[发明专利]磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统及方法

说明书

本发明公开了一种磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统及方法，包括2N个串联的绕组、2N+1个桥臂和1个直流电压源；各桥臂的上端均与直流电压源的正极连接，下端均与直流电压源的负极连接；本发明采用串联绕组拓扑作为磁悬浮轴承控制器的绕组拓扑，每个开关元件都有独立的分块，单个开关元件故障并不会影响其它元件，同时对单独放置的二极管也没有太大影响，故在该容错系统中，当单个开关元件故障时，仍可利用其它剩余开关元件来实现磁悬浮轴承系统的稳定控制，在正常工作模式和容错工作模式中平滑切换，保证转子不发生跌落；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冗余能力。

技术领域

本发明属于磁悬浮轴承控制领域，更具体地，涉及一种磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统及方法。

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，可以取代传统机械轴承，实现转子与定子的无接触运行。其转子和定子之间没有机械接触，具有不需要润滑、无摩擦、工作寿命长等特点。在转子需要进行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。对于有源磁悬浮轴承系统，主要包括转子、传感器、控制器和电磁执行器等部分，其控制系统的设计对整个装置的性能带来了巨大的影响。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。

而现有的应用于磁悬浮轴承的串联控制器，其减少了器件数量，且保证了电压利用率。其中各个桥臂只用了一半的器件，器件数量不存在冗余，因而无法实现容错运行。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统及方法，其目的在于解决现有的串联绕组控制器不具备在发生开关断路故障时容错运行能力的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明的提供了一种磁轴承串联绕组控制器的开关断路故障容错系统，包括：2N个绕组、2N+1个桥臂和1个直流电压源；其中，各绕组相互串联；各桥臂的上端均与直流电压源的正极连接，各桥臂的下端均与直流电压源的负极连接；

第一个桥臂和第2N+1个桥臂为非公共桥臂，第i个桥臂为公共桥臂，i＝2,3,…,2N；具体为，第一个桥臂的输出节点与第一个绕组的第一端连接；第i个桥臂的输出节点与第i-1个绕组的第二端连接；第i个桥臂的输出节点与第i个绕组的第一端连接；第2N+1个桥臂的输出节点与第2N个绕组的第二端连接；

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。

进一步优选地，上述开关器件为全控型开关器件，包括绝缘栅双极晶体管；上述单向导通器件为二极管。

进一步优选地，上述磁轴承串联绕组控制器用于实现N轴磁悬浮；其中，2N个绕组两两分成一组，共有N组；一组绕组对应控制一轴磁悬浮轴承；控制变量为各组绕组的共模电流和差模电流。

第二方面，本发明提供了一种上述开关断路故障容错系统的容错方法，包括以下步骤：

S1、对各绕组上的电流进行实时检测，并基于所检测到的绕组电流对各桥臂进行判断，确定故障桥臂；

S2、通过检测绕组中共模电流方向，基于共模电流的方向变化，对故障桥臂中各开关器件进行断路故障判断，确定故障开关器件的位置；