相比于機(jī)械軸承，磁懸浮軸承具備無(wú)機(jī)械接觸、無(wú)磨損、無(wú)需潤(rùn)滑等突出優(yōu)點(diǎn)，因此在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域，如飛輪儲(chǔ)能、渦輪機(jī)機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在高速旋轉(zhuǎn)應(yīng)用場(chǎng)合，可靠性無(wú)疑是最為關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一，而提高磁軸承系統(tǒng)可靠性的一種有效辦法是采用容錯(cuò)控制技術(shù)。
目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)磁懸浮軸承系統(tǒng)容錯(cuò)控制主要集中在線圈容錯(cuò)控制、傳感器容錯(cuò)控制及功放容錯(cuò)控制等幾個(gè)方面。而其中大多數(shù)的容錯(cuò)策略采用的是冗余備份和控制器重構(gòu)的方法，如1995年E. H. Maslen等學(xué)者針對(duì)線圈容錯(cuò)控制提出磁軸承偏置電流線性化理論，基于定子線圈的冗余，在某個(gè)或幾個(gè)線圈損壞的情況下，可以通過(guò)重構(gòu)電流分配陣在定子內(nèi)重新分配磁通量來(lái)實(shí)現(xiàn)線圈的容錯(cuò)，但這是以犧牲磁軸的承載能力帶來(lái)的可靠性。
在此理論基礎(chǔ)上，許多學(xué)者也進(jìn)行了拓展與優(yōu)化。在傳感器容錯(cuò)控制方面，除冗余備份的方法之外，自傳感技術(shù)由于在成本上極具優(yōu)勢(shì)也被廣泛研究。而針對(duì)功放容錯(cuò)控制則研究得較少，但這并不意味功放容錯(cuò)沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值。
事實(shí)上，磁軸承電力電子功放中的電力電子器件是系統(tǒng)最易失效的部件之一。為了減少開(kāi)關(guān)紋波，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，開(kāi)關(guān)器件工作頻率一般在10~100kHz之間，這要求開(kāi)關(guān)器件頻繁地在不同狀態(tài)下進(jìn)行切換，極易因過(guò)熱、過(guò)電壓、過(guò)電流等原因發(fā)生開(kāi)路或短路故障，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中跌落，產(chǎn)生巨大的沖擊和劇烈的振動(dòng)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)的失效也會(huì)導(dǎo)致功率器件不能正常開(kāi)關(guān)。有調(diào)查表明，工業(yè)應(yīng)用中變頻器約38%的故障來(lái)自功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的損壞。
為了避免在磁懸浮軸承系統(tǒng)中，功率放大器的電力電子器件失效導(dǎo)致懸浮失效和嚴(yán)重后果，保障主動(dòng)磁懸浮軸承在高速旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合的安全可靠運(yùn)行，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）的研究人員胡烽、孫宏博、蔣棟、楊佶昌，在2022年第9期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，在功率放大器容錯(cuò)控制方面，針對(duì)四相全橋拓?fù)涮岢鲆环N開(kāi)關(guān)器件開(kāi)路故障容錯(cuò)控制策略。
磁軸承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與容錯(cuò)控制器
研究人員首先從四相四橋臂工作原理出發(fā)，分析了四相全橋拓?fù)涞膬煞N工作模式對(duì)磁軸承的作用力和控制效果相同，可利用該特性進(jìn)行功放容錯(cuò)設(shè)計(jì)；然后基于電流差分控制的特點(diǎn)給出了判斷開(kāi)路故障的條件，并提出相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略，即一旦四相全橋拓?fù)湔ＤＪ较碌拈_(kāi)關(guān)器件發(fā)生開(kāi)路故障，在幾百微秒內(nèi)將檢測(cè)到故障的發(fā)生，并立即切換至冗余模式下工作，以達(dá)到故障不停機(jī)的目的。
他們進(jìn)一步指出，四相四橋臂拓?fù)湎噍^于其他拓?fù)湓谡{(diào)制方式上未發(fā)生根本性改變，而且成本優(yōu)勢(shì)明顯。但由于不具備容錯(cuò)能力，可靠性低，所以在本研究中將其拓展為四相全橋拓?fù)?，并針?duì)該拓?fù)涮岢隽讼鄳?yīng)的容錯(cuò)控制策略，使磁軸承以較小的位移波動(dòng)為代價(jià)以提高其工作可靠性，并更好地滿足市場(chǎng)需求。
研究人員表示，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明故障檢測(cè)時(shí)間和位移波動(dòng)范圍均保證了切換過(guò)渡過(guò)程中磁軸承的懸浮，證明了該容錯(cuò)控制策略在四相全橋拓?fù)渖系目尚行?。尤其是，在轉(zhuǎn)子懸浮同時(shí)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，該方法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和容錯(cuò)切換過(guò)程不影響系統(tǒng)正常工作，是一種可實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)在線容錯(cuò)的方法。需另外說(shuō)明的是，該研究針對(duì)的雖然是開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障所實(shí)施的容錯(cuò)控制策略，但同樣適用于門極驅(qū)動(dòng)芯片損壞、驅(qū)動(dòng)信號(hào)丟失等故障情況。
本文編自2022年第9期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于四相全橋的磁懸浮軸承開(kāi)關(guān)器件開(kāi)路故障容錯(cuò)控制策略”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目的支持。
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