CN101026348A - 一种无轴承开关磁阻电机容错运行控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无轴承开关磁阻电机容错运行的控制方法，属无轴承开关磁阻电机控制方法。本方法是，当电流检测环节检测到导通相出现故障时，随即转入容错运行控制模式，通过故障相的前一相，即补偿相延长导通时间，直至能补偿电机在缺相条件下稳定悬浮所需的悬浮力，而故障相的下一相仍正常导通，此时，两个自由度上的悬浮力改为除故障相外的两相分配，以此得到计算悬浮绕组电流所需的各个方向上的悬浮力，在补偿相的正转矩区，主绕组电流值仍由转速PI调节得到，在负转矩区，根据“平均负转矩最小”原则，计算所需的主绕组电流值和悬浮绕组电流值，确保电机在故障状态下继续稳定运行，由此延长了电机的使用寿命，充分发挥了开关磁阻电机高容错能力的优势。

Description

一种无轴承开关磁阻电机容错运行控制方法

一、技术领域

本发明涉及一种无轴承开关磁阻电机容错运行的控制方法，属无轴承开关磁阻电机控制方法。

二、背景技术

无轴承开关磁阻电机是一种磁悬浮电机，所以它具有磁悬浮电机所具有的一切优点，如：无接触、无磨损、高转速、长寿命等。同时，这种电机又无需额外的磁轴承，轴向长度很短，所以这种电机还具有轴向利用率高、集成度高、较容易实现超高转速等优点。此外，无轴承开关磁阻电机兼具开关磁阻电机的优点，如：结构简单、可靠性高、调速性能好、成本低廉等。

随着现代工业自动化的发展，系统带故障运行的能力越来越成为其是否完善的一项重要性能指标。无轴承开关磁阻电机在运行过程中，受到功率变换器、数字控制器、转子位置检测传感器等诸多电机控制与检测元件的故障率和使用寿命的影响和限制，以及绕组的短路和开路也会使其相绕组不能正常工作，使得电机会出现运行故障而停机，从而为无轴承开关磁阻电机在各领域中的推广与应用增加了隐患，限制了其应用场合的拓展。尤其在某些特定场合下，根本不允许停机情况的发生，即要求电机必须能够在故障情况下继续运行。无轴承开关磁阻电机特殊的结构和运行机理决定了其具有优越的容错运行能力，只要运用合适可行的容错运行控制方法，即可满足此类特殊场合的应用要求。

目前无轴承开关磁阻电机控制方法的研究均是基于其各相正常工作情况下进行的，其正常工作时电感、电流与电磁转矩示意图如图1所示。主绕组电流方波控制、悬浮绕组电流实时控制，在12/8结构无轴承开关磁阻电机中，其绕组电感曲线的周期为45°，故文献中一般使得三相轮流导通15°以保证任何时刻至少有一相绕组工作，从而保证电机的连续、稳定悬浮，并且主绕组电流在其电感上升区产生正转矩，在电感下降区产生负转矩。当电机中某相发生故障后，无轴承开关磁阻电机将无法实现稳定悬浮，从而导致系统瘫痪，严重时会造成电机与控制系统的损坏。这些问题限制了无轴承开关磁阻电机的推广与应用，使得其在现代调速研究及工业应用领域的竞争力不够突出。

三、发明内容

1，发明目的：本发明要解决的问题是实现无轴承开关磁阻电机发生故障后，电机仍能正常调速和悬浮，以提高无轴承开关磁阻电机容错运行能力，保证电机可带故障运行，提高电机的运行可靠性，延长电机的使用寿命，充分发挥开关磁阻电机高容错能力的优势。

2，技术方案：在控制系统中增加了电流检测环节，当未检测到导通相出现持续异常电流信号时，控制系统按照正常运转的模式控制电机正常运行：两个自由度上的悬浮力进行三相分配计算，同时通过转速PI调节得到主绕组电流值，一旦电流检测环节检测到导通相出现持续异常电流信号时，电机控制系统随即转入容错运行控制模式，通过故障相的前一相，即补偿相由原来的正常导通再继续延长导通时间，直至能补偿电机在缺相条件下稳定悬浮所需的径向悬浮力，而故障相的下一相仍正常导通，此时，两个自由度上的悬浮力改为除故障相以外的另外两相分配计算，在补偿相的正转矩区，主绕组电流值仍由转速PI调节得到，而在其负转矩区，依据“平均负转矩最小”原则，即采用使补偿相在补偿运行区间平均负转矩值达到最小的方法确定其主绕组电流值，进而计算其悬浮绕组电流值。

其中，补偿相承担了故障相的悬浮功能，但却产生了一部分负转矩，使得电机的最大输出转矩近似为正常工作时的1/3。

四、附图说明

图1是无轴承开关磁阻电机正常工作时电感、电流与电磁转矩示意图。

图2是无轴承开关磁阻电机容错运行时电感、电流与电磁转矩示意图。

图3是无轴承开关磁阻电机容错运行控制框图。

图中符号意义：1-正转矩区、2-负转矩区、θ_m-超前角，即主绕组方波电流中点与电机定转子齿轴线对齐位置间的距离、θ_on-开通角、θ_off-关断角、L_ma、L_mb、L_mc-三相主绕组自感、i_ma、i_mb、i_mc-三相实际主绕组电流、i_sa、i_sb-A、B两相的悬浮绕组电流、T_a、T_b-A、B两相转矩、α、β-电机转子分别在径向两个自由度上的偏心位移、F_α ^*、F_β ^*-将电机转子拉回到几何中心所需的两个自由度上的悬浮力、θ-电机转子位置角、d/dt-对时间的微分算子、ω-电机实际转速、ω^*-电机给定转速、i_mp ^*-除故障相外的两相正转矩区主绕组电流计算值、i_mp ^*-补偿相负转矩区主绕组电流计算值

五、具体实施方式

1.如图2所示，在区间I内，B相处于电感上升区，此时开通B相以产生正转矩，同时B相悬浮绕组导通产生控制磁场与其主绕组产生的偏置磁场叠加来产生使转轴悬浮所需的径向悬浮力；在区间II内，A相电感处于上升区，故开通A相以产生正转矩，同理，悬浮力也由A相提供；在区间III内，为了实现电机能够带故障继续旋转与悬浮，A相继续导通，补偿原应由C相提供的悬浮力。

2.缺相运行时，在保证电机稳定悬浮的前提下，应最小化补偿相产生的负转矩，以提高电机出力。鉴此，可以确定补偿相在补偿运行时的主绕组电流值，进而依据悬浮力公式可以计算出补偿相悬浮绕组电流值。

3.如图3所示，在系统运行时，若电流检测环节未检测到导通相出现持续异常电流信号时，控制系统按照正常运转的模式控制电机正常运行：由位置传感器检测得到转子径向位置信号经位置调节环节得到所需的两个自由度上的悬浮力，两个悬浮力分别在各自方向上进行三相分配计算，得到分配到每相上的悬浮力，再根据悬浮力公式和由转速PI调节得到的主绕组电流值计算得每相的两个自由度上所需要的悬浮电流，进而实现电机径向稳定悬浮控制。安装在电机上的位置齿盘检测转子旋转位置角，由此可计算得电机转速，转速偏差经PI调节得到主绕组电流值，进而进行电机转速控制。当电流检测环节检测到导通相出现持续异常电流信号时，说明此时该相发生故障，则系统随即转入容错运行控制模式，切断故障相的驱动信号输出，屏蔽故障相正常运行时的软件运行程序，此时，补偿相需由原来的正常导通区间延长导通时间，直至可以补偿电机在缺相条件下稳定悬浮所需的径向悬浮力，而故障相的下一相仍然正常导通。由位置调节得到的两个自由度上的径向悬浮力改为除故障相外的两相分配计算，此时故障相的下一相主绕组电流和悬浮绕组电流的计算方法同系统正常工作模式时一致。对于补偿相，在其正转矩区，主绕组电流值仍由转速PI调节得到，而在其负转矩区，则由“具体实施方式2”中的方法确定其主绕组电流值，再根据悬浮力公式计算得到该相悬浮绕组电流值，以此实现无轴承开关磁阻电机在缺相情况下的正常运转和径向稳定悬浮。

公式表

注：三相分配计算公式为式(1)～(6)；当A相故障时，两相分配计算公式为式(3)～(6)，当B相故障时，两相分配计算公式为式(1)、(2)、(5)和(6)，当C相故障时，两相分配计算公式为式(1)～(4)；式(7)为由悬浮力计算悬浮电流的公式；

上述公式中符号意义：FA_α-分配到A相α自由度上的悬浮力、FA_β-分配到A相β自由度上的悬浮力、FB_α-分配到B相α自由度上的悬浮力、FB_β-分配到B相β自由度上的悬浮力、FC_α-分配到C相α自由度上的悬浮力、FC_β分配到C相β自由度上的悬浮力、i_s-悬浮电流、F_s-悬浮力、K_f(θ)-悬浮力系数，与电机尺寸和转子位置角有关、i_m-主绕组电流。

Claims (1)

1.一种无轴承开关磁阻电机容错运行控制方法，其特征在于，在控制系统中增加了电流检测环节，当未检测到导通相出现持续异常电流信号时，控制系统按照正常运转的模式控制电机正常运行：两个自由度上的悬浮力进行三相分配计算，同时通过转速PI调节得到主绕组电流值，一旦电流检测环节检测到导通相出现持续异常电流信号时，电机控制系统随即转入容错运行控制模式，通过故障相的前一相，即补偿相由原来的正常导通再继续延长导通时间，直至能补偿电机在缺相条件下稳定悬浮所需的径向悬浮力，而故障相的下一相仍正常导通，此时，两个自由度上的悬浮力改为除故障相以外的另外两相分配计算，在补偿相的正转矩区，主绕组电流值仍由转速PI调节得到，而在其负转矩区，依据“平均负转矩最小”原则，即采用使补偿相在补偿运行区间平均负转矩值达到最小的方法确定其主绕组电流值，进而计算其悬浮绕组电流值。

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