磁悬浮轴承电路的容错暂态控制方法及系统、磁悬浮设备

本发明属于磁悬浮轴承控制，更具体地，涉及一种磁悬浮轴承电路的容错暂态控制方法及系统、磁悬浮设备。

背景技术：

1、电磁悬浮技术是解决高速旋转机械的最佳解决方案，其具备的无接触、无磨损、无润滑的特性在许多高速电机领域得到了广泛的关注。随着科技的不断进步与发展，磁悬浮轴承性能在不断地提升，同时受电子元件的集成化也促使其成本逐年降低，因此近些年来，磁悬浮轴承技术得到了学术界与工业界的广泛关注。

2、对于一个电磁悬浮控制系统来说，开关器件数量多，其断路故障的可能性较大，在高速旋转机械领域，其支撑部件出现失效导致转子跌落将会带来不可逆转的事故发生。因此针对开关器件的故障后容错并保证高速转子在电力电子容错暂态不跌落是极具价值的。

3、在容错情况下，已有的电力电子断路容错虽然已有解决方案，如cn202110372834.5《用于磁轴承的绕组控制器断路故障定位、容错方法和系统》的专利发明介绍了绕组电流反向方案。但是，在进行电流反向的容错暂态情况下转子位移波动较大，甚至极有可能出现高速转子撞向保护轴承的情况；而且还会对其他不需要反向的绕组调制造成影响，整个反向过程不可控。因此这对电力电子故障后容错暂态导致的位移波动提出了更高的要求。

技术实现思路

1、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悬浮轴承电路的容错暂态控制方法及系统、磁悬浮设备，其目的在于提高转子容错暂态控制的可控度。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种用于磁悬浮轴承电路的容错暂态控制方法，

3、所述磁悬浮轴承电路包括：公共桥臂和n个非公共桥臂组，每个非公共桥臂组对应控制磁悬浮轴承的一个自由度；每一个非公共桥臂组包含两个非公共桥臂，公共桥臂和每个非公共桥臂均包含与直流电源正极连接的上开关管和与直流电源负极连接的下开关管；每个非公共桥臂的上、下开关管的连接点与公共桥臂上、下开关管的连接点之间设有绕组；

4、所述容错暂态控制方法包括：当出现断路故障时，控制包含断路故障开关管的非公共桥臂组与公共桥臂之间的绕组1和绕组2的电流反向；其中，每步控制电流反向的方法包括：将公共桥臂开关管的占空比调节至dcom，将绕组i对应的非公共桥臂i的开关管的占空比调节至di，d1＝dcom-a1u1，d2＝dcom-a2u2；dk＝dcom+akuk，k≠1、2；当d1或d2小于0时直接取0、大于1时直接取1；其中，

5、定义绕组电流由非公共桥臂流入公共桥臂为正向、由非公共桥臂流入公共桥臂为负向；当电流需要由正向调为负向，dcom满足使占空比序列{dcom-a1u1,dcom-a2u2,dcom+a3u3,...,dcom+a2nu2n}中的最大值为1；当电流需要由负向调为正向，dcom满足使占空比序列{dcom-a1u1,dcom-a2u2,dcom+a3u3,...,dcom+a2nu2n}中的最小值为0；其中，ui为由电流环算出的绕组i的调制波，ai为反向前绕组i的系数，若执行反向前绕组i的电流为正向，ai＝1；若执行反向前绕组k的电流为负向，ai＝-1。

6、在其中一个实施例中，

7、当所述磁悬浮轴承电路正常运行时，n个非公共桥臂组被分为两部分且两部分非公共桥臂组的绕组电流方向相反。

8、在其中一个实施例中，当n为偶数时，每部分具有n/2个非公共桥臂组分；当n为奇数时，一部分具有(n-1)/2个非公共桥臂组，另一部分具有(n+1)/2个非公共桥臂组。

9、在其中一个实施例中，当控制包含断路故障开关管的非公共桥臂组与公共桥臂之间的绕组1和绕组2的电流反向之后，还包括：

10、再控制另一部分中的任意一个非公共桥臂组与公共桥臂之间的绕组电流反向。

11、在其中一个实施例中，当前一步绕组电流反向完毕且转子在对应自由度的偏移位移收敛至小于位移阈值时，再控制后一步绕组电流反向。

12、在其中一个实施例中，当磁悬浮轴承电路正常运行时，公共桥臂开关管的占空比为0.5。

13、在其中一个实施例中，所述容错暂态控制方法还包括：

14、采集每个非公共桥臂组与公共桥臂的绕组的电流，根据预设阈值判断每个非公共桥臂组中桥臂开关管是否出现断路故障。

15、按照本发明的第二方面，提供了一种用于磁悬浮轴承电路的容错暂态控制系统，

16、所述磁悬浮轴承电路包括：公共桥臂和n个非公共桥臂组，每个非公共桥臂组对应控制磁悬浮轴承的一个自由度；每一个非公共桥臂组包含两个非公共桥臂，公共桥臂和每个非公共桥臂均包含与直流电源正极连接的上开关管和与直流电源负极连接的下开关管；每个非公共桥臂的上、下开关管的连接点与公共桥臂上、下开关管的连接点之间设有绕组；

17、所述容错暂态控制系统用于执行：当出现断路故障时，控制包含断路故障开关管的非公共桥臂组与公共桥臂之间的绕组1和绕组2的电流反向；其中，每步控制电流反向的方法包括：将公共桥臂开关管的占空比调节至dcom，将绕组i对应的非公共桥臂i的开关管的占空比调节至di，d1＝dcom-a1u1，d1＝dcom-a2u2，dk＝dcom+akuk，k≠1、2；当d1或d2小于0时直接取0、大于1时直接取1；其中，定义绕组电流由非公共桥臂流入公共桥臂为正向、由非公共桥臂流入公共桥臂为负向；当电流需要由正向调为负向，dcom满足使占空比序列{dcom-a1u1,dcom-a2u2,dcom+a3u3,...,dcom+a2nu2n}中的最大值为1；当电流需要由负向调为正向，dcom满足使占空比序列{dcom-a1u1,dcom-a2u2,dcom+a3u3,...,dcom+a2nu2n}中的最小值为0；其中，ui为由电流环算出的绕组i的调制波，ai为反向前绕组i的系数，若执行反向前绕组i的电流为正向，ai＝1；若执行反向前绕组k的电流为负向，ai＝-1。

18、在其中一个实施例中，当所述磁悬浮轴承电路正常运行时，n个非公共桥臂组被分为两部分且两部分非公共桥臂组的绕组电流方向相反；

19、所述容错暂态控制系统在控制包含断路故障开关管的非公共桥臂组与公共桥臂之间的绕组1和绕组2的电流反向之后，还控制另一部分中的任意一个非公共桥臂组与公共桥臂之间的绕组电流反向。

20、按照本发明的第三方面，提供了一种磁悬浮设备，包括磁悬浮轴承、磁悬浮轴承电路以及上述的用于磁悬浮轴承电路的容错暂态控制系统。

21、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：

22、本发明所涉及的容错暂态控制方法，其当出现断路故障时，对对应非公共桥臂组与公共桥臂之间的绕组进行电流反向，以使磁悬浮轴承电路恢复正常。在执行电流反向时，本发明侧重各桥臂调制参数的调节，将公共桥臂开关管的占空比调节至dcom，将绕组i对应的非公共桥臂i的开关管的占空比调节至di。当电流需要由正向调为负向，根据使占空比序列{dcom-a1u1,dcom-a2u2,dcom+a3u3,...,dcom+a2nu2n}中的最大值为1确定dcom的取值；当电流需要由负向调为正向，根据使占空比序列{dcom-a1u1,dcom-a2u2,dcom+a3u3,...,dcom+a2nu2n}中的最小值为0确定dcom的取值。通过上述调制方法，可以在不影响其他不进行电流反向调制的绕组的状态前提下，尽量使待反向的绕组跟随理想计算出的调制值u1、u2进行调制，提高整体调制的可控度。在此基础上，只要增大调制值u1、u2即可增大待反向绕组两端的电势差，使待反向绕组在短时间内快速完成电流反向，缩短容错暂态的时间，从而减小容错暂态期间的位移波动，使整个磁悬浮轴承装置更加安全可靠。

23、进一步地，当所述磁悬浮轴承电路正常运行时，n个非公共桥臂组被分为两部分且两部分非公共桥臂组的绕组电流方向相反，以保证整体桥臂电流应力较小。

24、进一步地，当出现断路故障时，先控制包含断路故障开关管的非公共桥臂组与公共桥臂之间的绕组电流反向，再控制另一部分中的任意一个非公共桥臂组与公共桥臂之间的绕组电流反向。由此可以保证在进行容错暂态控制后仍能保证整体桥臂电流应力较小。