相比于機械軸承，磁懸浮軸承具備無機械接觸、無磨損、無需潤滑等突出優(yōu)點，因此在高速旋轉機械領域，如飛輪儲能、渦輪機機械、醫(yī)療設備、航空航天等領域被廣泛應用。在高速旋轉應用場合，可靠性無疑是最為關鍵的性能指標之一，而提高磁軸承系統(tǒng)可靠性的一種有效辦法是采用容錯控制技術。
目前國內外學者針對磁懸浮軸承系統(tǒng)容錯控制主要集中在線圈容錯控制、傳感器容錯控制及功放容錯控制等幾個方面。而其中大多數(shù)的容錯策略采用的是冗余備份和控制器重構的方法，如1995年E. H. Maslen等學者針對線圈容錯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，在某個或幾個線圈損壞的情況下，可以通過重構電流分配陣在定子內重新分配磁通量來實現(xiàn)線圈的容錯，但這是以犧牲磁軸的承載能力帶來的可靠性。
在此理論基礎上，許多學者也進行了拓展與優(yōu)化。在傳感器容錯控制方面，除冗余備份的方法之外，自傳感技術由于在成本上極具優(yōu)勢也被廣泛研究。而針對功放容錯控制則研究得較少，但這并不意味功放容錯沒有應用價值。
事實上，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。為了減少開關紋波，提高系統(tǒng)動態(tài)響應，開關器件工作頻率一般在10~100kHz之間，這要求開關器件頻繁地在不同狀態(tài)下進行切換，極易因過熱、過電壓、過電流等原因發(fā)生開路或短路故障，進而導致轉子在高速旋轉過程中跌落，產生巨大的沖擊和劇烈的振動。同時驅動的失效也會導致功率器件不能正常開關。有調查表明，工業(yè)應用中變頻器約38%的故障來自功率半導體開關器件的損壞。
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致懸浮失效和嚴重后果，保障主動磁懸浮軸承在高速旋轉場合的安全可靠運行，強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學）的研究人員胡烽、孫宏博、蔣棟、楊佶昌，在2022年第9期《電工技術學報》上撰文，在功率放大器容錯控制方面，針對四相全橋拓撲提出一種開關器件開路故障容錯控制策略。
磁軸承實驗平臺與容錯控制器
研究人員首先從四相四橋臂工作原理出發(fā)，分析了四相全橋拓撲的兩種工作模式對磁軸承的作用力和控制效果相同，可利用該特性進行功放容錯設計；然后基于電流差分控制的特點給出了判斷開路故障的條件，并提出相應的容錯控制策略，即一旦四相全橋拓撲正常模式下的開關器件發(fā)生開路故障，在幾百微秒內將檢測到故障的發(fā)生，并立即切換至冗余模式下工作，以達到故障不停機的目的。
他們進一步指出，四相四橋臂拓撲相較于其他拓撲在調制方式上未發(fā)生根本性改變，而且成本優(yōu)勢明顯。但由于不具備容錯能力，可靠性低，所以在本研究中將其拓展為四相全橋拓撲，并針對該拓撲提出了相應的容錯控制策略，使磁軸承以較小的位移波動為代價以提高其工作可靠性，并更好地滿足市場需求。
研究人員表示，仿真與實驗結果表明故障檢測時間和位移波動范圍均保證了切換過渡過程中磁軸承的懸浮，證明了該容錯控制策略在四相全橋拓撲上的可行性。尤其是，在轉子懸浮同時旋轉的過程中，該方法實現(xiàn)檢測和容錯切換過程不影響系統(tǒng)正常工作，是一種可實時地實現(xiàn)在線容錯的方法。需另外說明的是，該研究針對的雖然是開關管開路故障所實施的容錯控制策略，但同樣適用于門極驅動芯片損壞、驅動信號丟失等故障情況。
本文編自2022年第9期《電工技術學報》，論文標題為“基于四相全橋的磁懸浮軸承開關器件開路故障容錯控制策略”。本課題得到了國家自然科學基金資助項目的支持。
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