磁轴承容错驱动系统的制作方法

本发明大体上涉及电子故障保护系统，且更特定来说涉及包含电子故障保护架构的磁轴承驱动系统。

背景技术：

旋转式机器在无油压缩机、泵、用于能量存储的飞轮和旋转轴杆等范围的广泛应用中实现无接触式主动磁轴承。响应于实现由包含多个功率电子装置的电子磁轴承驱动器电路产生的电磁场，轴承自身以无接触方式悬浮。所述功率电子装置中的一个或多个故障，例如开路故障，会导致磁轴承失去悬浮。当旋转轴杆(例如，转子)以高速旋转时失去轴承悬浮会对机械组件造成严重损坏。

技术实现要素：

根据一实施方案，一种电子磁轴承容错驱动模块包含第一多个切换元件和第二多个切换元件。至少一个绕组插入于所述第一多个切换元件与所述第二多个切换元件之间。所述第一和第二切换元件被配置成选择性地以第一模式和第二模式操作以产生电磁场。所述电子磁轴承容错驱动模块被配置成检测一个或多个电故障，包含所述第一和第二切换元件中的至少一者的开路故障。

除了上文描述的特征中的一个或多个特征之外或者作为替代方案，进一步实施方案包含：

特征，其中二极管跨越所述第一和第二多个切换元件当中的每一切换元件而连接以形成多个双向相分支电路；

特征，其中所述第一模式被配置成响应于接收到第一pwm输出信号而在第一方向上穿过所述至少一个绕组产生至少一个绕组电流，且响应于接收到第二pwm输出信号而在与所述第一方向相反的第二方向上穿过所述至少一个绕组产生所述至少一个绕组电流；

特征，其中第一绕组插入于形成第一h桥电路的第一双向相分支电路与第二双向相分支电路之间，且第二绕组插入于形成第二h桥电路的第二双向相分支电路与第三双向相分支电路之间；

特征，其中所述第一h桥电路和所述第二h桥电路共享单个共同的相分支，且其中所述第一h桥电路被配置成控制通过所述第一绕组的所述第一绕组电流且所述第二h桥电路被配置成控制通过所述第二绕组的第二绕组电流，所述第二绕组电流被控制为相对于所述第一绕组电流具有相反方向；以及

特征，其中每一双向相分支电路包含被配置成基于所述第一模式传导电流且基于所述第二模式抑制电流的第一切换元件，以及被配置成基于所述第一模式抑制电流且基于所述第二模式传导电流的第二切换元件。

根据另一实施方案，一种电子磁轴承容错驱动系统包含电子磁轴承容错驱动模块，其被配置成选择性地响应于接收到第一pwm输出信号而以第一模式操作且响应于接收到第二pwm输出信号而以第二模式操作。所述电子磁轴承容错驱动系统进一步包含与所述电子磁轴承容错驱动模块成电连通的电子故障检测模块。所述电子故障检测模块被配置成响应于检测到所述电子磁轴承容错驱动系统的电故障而输出故障命令信号，其中所述故障命令信号起始从所述第一模式到所述第二模式的转变。

除了上文描述的特征中的一个或多个特征之外或者作为替代方案，进一步实施方案包含：

特征，其中电子容错电流控制器模块被配置成选择性地输出第一pwm输出信号和第二pwm输出信号；

特征，其中响应于接收到所述故障命令信号，所述电子容错电流控制器模块断开所述第一pwm输出信号且输出所述第二pwm输出信号以将所述电子磁轴承容错驱动模块从所述第一模式切换到所述第二模式；

特征，其中所述磁轴承容错驱动模块包含至少一个绕组，所述至少一个绕组被配置成响应于接收到在第一方向上流动的绕组电流而产生电磁场；

特征，其中所述故障检测模块基于所述至少一个绕组电流与阈值之间的比较而检测所述磁轴承容错驱动模块的开路故障；

特征，其中所述电子磁轴承容错驱动模块包含多个双向相分支电路，所述多个双向相分支电路连接到所述至少一个绕组以形成至少一个h桥电路；

特征，其中所述双向相分支电路被配置成响应于接收到具有第一相位的所述第一pwm输出信号而在第一方向上产生所述绕组电流，且响应于接收到具有与所述第一相位相反的第二相位的所述第二pwm输出信号而在与所述第一方向相反的第二方向上产生所述绕组电流；

特征，其中所述多个双向相分支电路各自包含被配置成基于所述第一模式产生电流且基于所述第二模式抑制电流的第一切换元件，以及被配置成基于所述第一模式抑制电流且基于所述第二模式产生电流的第二切换元件；以及

特征，其中所述至少一个电故障包含响应于所述第一切换元件的故障而引起的开路故障。

附图说明

在说明书的结论处的权利要求书中具体指出且清楚地要求视为本发明的主题。本发明的前述和其它特征及优点从以下结合附图做出的详细描述中显而易见，附图中：

图1a是根据示例性实施方案的容错磁轴承驱动模块的电示意图；

图1b是根据示例性实施方案的以第一模式操作的容错磁轴承驱动模块的电示意图；

图1c是根据示例性实施方案的以第二模式操作的容错磁轴承驱动模块的电示意图；

图2是根据示例性实施方案的磁轴承容错驱动控制系统的框图；

图3是图示由根据示例性实施方案的磁轴承容错驱动系统执行的故障识别过程的流程图；以及

图4是图示根据示例性实施方案的磁轴承容错驱动系统的操作的信号图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，且不希望限制本公开、其应用或者用途。应了解，在全部图中，对应的参考标号指示相同或对应的部分和特征。如本文使用，术语模块指代处理电路，其可包含专用集成电路(asic)、电子电路、处理器(共享、专用或群组)以及执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路，和/或提供所描述功能性的其它合适组件。

磁轴承容错驱动系统包含电子容错磁轴承驱动模块，其被配置成选择性地在第一模式(即，正常模式)和第二模式(即，辅助模式)中操作。所述容错磁轴承驱动模块可包含三相转换器以及例如用以驱动三相转换器的例如晶体管等多个切换元件。当以正常模式操作时，第一多个切换元件被激活以在第一方向上产生绕组电流，这又驱动三相转换器且产生使旋转系统的轴承悬浮的电磁力。

当选择辅助模式时(例如，响应于检测到电故障)，所述第一多个切换元件被去活，且第二多个切换元件被激活以驱动三相转换器。以此方式，在不同于第一方向的第二方向上产生绕组电流，同时仍驱动三相转换器。由于电磁力是由绕组电流的绝对值决定(即，与绕组电流的方向无关)，因此使用辅助模式仍可产生相似的电磁力，且轴承的悬浮可以维持。

现在参见图1a，电子容错磁轴承驱动模块100的电示意图。根据非限制性实施方案，电子容错磁轴承驱动模块100被构造为全桥三相转换器。电子容错磁轴承驱动模块100包含第一双向相分支电路102a、第二双向相分支电路102b以及第三双向相分支电路102c。两个绕组的电流(ia，ic)由可视为两个h桥103a到103b的三个相分支电路102a到102c驱动，所述两个h桥共享单个共同的相分支。每一h桥电路103a到103b被配置成产生能够在第一和第二相反方向上流动的相应绕组电流(ia，ic)。虽然示出了三个双向相分支电路102a到102c，但应了解，可使用具有多于三个相分支的双向电路。举例来说，在不改变本发明的范围的情况下，电子容错磁轴承驱动模块100可被构造有两个双向相分支电路或四个双向相分支电路。

第一双向相分支电路102a包含第一切换元件104a和第二切换元件104b。第二双向相分支电路102b包含第三切换元件104c和第四切换元件104d。第三双向相分支电路102c包含第五切换元件104e和第六切换元件104f。根据非限制性实施方案，所述切换元件是绝缘栅双极晶体管(igbt)。然而应了解，可使用其它半导体切换元件，包含但不限于金属氧化物场效应晶体管(mosfet)。电子容错磁轴承驱动模块100还包含跨越每一切换元件104a到104f的集电极和发射极而连接的二极管106。以此方式，绕组电流ia、ic可各自基于驱动切换元件104a到104f的信号的相位(即，正或负)而在相反的第一和第二方向上产生，如下文更详细论述。

每一双向相分支电路102a到102c在中心分接有相应绕组。举例来说，第一绕组108a包含第一端和第二端。第一端连接到第一切换元件104a的发射极和第二切换元件104b的集电极。第二端连接到第三切换元件104c的发射极和第四切换元件104d的集电极。因此，使用第一绕组108a形成第一h桥电路103a。类似地，第二绕组108b包含第一端和第二端。第一端连接到第三切换元件104c的发射极和第四切换元件104d的集电极。第二端连接到第五切换元件104e的发射极和第六切换元件104f的集电极。因此，使用第二绕组108b形成第二h桥电路103b。根据一实施方案，两个h桥电路103a到103b共享共同的相分支，例如相分支102-b。

现在参见图1b，图示了电子容错磁轴承驱动模块100在第一模式(例如，正常模式)中操作。根据一实施方案，每一双向相分支电路102a到102c包含至少一个被激活的切换元件和至少一个被去活的切换元件。加黑的线指示在正常模式期间被激活的切换元件。在此情况下，举例来说，第一切换元件104a、第四切换元件104d以及第五切换元件104e被去活，而第二切换元件104b、第三切换元件104c以及第六切换元件104f被激活。被去活的切换元件104a、104d、104e抑制电流流动，而被激活的切换元件104b、104c和104f传导电流流动。因此，被激活的第二切换元件104b和第三切换元件104c产生且控制在第一方向上流动通过第一绕组108a的第一绕组电流ia。被激活的第三切换元件104c和第六切换元件104f产生且控制在第二方向上流动通过第二绕组108b的第二绕组电流ic。第二绕组电流ic在与第一绕组电流ia的第一方向相反的方向上流动。第一绕组电流ia响应于流动通过第一绕组108a而感应第一电磁场，且第二绕组电流ic响应于流动通过第二绕组108b而产生第二电磁场。第一和第二电磁场以磁性方式使一个或多个轴承以无接触方式悬浮。

现在参见图1c，图示了电子容错磁轴承驱动模块100在第二模式(例如，辅助模式)中操作。根据至少一个实施方案，电子容错磁轴承驱动模块100响应于检测到一个或多个电路故障(包含但不限于开路故障)而从正常模式切换到辅助模式。例如当在正常操作模式期间激活的一个或多个切换元件104b、104c、104f故障时，开路故障可发生。根据一实施方案，每一双向相分支电路102a到102c包含至少一个被激活的切换元件和至少一个被去活的切换元件。加黑的线指示在辅助模式期间被激活的切换元件，而未加黑的线指示被去活的切换元件。

当以辅助模式操作时，举例来说，第二切换元件104b、第三切换元件104c以及第六切换元件104f被去活，且第一切换元件104a、第四切换元件104d以及第五切换元件104e被激活。在此情况下，被激活的切换元件104a、104d、104e传导电流流动，而被去活的切换元件104b、104c和104f抑制电流流动。因此，被激活的第一切换元件104a和第四切换元件104d产生且控制在第一方向上流动通过第一绕组108a的第一绕组电流ia'。被激活的第三切换元件104d和第五切换元件104e产生且控制在第二方向上流动通过第二绕组108b的第二绕组电流ic'。第二绕组电流ic'在与第一绕组电流ia的第一方向相反的方向上流动。而且，在辅助模式期间产生的第一绕组电流ia'相对于在正常模式期间产生的第一绕组电流ia在相反方向(即，负相)上流动。类似地，在辅助模式期间产生的第二绕组电流ic'相对于在正常模式期间产生的第二绕组电流ic在相反方向(即，负相)上流动。

第一绕组电流ia'响应于流动通过第一绕组108a而感应第一电磁场，且第二绕组电流ic'响应于流动通过第二绕组108b而产生第二电磁场。电磁场由绕组电流ia'、ic'的绝对值决定。由于磁轴承力与绕组电流ia、ia'、ic和ic'的方向无关，因此正常模式和辅助模式都可产生相似的悬浮力。因此，当从正常模式切换到辅助模式时，一个或多个轴承可维持于无接触悬浮状态而不会中断。

现在参见图2，根据非限制性实施方案图示了电子磁轴承容错驱动控制系统200。电子磁轴承容错驱动系统200实现电子容错磁轴承驱动模块100，且被配置成检测各种电故障，包含例如由一个或多个故障的切换元件102a到102f引起的开路故障。响应于检测到故障，磁轴承容错驱动系统200被配置成控制容错磁轴承驱动模块100的操作。举例来说，磁轴承容错驱动系统200被配置成响应于检测到开路故障而将容错磁轴承驱动模块100从正常模式切换到辅助模式。

磁轴承容错驱动控制系统200包含电子磁轴承容错驱动模块100、和电子位置控制模块202、电子容错电流控制器模块204，以及电子故障检测模块206。容错磁轴承驱动模块100根据上文详细论述的说明而操作。位置控制模块202确定耦合到悬浮轴承的轴杆的位置误差。以此方式，轴承的位置且因此轴杆的位置指定了位置误差。基于磁力额定值，偏置电流i_bias是预定的，且又产生第一参考绕组电流(ia_ref)和第二参考绕组电流(ic_ref)。

容错电流控制器模块204与位置控制模块202处于信号通信以接收第一参考绕组电流信号(ia_ref)和第二参考绕组电流信号(ic_ref)。容错电流控制器模块204还接收来自一个或多个电流传感器的绕组电流信号，所述传感器被配置成检测流动通过包含于容错驱动模块100中的绕组的绕组电流。如图2中图示，举例来说，容错电流控制器模块204接收指示第一绕组电流(ia)的第一绕组电流信号(ia)和指示第二绕组电流(ic)的第二绕组电流信号(ic)。

容错电流控制器模块204进一步包含第一电流调节器单元208a、第二电流调节器单元208b、第一脉冲宽度调制(pwm)通道驱动器210a、第二pwm通道驱动器210b以及pwm通道混合器212。第一电流pwm通道驱动器210a产生第一pwm输出信号214a，其驱动在正常模式期间激活的切换元件104b、104c和104f。第二pwm通道驱动器210b产生第二pwm输出信号214b，其驱动在辅助模式期间激活的切换元件104a、104d和104e。第一电流调节器单元208a在正相中接收第一和第二参考电流信号(ia_ref)、(ic_ref)，而第二电流调节器单元208b在负相中(即，反信号)接收第一和第二参考电流信号(-ia_ref)、(-ic_ref)。基于参考电流信号(ia_ref、-ia_ref、ic_ref、-ic_ref)与第一和第二绕组电流信号(ia、ic)之间的比较，第一和第二pwm通道驱动器210a、210b产生相应的第一和第二pwm输出信号214a、214b。第一pwm通道216a与正常模式切换元件104b、104c和104f的栅极端子处于信号通信，且第二pwm通道216b与辅助模式切换元件104a、104d和104e的栅极端子处于信号通信。以此方式，第一pwm输出信号214a驱动正常模式切换元件104b、104c和104f，且第二pwm输出信号214b驱动辅助模式切换元件104a、104d和104e。

pwm通道混合器212处理第一和第二pwm输出信号214s、214b以及由故障检测模块206产生的故障命令信号218。故障检测信号218命令pwm通道混合器212选择性地输出第一pwm输出信号214a或第二pwm输出信号216b。以此方式，可起始容错磁轴承驱动模块100的正常模式或辅助模式，如下文更详细论述。

为了起始容错磁轴承驱动模块100的正常模式，将正相参考电流信号(ia_ref、ic_ref)发送到相应的电流调节器208a、208b。还产生对应的工作循环且发送到相应的pwm通道驱动器210a、210b。产生用于驱动正常模式切换元件104b、104c、104f的第一pwm输出信号214a，且用于驱动辅助模式切换元件104a、104d、104e的第二pwm输出信号214b被抑制(即，阻止)到达第二pwm通道216b。因此，起始容错磁轴承驱动模块100的正常模式。当产生故障命令信号218时，负相参考电流(-ia_ref、-ic_ref)输出到第二电流调节器208b。还产生对应的工作循环且发送到第二pwm通道驱动器210b。用于驱动辅助模式切换元件104a、104d、104e的第二pwm输出信号214b输出到第二pwm通道216，而用于驱动正常模式切换元件104b、104c、104f的第一pwm输出信号214a被抑制到达第一pwm通道216a。因此，起始容错磁轴承驱动模块100的辅助模式。

故障检测模块206被配置成当以正常模式操作时检测容错磁轴承驱动模块100的一个或多个电故障。根据一实施方案，故障检测模块206执行系统故障识别过程，其包括确定每一控制循环中的不同的多个识别操作。现在将参考图4描述所述识别过程。第一识别操作被配置成检测过电流保护情形。举例来说，如果在操作300处绕组电流ia、ic中的任一者超过过电流限制(i_limit1)，那么检测到例如短路故障，且在操作302处阻止所有pwm输出信号(即，214a和214b)，使得整个电机驱动系统和磁轴承驱动器100被去活。

如果在操作300处绕组电流ia、ic未超过过电流限制(i_limit1)，那么在操作304处执行检测外部故障的第二识别操作。外部故障的检测是基于由容错磁轴承驱动模块100产生的故障信号。如果在操作304处容错磁轴承驱动模块100检测到故障，例如由功率电子装置检测到的去饱和故障，那么激活容错控制，且容错命令信号命令pwm通道混合器212断开第一pwm输出信号214a且输出第二pwm输出信号214b。举例来说，被配置有过电流去饱和(desat)保护可输出的desat故障保护驱动器可借助控制器而利用，使得所述控制器可因此检测故障而不需要感测电流且在故障之前断开开关。以此方式，正常模式切换元件104b、104c、104f被去活，且辅助模式切换元件104a、104d、104e被激活，使得容错磁轴承驱动模块100在操作306处从正常模式切换到辅助模式。

如果在操作304处未检测到故障，那么在操作308处，第三识别操作被配置成基于绕组电流总计(即，ia+ic)和阈值(i_limit2)检测电故障。当以正常模式操作时，第一和第二绕组电流的总计(即，求和)(ia+ic)将近似为偏置电流的两倍(即，2×i_bias)。如上文提到，偏置电流(i_bias)已经预先确定。因此，阈值(i_limit2)可基于轴承的位置。也就是说，i_limit2可例如设定为等于近似1.5×i_bias。如果在操作308处ia+ic小于i_limit2，那么检测到开路故障，且在操作310处将容错磁轴承驱动模块100切换到辅助模式。如果全部三个识别步骤确定不存在故障，那么在操作312处，容错磁轴承驱动模块100继续以正常模式操作。

参见图4，信号图图示了根据非限制性实施方案的磁轴承容错驱动系统的操作。在此实施例中，容错磁轴承驱动模块100初始以正常模式操作。通道1信号(ch1)指示耦合到悬浮轴承的旋转轴杆的位置处于中心位置。通道2信号(ch2)指示中心切换元件栅极信号的操作。通道3信号(ch3)和通道4信号(ch4)分别指示初始处于正相中的第一和第二绕组电流(ia、ic)。在时间(t1)，ch2由于例如开路故障而截止，且第一和第二绕组电流(ia、ic)开始下降，如ch3和ch4指示。

在近似t2，故障检测模块206检测故障且产生容错命令信号。容错命令信号命令pwm通道混合器212抑制第一pwm输出信号214a且输出第二pwm输出信号214b，进而起始容错磁轴承驱动模块100的辅助模式。因此，第一和第二绕组电流ia'、ic'在从时间t1的近似1毫秒(ms)内在负相中产生。应了解，检测时间也可以小于1ms。以此方式，可维持轴承的悬浮，使得旋转轴杆的位置轴线以小的瞬态保持在两个位置极限之间处于中心，如ch1指示。因此，磁轴承容错驱动系统200可有效地检测一个或多个故障，例如开路故障，且成功地维持轴承的悬浮以及对应旋转轴杆的轴向位置。另外，磁轴承容错驱动系统200允许以备用工作模式重新启动系统。这比更换硬件容易得多，且减少了维护成本。

虽然已经结合仅有限数目的实施方案详细描述了本发明，但应容易了解，本发明不限于这些公开的实施方案。而是，可以修改本发明以并入前文未描述但与本发明的精神和范围一致的任何数目的变化、更改、替换或等效布置。另外，虽然已经描述本发明的各种实施方案，但应了解，本发明的方面可以包含所描述实施方案中的仅一些实施方案。因此，本发明不应视为受前述描述的限制，而是仅受所附权利要求书的范围的限制。