CN101667804A

CN101667804A - 半桥结构的多相永磁容错电机控制系统

Info

Publication number: CN101667804A
Application number: CN 200910035435
Authority: CN
Inventors: 黄文新; 许顺; 胡育文; 郝振洋
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2010-03-10

Abstract

一种新型的具有故障隔离特性的半桥结构多相永磁容错电机控制系统。该包括M相永磁容错电机(1)和M+1相半桥逆变电路(2)。永磁容错电机的每相绕组的一端与对应半桥中点相连，半桥桥臂的下端串入一个常闭触点和一个PTC电阻后再与母线负端相连，每相绕组的另一端串联另一常闭触点后联接成“*”型接法，同一相的两个常闭触点属于同一个双联继电器。“*”型接法中点再与多余的一相半桥中点相连，该相为中点控制桥臂，上下桥臂均串联一个PTC电阻后与母线相连，桥臂下端没有串常闭触点。任一相发生故障时，该相的两个常闭触点打开，隔离故障相，电机系统进入不对称运行，结合容错控制算法，通过中点控制桥臂控制流过中性点的电流，电机系统进入容错运行状态。

Description

半桥结构的多相永磁容错电机控制系统

技术领域

本发明专利涉及一种多相永磁容错电机控制系统的设计方法。

背景技术

在高可靠性要求的场合中，要求电机驱动系统必须特殊设计，如飞机电力作动系统。电力作动广泛应用于飞机的操纵、环控、机轮刹车、燃油控制等影响飞行安全的关键系统中。由于电机及其控制驱动系统的各部分均可能出现短路，断路等故障，故障后电机非对称运行，输出转矩将出现较大的波动，产生较大的机械噪声，系统的整体性能会大大降低，输出功率会大大下降，甚至导致不能工作。因此故障时的电机驱动系统的容错控制能力就成为一个非常突出的问题，研究电力作动系统的可靠性技术得到了快速发展，它大致分两个阶段，一个是以冗余技术(带代表性的是双余度技术)为标志的初级阶段，一个是以容错技术为标志的高级阶段。

容错，顾名思义，就是允许系统出错，工程上指系统发生任何一种故障时，系统进行重构，使系统可以基本不降低性能运行。20世纪70年代以来，由于电力电子器件的迅猛发展，磁阻电动机与电力电子器件相结合，组成了一种机电一体化的新型电机——开关磁阻电动机。它主要用于调速传动系统，优点是：一相绕组出现故障时，电机仍然可以正常工作，即具有一定的容错性。但与永磁同步电机相比，其不可避免的转矩波动，并且效率较低，从而使它的容错性逊色很多，因此国外的电机专家提出了永磁容错电机的概念，主要是由Newscastle大学的Atkinson.D.J、B.C.Mecrow教授和Shefield大学的Z.Q.Zhu教授、D.Howe教授建立起来，并且首先应用于航空电力作动系统。1993年英国Newscastle大学的B.C.Mecrow教授在IEEE发表了一篇关于H桥逆变器故障诊断文章，为他在1995年提出的容错电机的方案奠定了基石。1995年Mecrow教授在IEEE发表了一篇关于永磁容错电机和开关磁阻电机的容错性能比较的文章，从此以后拉开了永磁容错电机研究的序幕。1996年，Shefield大学的Z.Q.Zhu教授、D.Howe教授开始研究容错电机在飞机的机电作动系统(EMA，Electro-Mechanical Actuator)中的控制与应用，从而显示了永磁容错电机在航空系统中具有强大生命力。

永磁容错电机及其控制电路组成永磁容错电机系统，具有磁隔离、热隔离、电气隔离和具有大电抗抑制短路电流的能力。近几年来，容错电机的研究得到了突飞猛进的发展，但与之相配套的逆变器控制电路拓扑却罕有变化。现有的文献中提及的永磁容错电机系统均是采用永磁容错电机和H桥电路拓扑组合，在此系统中，每个H桥模块对一相绕组进行独立控制，实现电气隔离，并在故障时切除故障相，使电机持续容错运行。但其存在的缺点是需要较多的功率器件，如六相永磁电机系统需采用六个H桥，共24个功率开关管，导致体积重量增大，将影响系统可靠性。如何进一步提高系统的容错能力和可靠性一直是该研究领域里的一个难题。

发明内容

本发明提出了一种新型的永磁容错电机驱动系统，该驱动系统的电路拓扑采用改进型的多相半桥结构逆变器构成，具有较好的容错能力，可靠性高，而且系统成本低，结构简单，体积小。

本发明的电机采用永磁容错电机，容错电机相数一般为4～6相，相数用M表示。M相永磁容错电机具有2M个齿槽，M相M个集中绕组，电枢绕组采用单层隔齿的集中绕制方式，因此电机本体的各相绕组具备了隔热、隔磁以及物理隔离的功能；该电机采用了较深的槽口尺寸，增大了电机槽漏抗，从而可以达到利用大电抗限制短路电流的目的；同时电机转子上装贴不等厚偏心式永磁体，使得电枢绕组的反电势波形为正弦波，而不是传统的方波或梯形波，便于实现性能优良的正弦波驱动算法。这些特殊设计与一般的永磁无刷电机的有着本质的区别，既具有很强的容错能力，又具有优秀的驱动性能。

图2所示为传统的采用H桥电路拓扑的永磁容错电机控制系统，其控制核心为高性能的DSP控制板，DSP运行专门设计的实时控制软件，完成系统正常运行、故障态容错运行及系统状态监测、保护等功能。在此系统中，每相绕组都用独立的单相H桥变换器供电，因此一相绕组或功率管损坏时，与母线链接的电隔离触点分断(图中未标出)，不会影响到其他相的电压输出。尽管每相绕组都用H桥可以实现电气隔离，但同时产生的问题就是功率变换器的功率器件数却多了一倍，导致控制器体积增大，从可靠性的角度讲是个不利的因素。因此利用改进型多相半桥逆变器简单可靠的特点，与永磁容错电机组合成为电机容错控制系统，保持容错能力不变的同时，具有体积小、功率密度高、可靠性提高的特点。

本发明所提出的逆变器电路为一种具有故障隔离特性的M+1相半桥电路拓扑，第M+1相桥臂为中点控制桥臂。容错电机每相绕组的端部与半桥两个功率开关管的中点输出端相连，半桥的下功率开关管通过一个继电器的常闭开关触点与一只PTC电阻(自恢复保险丝)相串联，PTC电阻串入各相桥臂中可有效的限制所在回路各种短路故障对系统的损害，PTC电阻再与母线负端相连。每相绕组的另一端串联另一常闭触点后连接成“*”型接法，同一相的两个常闭触点属于同一个继电器，继电器的触点，如A相为K_A1和K_A2。“*”型接法中点再与多余的一相半桥中点相连，该半桥为中点控制桥臂，下端没有串常闭触点，如此构成一个多相永磁容错电机驱动系统。

电机正常运行时为M相对称运行状态，当其中任一相发生故障时，通过断开该相的两个常闭开关，达到切除故障相，实现电气隔离的功能。此时电机为容错不对称运行，中点控制桥臂工作，控制流过中心点电流。在不对称运行状态，正常相绕组给定电流控制算法不变，由于故障相隔离使得剩余相汇集的中心点电流不为零，中心控制桥臂的电流给定为剩余相电流给定的合成，实现故障态时电机持续、稳定、可靠运行。

与传统的H桥控制拓扑相比，本电路拓扑在不失容错特性和可靠性的基础上，功率开关数目将减少一半，能有效减少控制器的体积重量，减少功率器件数目，既提高了系统运行的可靠性，又节约了逆变器所占用的空间、降低了整个系统的成本，具有非常重大的实用价值。

附图说明

图1为M相永磁容错电机模型图，假设M为6。

图2为传统M相H桥永磁容错电机控制系统。

图2中标号名称：1.M相永磁容错电机；2.M相H桥结构逆变器；3.DSP控制器与检测与保护电路；Q₁₁，Q₁₂，Q₁₃，Q₁₄……Q_M+1，Q_M+2，Q_M+3，Q_M+4为功率开关管，D₁₁，D₁₂……D_M+1，D_M+2，D_M+3，D_M+4为二极管。

图3为半桥结构的M相永磁容错电机控制系统

图3中标号名称：1.M相永磁容错电机；2.M+1相半桥逆变电路；3.电流传感器；Q₁，Q₂……Q_2M+1，Q_2M+2为功率开关管，D₁，D₂…D_2M为二极管；K_A1，K_B1……K_M1为与电机绕组端相连的常闭开关；K_A2，K_B2……K_M2为与半桥下桥臂相连的常闭开关；R₁，R₂……R_M为PTC电阻。

图4PTC(自恢复保险丝)电阻特性曲线。

具体实施方案

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明专利针对M相永磁容错电机控制系统，电路拓扑如图3连接所示。

逆变器故障主要包括功率开关器件短路故障、功率开关器件开路故障、电机绕组端部短路故障以及绕组断路故障。电机系统无故障运行时为M相对称运行。当任一相，以A

1.功率开关器件短路故障。一旦故障发生，PTC电阻R₁上的电流会急剧增大，PTC电阻发热，温度急剧升高，表现出高阻状态，特性如图4所示，电阻变化从数十毫欧上升至数千欧，起有效的隔断作用。在其电阻上升的过程中，电压越来越大。通过实时检测其电压信号并判断其大小，就能及时判断出控制电路是否发生短路故障。故障发生时，封闭功率开关管驱动信号，断开与故障相绕组和桥臂相连的常闭开关K_A1和K_A2，隔离故障相，过渡到容错运行状态。

2.功率开关器件开路故障。功率开关管开路包括Q₁开路、Q₂开路、Q₁和Q₂开路，以及控制或驱动电路损坏导致门极驱动信号常为低电平的情况。故障表现形式相同，故障时波形呈半波波形，其多次谐波含量与正常时波形的多次谐波含量有明显区别，以此来判断出开路故障的发生。故障发生后采取的故障隔离的措施与1相同，断开与故障相绕组和桥臂相连的常闭开关K_A1和K_A2，隔离故障相，并控制中点控制桥臂流入电流的大小，实现缺相不对称运行。

3.电机绕组输出端部短路(全部短路)或绕组匝间短路(部分短路)故障。故障发生时，此时电机短路相绕组中电流由于其自身大电抗限制作用，短路电流并不大。此时，由于绕组发生短接故障，控制内环(电流环)产生所需给定电流的PWM脉冲的平均占空比与非短路的正常两相相比有很大变化，据此可监测绕组短路。故障发生后采取的故障隔离的措施与1相同，断开与故障相绕组和桥臂相连的常闭开关K_A1和K_A2，隔离故障相，并控制中点控制桥臂流入电流的大小，实现缺相不对称运行。

4.电机绕组断路故障。电机某相绕组开路时，其相电流始终为零。此时，通过电流传感器对相电流采样，在若干个周期相电流i始终为0，则认定为绕组断路情况。故障发生后采取的故障隔离的措施与1相同，断开与故障相绕组和桥臂相连的常闭开关K_A1和K_A2，隔离故障相，并控制中点控制桥臂流入电流的大小，实现缺相不对称运行。

当中心控制桥臂发生短路故障时，由于其上下桥臂均串联PTC电阻，短路瞬间，PTC电阻发热，温度急剧升高，表现出高阻状态，电阻变化从数十毫欧上升至数千欧，起有效的隔断作用。在其电阻上升的过程中，电压越来越大。通过实时检测其电压信号并判断其大小，就能及时判断出控制电路是否发生短路故障。当中心桥臂发生功率开关器件开路故障时，故障时其电流传感器上采样波形呈半波波形，其多次谐波含量与正常时波形的多次谐波含量有明显区别，以此来判断出开路故障的发生。短路故障或开路故障发生时，封闭中心控制桥臂功率开关管驱动信号，并同时隔离与之前故障相相对称的一相，(如六相电机中，A相的对称相为D相。A相故障后隔离A相，同时打开中心控制桥臂，之后若中心控制桥臂发生故障，切除中心控制桥臂的同时也切除D相)，以保证电机系统故障后运行的对称性。

综上所述，对应不同的逆变器故障，该新型拓扑均能有效的隔离故障相，使逆变器工作在容错模态下，从而保证某相绕组或功率管出现故障时，故障不会传染到正常相，实现电机正常态运行到缺相故障态运行的平稳过渡，使电机在故障情况下依然持续、可靠、稳定运行。

由于多相永磁容错电机的各相之间的磁隔离设计特性，相互间的耦合作用很小可忽略，且具有物理隔离、热隔离、电气隔离和具有大电抗抑制短路电流能力，其新型控制拓扑又能有效的隔离故障相，故在发生一相，两相或多相故障时(故障相数小于M-2)，电机在输出功率减小的情况下仍能持续运行，足以体现其强大的容错运行能力。

该新型拓扑能有效减少控制器的体积重量，减少功率器件数目，既提高了系统运行的可靠性，又节约了逆变器所占用的空间、降低了整个系统的成本，具有重要的实用价值。

Claims

1、一种具有故障隔离特性的半桥结构多相永磁容错电机控制系统，其特征在于该系统由M相永磁容错电机(1)，M+1相半桥电路拓扑构成(2)，其中第M+1相桥臂为中点控制桥臂，当其中任一相或多至M+1相发生故障时，电机系统均能实现容错运行功能。

2、根据权利要求1所述的具有故障隔离特性的半桥结构多相永磁容错电机控制系统，容错电机的每相绕组的一端接半桥两个功率开关管的中点输出端，半桥的下功率开关管通过一个继电器的常闭开关触点与PTC电阻串联后，再连接到直流母线负端，电机绕组的另一端经过另一常闭触点连接成“*”型接法，同一相的两个常闭触点属于同一个双联继电器；形成的中性点再与中点控制桥臂相连，中点桥臂上下桥臂均串联一个PTC电阻后与母线相连，且该相桥臂不串常闭开关触点。

3、根据权利要求1或2所述的具有故障隔离特性的半桥结构多相永磁容错电机控制系统，每相的下桥臂串入PTC电阻(自恢复保险丝)，利用PTC电阻的过流高阻抗特性，对其所处各种回路的短路故障起到有效的保护隔断作用。

4、根据权利要求1或2或3所述的具有故障隔离特性的半桥结构多相永磁容错电机控制系统，电机正常运行时为M相对称运行，若某相发生故障，通过控制该相的两个常闭触点打开，隔离故障相，电机转为容错不对称运行，在不对称运行状态，由于故障相隔离使得剩余相汇集的中性点电流不为零，此时中点控制桥臂工作，控制流过中性点电流，中点控制桥臂的电流给定为剩余相电流给定的合成，实现容错运行功能。