立相应的电流约束；对于双极性桥臂，其电流约束为：其所连接绕组的电流大于0；对于单极性桥臂，其电流约束为：其所连接的两个绕组电流大小相等且方向相反；
电磁力重构单元，与约束构建单元相连，用于在电流约束下，重新计算各绕组的电流指令值，使得控制各自由度的两个绕组产生的电磁力在断路故障前、后保持一致；
以及电流控制模块，与电磁力重构模块相连，用于根据电磁力重构模块计算的电流指令值确定控制电路中各全控型开关器件的开关信号；电流控制模块，还与各全控型开关器件相连，用于使能或封锁全控型开关器件。
本实施例中，故障识别模块根据电流检测模块检测到的电流判断出现故障的自由度，包括：
对于每一个自由度，判断控制该自由度的两个绕组的电流之和是否小于预设的偏置阈值，若是，则判断该自由度为发生故障的自由度；
并且，故障识别模块在检测到断路故障后，判断控制故障自由度的两个绕组中与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组，包括：
获取控制故障自由度的两个绕组的绕组调制波并进行比较，将绕组调制波较大的绕组判定为与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组；
具体的判断依据，可参考上述实施例2中的描述。
如图6所示，本实施例中，电流控制模块包括：
电流比较单元，其第一输入端用于接收电流指令值，其第二输入端与电流检测模块相连，其用于将绕组的电流指令值与电流反馈值作差；
电流控制单元，其输入端连接至电流比较单元的输出端，用于对电流比较单元输出的电流差值进行PI控制，得到绕组调制波；
变换矩阵单元，其输入端与电流控制单元的输出端相连，用于根据电流控制器输出的绕组调制波以及基尔霍夫电压定律，计算施加至各桥臂中点的桥臂调制波；
载波比较单元，其输入端与变换矩阵单元的输出端相连，用于对变换矩阵计算的桥臂调制波进行载波比较，得到各桥臂中点期望的PWM信号；
开关驱动单元，与各全控型开关器件相连，用于使能或封锁开关；
以及驱动信号生成单元，其输入端与载波比较单元的输出端相连，其输出端与各全控型开关器件相连，用于根据各桥臂重点期望的PWM信号确定各桥臂中各全控型开关器件的驱动信号；对于任意一个全控型开关器件，若其位于上桥臂，则其驱动信号与桥臂中点期望的PWM信号一致，若其位于下桥臂，则其驱动信号与桥臂中点期望的PWM信号相反。
实施例4：
一种磁悬浮轴承系统，包括磁悬浮轴承，上述实施例1提供的控制电路，以及上述实施例3提供的控制器。
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)
1.一种具备开关断路容错能力的磁悬浮轴承控制电路，所述磁悬浮轴承包括2N个绕组，且具有N个自由度，每个自由度由两个绕组共同控制，N为正整数；所述控制电路包括：所述2N个绕组，直流电源以及2N+1个桥臂；所述2N+1个桥臂中，2个为双极性桥臂，2N-1个为单极性桥臂；
每个绕组的两端分别连接至两个桥臂的中点；每个单极性桥臂同时与两个绕组相连，每个双极性桥臂仅与一个绕组相连；
各桥臂的上端和下端分别与所述直流电源的正极和负极相连。
2.基于权利要求1所述的具备开关断路容错能力的磁悬浮轴承控制电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S1)实时检测各绕组的电流，以实时判断出现故障的自由度，作为故障自由度，并在检测到断路故障后，判断控制故障自由度的两个绕组中与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组，作为目标绕组；
(S2)封锁当前控制所述目标绕组的全控型开关器件；若存在与所述目标绕组相连的双极性桥臂，则打开该双极性桥臂中位于下桥臂的全控型开关器件；
(S3)使所述目标绕组中的电流反向，并对所述目标绕组连接的两个桥臂建立相应的电流约束；
对于双极性桥臂，其电流约束为：其所连接绕组的电流大于0；
对于单极性桥臂，其电流约束为：其所连接的两个绕组电流大小相等且电流方向一个流进桥臂，另一个流出桥臂；
(S4)在所述电流约束下，重新计算各绕组的电流指令值，使得控制各自由度的两个绕组产生的电磁力在断路故障前、后保持一致；
(S5)根据步骤(S4)计算的电流指令值确定所述控制电路中各全控型开关器件的开关信号。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(S1)中，判断出现故障的自由度，包括：
对于每一个自由度，判断控制该自由度的两个绕组的电流之和是否小于预设的偏置阈值，若是，则判断该自由度为发生故障的自由度。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(S1)中，在检测到断路故障后，判断控制故障自由度的两个绕组中与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组，包括：
获取控制所述故障自由度的两个绕组的绕组调制波并进行比较，将绕组调制波较大的绕组判定为与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组。
5.如权利要求2～4任一项所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(S4)中，对于任意一个自由度，在发生断路故障前、后控制该自由度的两个绕组的电流指令值满足：
其中，iaN和icN为发生断路故障前两个绕组中的电流大小，ia和ic为发生断路故障后两个绕组中的电流大小，s1和s2分别为转子到该自由度下的两磁极的距离。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(S5)包括：
(S51)分别将各绕组的电流指令值和电流反馈值作差后进行PI控制，得到各绕组的绕组调制波；
(S52)根据(S51)计算的绕组调制波以及基尔霍夫电压定律，计算施加至各桥臂中点的桥臂调制波；
(S53)对(S52)计算的桥臂调制波进行载波比较，得到各桥臂中点期望的PWM信号；
(S54)根据各桥臂重点期望的PWM信号确定各桥臂中各全控型开关器件的驱动信号；对于任意一个全控型开关器件，若其位于上桥臂，则其驱动信号与桥臂中点期望的PWM信号一致，若其位于下桥臂，则其驱动信号与桥臂中点期望的PWM信号相反。
7.一种基于权利要求具备开关断路容错能力的磁悬浮轴承控制电路的控制器，其特征在于，包括：
电流检测模块，与各绕组相连，用于实时检测各绕组的电流；
故障识别模块，与所述电流检测模块相连，用于根据所述电流检测模块检测到的电流判断出现故障的自由度，作为故障自由度，并在检测到断路故障后，判断控制故障自由度的两个绕组中与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组，作为目标绕组；
变偏置电流控制模块，包括约束构建单元以及电磁力重构单元；
所述约束构建单元，与所述故障识别模块相连，用于使所述目标绕组中的电流反向，并对所述目标绕组连接的两个桥臂建立相应的电流约束；对于双极性桥臂，其电流约束为：其所连接绕组的电流大于0；对于单极性桥臂，其电流约束为：其所连接的两个绕组电流大小相等且方向相反；
所述电磁力重构单元，与所述约束构建单元相连，用于在所述电流约束下，重新计算各绕组的电流指令值，使得控制各自由度的两个绕组产生的电磁力在断路故障前、后保持一致；
以及电流控制模块，与所述电磁力重构模块相连，用于根据所述电磁力重构模块计算的电流指令值确定所述控制电路中各全控型开关器件的开关信号；所述电流控制模块，还与各全控型开关器件相连，用于使能或封锁全控型开关器件。
8.如权利要求7所述的控制器，其特征在于，所述故障识别模块根据所述电流检测模块检测到的电流判断出现故障的自由度，包括：
对于每一个自由度，判断控制该自由度的两个绕组的电流之和是否小于预设的偏置阈值，若是，则判断该自由度为发生故障的自由度；
并且，所述故障识别模块在检测到断路故障后，判断控制故障自由度的两个绕组中与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组，包括：
获取控制所述故障自由度的两个绕组的绕组调制波并进行比较，将绕组调制波较大的绕组判定为与发生断路故障的全控型开关器件相关的绕组。
9.如权利要求7或8所述的控制器，其特征在于，所述电流控制模块包括：
电流比较单元，其第一输入端用于接收电流指令值，其第二输入端与所述电流检测模块相连，其用于将绕组的电流指令值与电流反馈值作差；
电流控制单元，其输入端连接至所述电流比较单元的输出端，用于对电流比较单元输出的电流差值进行PI控制，得到绕组调制波；
变换矩阵单元，其输入端与所述电流控制单元的输出端相连，用于根据所述电流控制器输出的绕组调制波以及基尔霍夫电压定律，计算施加至各桥臂中点的桥臂调制波；
载波比较单元，其输入端与所述变换矩阵单元的输出端相连，用于对变换矩阵计算的桥臂调制波进行载波比较，得到各桥臂中点期望的PWM信号；
开关驱动单元，与各全控型开关器件相连，用于使能或封锁全控型开关器件；
以及驱动信号生成单元，其输入端与所述载波比较单元的输出端相连，其输出端与各全控型开关器件相连，用于根据各桥臂重点期望的PWM信号确定各桥臂中各全控型开关器件的驱动信号；对于任意一个全控型开关器件，若其位于上桥臂，则其驱动信号与桥臂中点期望的PWM信号一致，若其位于下桥臂，则其驱动信号与桥臂中点期望的PWM信号相反。
10.一种磁悬浮轴承系统，其特征在于，包括磁悬浮轴承，权利要求1所述的控制电路，以及权利要求7～9任一项所述的控制器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310667079.2A CN116950994A (zh) | 2023-06-06 | 2023-06-06 | 具备容错能力的磁悬浮轴承控制电路、控制方法及控制器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310667079.2A CN116950994A (zh) | 2023-06-06 | 2023-06-06 | 具备容错能力的磁悬浮轴承控制电路、控制方法及控制器 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116950994A true CN116950994A (zh) | 2023-10-27 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117366106A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-01-09 | 洛阳嘉盛电控技术有限公司 | 基于三桥臂的双路双向磁轴承悬浮电流控制电路及方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117366106A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-01-09 | 洛阳嘉盛电控技术有限公司 | 基于三桥臂的双路双向磁轴承悬浮电流控制电路及方法 |
| CN117366106B (zh) * | 2023-12-05 | 2024-02-23 | 洛阳嘉盛电控技术有限公司 | 基于三桥臂的双路双向磁轴承悬浮电流控制电路及方法 |
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