海军工程大学刘奇、苏振中 等：基于Bang-Bang+前馈策略的磁轴承执行器失效故障容错控制

阅读提示：本文约 1300 字

随着主动磁轴承在飞轮储能、高速电机、涡轮机械等领域的广泛应用，提高磁轴承系统可靠性的重要意义逐渐凸显。海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室磁轴承研究团队针对执行器失效故障，提出了一种基于 Bang-Bang+前馈策略的容错控制方法。现场实验结果验证了所提方法的有效性。

研究背景

磁轴承系统较为复杂，控制通道和组成元件数量较多，由此带来的可靠性问题成为制约其发展的难题。近年来随着磁轴承技术在航空航天、船舶、核能发电等领域的应用，对磁轴承的运行可靠性提出了更高的要求。

论文所解决的问题及意义

现有的执行器容错控制方法普遍需要增加磁极数量、功放数量或改变功放开关管拓扑结构，均会增大整个系统的体积。因此在磁轴承典型硬件架构基础上，不增加硬件结构并实现执行器失效故障的容错控制能大大提高磁轴承在体积受限场合使用时的可靠性。

论文方法及创新点

1、执行器故障诊断

通过对正常情况下差动的执行器电流和的波动进行分析，将电流和与两倍偏置电流和的偏差分成要由两部分组成。第一部分由稳态时的电流纹波带来，以磁轴承常用的三电平脉宽调制功放为例分析可得到对应值。第二部分是转子运动过程中，上、下功放电流变化速度不同带来的影响，以转子在稳态下受到冲击后电流变化最大值为限制值。两者相加并取一定的裕量即可得到故障判断阈值。

2、Bang-Bang+前馈策略的容错控制方法

为避免执行器故障后转子与保护轴承的碰撞，并使转子最快回到平衡位置。根据Bang-Bang 控制的特点，将故障自由度上执行器电流为0A 作为零电磁力控制方式，以最有效地抑制右侧位移幅值向上继续增大；将电流为最大允许电流作为最大电磁力控制方式，以使转子在接近平衡位置时减速，并使位移、速度同时为稳定， Bang-Bang 控制的相平面轨迹如图1所示。

图1 Bang-Bang 控制的相平面轨迹

为避免Bang-Bang控制带来的高频振荡，容错控制结束后控制方法应切换回 PID 控制。基于考虑执行器故障的磁轴承转子模型可得到故障稳态下的上执行器电流值，由此采用电流前馈控制以提高切换后的转子稳定速度。整个Bang-Bang+前馈控制过程流程如图2所示。

图2 Bang-Bang+前馈控制流程

实验验证

在额定转速下进行容错控制实验，是否采用容错控制时转子在故障自由度的位移以及定子加速度对比如图3、4所示。

图3 有无容错控制时故障自由度位移

图4 有无容错控制时定子加速度

结论

本文设计了一种基于Bang-Bang+前馈控制的容错控制器。首先基于磁轴承-转子的动力学模型得到执行器故障后采用Bang-Bang控制时转子速度-位移的相平面轨迹方程，由此得到了使转子在Bang-Bang控制下最快回到平衡位置的切换点，然后在转子回到平衡位置后切换回PID控制，并同时采用前馈控制使转子能快速稳定。

实验结果表明：采用所提容错控制方法后，故障侧最大位移幅值与正常态转子轴振幅值相比不超过0.04mm，且转子在0.2s内以PID控制方式恢复至稳态悬浮。提高了磁轴承系统对执行器故障的容错能力。

团队介绍

• 刘奇，博士研究生，研究方向为磁轴承及其容错控制。 
• 苏振中，博士，副研究员，硕士生导师, 研究方向为磁悬浮技术、电力集成技术。
• 姜豪，博士，讲师，研究方向为磁轴承技术。
• 吴超，博士研究生，研究方向为磁轴承控制及转子动力学。
• 晏明，博士，副研究员，硕士生导师,主要研究领域为电机设计与分析。

本文编自2023年第1期《电工技术学报》，论文标题为“基于Bang-Bang+前馈策略的磁轴承执行器失效故障容错控制”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。

引用本文

刘奇, 苏振中, 姜豪, 吴超, 晏明. 基于Bang-Bang+前馈策略的磁轴承执行器失效故障容错控制[J]. 电工技术学报, 2023, 38(1): 177-189. Liu Qi, Su Zhenzhong, Jiang Hao, Wu Chao, Yan Ming. Fault Tolerant Control of Magnetic Bearing Actuator Failure Based on Bang-Bang + Feedforward Strategy. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(1): 177-189.

阅读全文

➤ 下载论文PDF版，请点击本行文字！

➤ 在线阅读全文，请点击本行文字！

推荐阅读

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

学会科普微信

新浪微博

抖音号

联系我们

☎️ 《电工技术学报》：010-63256949/6981；邮箱：[e-mail]

☎️ 《电气技术》：010-63256943；邮箱：[e-mail]

☎️ 《中国电工技术学会电机与系统学报（CES TEMS）》：电话：[phone]；邮箱：[e-mail]

☎️ 编务：010-63256994

☎️ 订阅：010-63256817

☎️ 商务合作：010-63256867/6838