CN103441730A - 一种故障自修复的电机容错驱动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种故障自修复的电机容错驱动控制系统及方法，当电机运行时，故障检测模块对电机三相绕组的电流进行实时检测，并将检测信号发送到故障处理模块进行故障判断，如果电流变化没有出现异常，电机正常运行，反之，电机有故障；电机正常运行，故障处理模块发送信号给H桥驱动信号模块，H桥驱动模块相应地驱动独立H桥模块，驱动电机正常运转；电机有故障，H桥驱动信号模块将故障处理信号发送给H桥驱动模块，由H桥驱动模块启动备用独立H桥模块，同时由H桥切换驱动模块启动H桥切换开关，从而由备用独立H桥模块取代独立H桥模块，保证电机正常工作，实现了硬件驱动电路的自修复过程，提高了硬件驱动电路的可靠性和功率密度。

Description

一种故障自修复的电机容错驱动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于DSP（数字信号处理器）的容错系统，属于集成电路容错系统设计领域，具体是三相电机的容错控制系统。

背景技术

 目前，DSP器件已得到广泛应用，成为信号处理和控制的关键部分，但是由于电力电子器件长时间工作散热处理不及时造成损坏等问题，设备高可靠性受到一定的影响。

三相全桥逆变电路是处理三相电机的经典电路，但其可靠性不高，电机单相故障时，将无法正常工作。在综合考虑容错控制、故障检测及可行性等因素的条件下，采用容错式拓扑结构独立H桥电路，即各相驱动和功率逆变电路完全相互独立，这样当检测到某一相有故障时（包括电机本体故障和逆变器故障），就直接将该相位切除，通过简单容错控制策略就可很方便地实现故障的隔离和系统的重构，从而提高系统的可靠性。但在例如航空航天、军工等领域需要绝对的高可靠性，往往都会备有另一套驱动设备来增强可靠性，这不仅增加了系统的重量和体积，也降低了利用率，功率密度低。

河南工程学报（自然科学版），2011年3月，第23卷第1期，程辉等著：“一种永磁同步电机的容错控制方法”，提出了一种三相四桥臂具有容错功能的驱动控制系统，该驱动控制系统在故障时，三相绕组之间在硬件电路方面仍相互影响，在发生一相故障时，除需将第四桥臂接入电路外，还需另外进行反馈补偿设计，较繁琐。此外，该驱动控制系统必须在永磁同步电机下驱动控制，且需在使用SVPWM控制算法的前提下才能达到一定效果，具有局限性，应用受限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有三相电机在某相发生故障时，全桥驱动电路故障对整个驱动电路影响较大驱动电路应用受限的问题，同时解决现有双套驱动设备体积大和功率密度低的问题，提出一种故障自修复的电机容错驱动控制系统和驱动控制方法，能提高单套硬件设备的功效，提高设备利用率和控制可靠性。

本发明所述一种故障自修复的电机容错驱动控制系统所采用的技术方案是：包括故障检测模块，故障检测模块输入端连接独立H桥模块，故障检测模块输出端连接故障处理模块输入端，故障处理模块输出端分别连接H桥驱动信号模块和H桥切换驱动模块，H桥驱动信号输出端连接H桥驱动模块，H桥驱动模块输出端分别连接独立H桥模块和备用独立H桥模块，H桥切换驱动模块和备用独立H桥模块的输出端分别连接H桥切换开关，独立H桥模块的输出还连接电机三相绕组，备用独立H桥模块的输出经H桥切换开关后连接电机三相绕组。

本发明所述一种故障自修复的电机容错驱动控制系统的控制方法采用的技术方案是具有如下步骤：A、当电机运行时，故障检测模块对电机三相绕组的电流进行实时检测，并将检测信号发送到故障处理模块进行故障判断，如果电流变化没有出现异常，电机正常运行，反之，电机有故障；B、如果电机正常运行，故障处理模块发送信号给H桥驱动信号模块，H桥驱动信号模块发出控制信号给H桥驱动模块，H桥驱动模块相应地驱动独立H桥模块，产生正确的驱动信号驱动电机正常运转；C、如果电机有故障，故障处理模块同时给H桥驱动信号模块和H桥切换驱动模块信号，H桥驱动信号模块将故障处理信号发送给H桥驱动模块，由H桥驱动模块启动备用独立H桥模块，同时由H桥切换驱动模块启动H桥切换开关，从而由备用独立H桥模块取代独立H桥模块，保证电机正常工作。

本发明与现有技术相比：本发明是基于备用独立H桥的容错电路系统，基于DSP检测故障信号，解决电机驱动电路某相故障时的硬件电路自修复问题，在电机无故障时，备用独立H桥驱动模块和H桥切换驱动模块都不给予使能信号。当故障发生时，检测到某相H桥驱动故障，立即禁止故障相H桥驱动，同时使能相应H桥切换驱动模块和备用独立H桥驱动模块，切换故障相的外围电路和内部控制信息，并将故障相的控制信息转移到备用独立H桥驱动模块上，从而使电机保持正常工作，实现了硬件驱动电路的自修复过程，通过IGBT成功由备用驱动电路替换故障驱动电路相，提高了硬件驱动电路的可靠性和功率密度。

附图说明

图1为本发明所述的一种故障自修复的电机容错驱动控制系统的总体结构框图；

图2为图1中的单相H桥的连接结构框图；

图3为三相电机的H桥切换开关的连接示意图。

图中：1.DSP控制器部分；2. H桥及其驱动部分；3.故障处理部分；1-1.故障检测模块；1-2.H桥驱动信号模块；1-3.故障处理模块；2-1.独立H桥模块；2-2.备用独立H桥模块；2-3.H桥驱动模块；3-1.H桥切换开关；3-2.H桥切换驱动模块；2-1-1.单相独立H桥；3-1-1.单相H桥切换开关。

具体实施方式

本发明所述的一种故障自修复的电机容错驱动控制系统的总体结构框图如图1所示，主要包括DSP控制器部分1、H桥及其驱动部分2和故障处理部分3；所述DSP控制器部分1包括故障检测模块1-1、H桥驱动信号模块1-2和故障处理模块1-3；所述的H桥及其驱动部分2包括独立H桥模块2-1、备用独立H桥模块2-2和H桥驱动模块2-3；所述的故障处理部分3包括H桥切换开关3-1和H桥切换驱动模块3-2。其中，故障检测模块1-1输入端连接独立H桥模块2-1，独立H桥模块2-1输出信号到故障检测模块1-1，故障检测模块1-1的输入端通过DSP的ADC（模数转换器）口连接于独立H桥模块2-1。故障检测模块1-1用于电流检测。故障检测模块1-1输出端连接故障处理模块1-3输入端，故障处理模块1-3输出端分别连接H桥驱动信号模块1-2和H桥切换驱动模块3-2，H桥切换驱动模块3-2和备用独立H桥模块2-2的输出端分别连接H桥切换开关3-1，故障检测模块1-1将检测结果传送给故障处理模块1-3，进行故障是否存在的判断，并将结果分别传送给H桥驱动信号模块1-2和H桥切换驱动模块3-2。H桥驱动信号1-2输出端连接H桥驱动模块2-3，H桥驱动信号模块1-2的输入由故障处理模块1-3处理后给定，继而发出相应的驱动指令给H桥驱动模块2-3， H桥切换驱动模块3-2的输出连接H桥切换开关3-1，对H桥间切换进行动作。H桥驱动信号1-2将信号再发送到H桥驱动模块2-3，H桥驱动模块2-3输出端分别连接独立H桥模块2-1和备用独立H桥模块2-2，独立H桥模块2-1和备用独立H桥模块2-2的输入端都连接到H桥驱动模块2-3，由H桥驱动模块2-3进行控制通断，H桥驱动模块2-3将驱动信号分别发送给独立H桥模块2-1和备用独立H桥模块2-2；独立H桥模块2-1的输出还连接电机三相绕组，备用独立H桥模块2-2的输出经H桥切换开关3-1后连接电机三相绕组，H桥切换开关3-1的一端连接于电机正常工作时的相绕组，H桥切换开关3-1的另一端连接于备用独立H桥模块2-2的输出端，H桥切换驱动模块3-2连接于DSP给定的故障处理信号端口和H桥切换开关3-1之间，通过其控制备用独立H桥模块2-2与故障相的成功切换。

正常工作时，独立H桥模块2-1的控制信号输送到电机相绕组端，控制电机的正常运转，故障时，相应故障驱动电路发出禁止驱动信号，并对备用驱动相和H桥切换驱动模块进行使能，同时将故障相的控制信息复制到备用驱动相上，来代替故障驱动相；H桥切换驱动模块3-2和备用独立H桥模块2-2将信号发送到H桥切换开关3-1，H桥切换开关3-1和独立H桥模块2-1配合，重新发出正常的驱动信号，控制电机的正常运行。 

H桥切换开关3-1主要由电力电子器件IGBT或MOSFET连接，实现低电压控制高电压的要求，在正常工作时，保持关断状态，阻止各相间相互影响，在故障发生时，仅保持故障相与备用H桥输出间的电力电子器件为开通状态，其它正常相与备用H桥输出间的电力电子器件仍为关断状态，实现故障相与备用独立H桥相的成功切换，且不影响其它电机相的正常工作。

本发明单相H桥的具体连接示意图如图2所示，主要包括DSP控制器部分1、H桥及其驱动部分2和故障处理部分3，是图1的系统总体结构框图的单相电路结构框图，是电机单相电路的具体连接示意图。其中，H桥及其驱动部分2包括单相独立H桥2-1-1、备用独立H桥模块2-2和H桥驱动模块2-3，单相独立H桥2-1-1是独立H桥模块2-1中控制电机一相的单相H桥，单相独立H桥2-1-1是由四个独立的IGBT组成的桥式电路，控制电机其它相的H桥电路和单相独立H桥2-1-1相同，故障处理部分3包括单相H桥切换开关3-1-1和H桥切换驱动模块3-2，单相H桥切换开关3-1-1是H桥切换开关3-1中连接备用独立H桥模块2-2与电机一相绕组的开关, 单相H桥切换开关3-1-1由两个独立的IGBT组成。

以三相电机为例，本发明实现可靠故障自修复的关键连接示意图请参考图3，图3是三相电机H桥切换开关3-1的连接示意图，属于故障处理部分3，H桥切换开关3-1是连接备用独立H桥模块2-2和电机相绕组的关键部分。H桥切换开关3-1上端部分的一端连接于备用独立H桥模块2-2一个桥臂的中间输出，H桥切换开关3-1上端部分的另一端连接于电机三相绕组的正端，H桥切换开关3-1下端部分的一端连接于备用独立H桥模块2-2另一个桥臂的中间输出，H桥切换开关3-1下端部分的另一端连接于电机三相绕组的负端，可靠保证备用独立H桥模块2-2成功替换故障相控制电机，且不影响其它驱动相的正常工作。

本发明的工作过程具体如下：首先判断电机运行是否正常，当电机运行时，对电机三相绕组的电流进行实时检测，故障检测模块1-1会通过检测独立H桥模块2-1的输出端电流，实时观测电机各相电流的变化状态，并将检测信号发送到故障处理模块1-3进行故障判断。如果电流变化没有出现异常，电机正常运行；反之，如果电流变化出现异常，说明电机有故障。 如果电机正常运行，故障处理模块1-3发送信号给H桥驱动信号模块1-2，H桥驱动信号模块1-2发出控制信号给H桥驱动模块2-3，H桥驱动模块2-3会相应地驱动独立H桥模块2-1，进行电机驱动控制，产生正确的驱动信号驱动电机正常运转。如果电机有故障，故障处理模块1-3会给H桥驱动信号模块1-2发出信号，同时向H桥切换驱动模块3-2发出信号，H桥驱动信号模块1-2会将故障处理信号发送给H桥驱动模块2-3，由H桥驱动模块2-3启动备用独立H桥模块2-2，同时由H桥切换驱动模块3-2启动H桥切换开关3-1，从而由备用独立H桥模块2-2取代独立H桥模块2-1形成新的完整驱动电路，并发出正确的驱动信号，保证电机正常工作。在电机有故障时，H桥切换驱动模块3-2的可靠操作是本发明的关键，本发明中，采用场控型电力电子器件IGBT，通常使IGBT开通的栅射极间的电压取15-20V， 可通过DSP控制器发出高电平信号，经过4到5倍运算放大器放大后，送到相应IGBT的栅极，驱动IGBT导通，使得备用独立H桥模块2-2成功替换故障相。

 本发明实现了硬件驱动电路的自修复过程，通过IGBT成功由备用驱动电路替换故障驱动电路相，提高了硬件驱动电路的可靠性和功率密度。

Claims (4)

1.一种故障自修复的电机容错驱动控制系统，包括故障检测模块（1-1），其特征是：故障检测模块（1-1）输入端连接独立H桥模块（2-1），故障检测模块（1-1）输出端连接故障处理模块（1-3）输入端，故障处理模块（1-3）输出端分别连接H桥驱动信号模块（1-2）和H桥切换驱动模块（3-2），H桥驱动信号（1-2）输出端连接H桥驱动模块（2-3），H桥驱动模块（2-3）输出端分别连接独立H桥模块（2-1）和备用独立H桥模块（2-2），H桥切换驱动模块（3-2）和备用独立H桥模块（2-2）的输出端分别连接H桥切换开关（3-1），独立H桥模块（2-1）的输出还连接电机三相绕组，备用独立H桥模块（2-2）的输出经H桥切换开关（3-1）后连接电机三相绕组。

2.根据权利要求1所述一种故障自修复的电机容错驱动控制系统，其特征是：独立H桥模块（2-1）中的单相独立H桥是由四个独立的IGBT组成的桥式电路，H桥切换开关（3-1）中的单相H桥切换开关是连接备用独立H桥模块（2-2）与电机一相绕组的开关, 所述单相H桥切换开关由两个独立的IGBT组成。

3.根据权利要求2所述一种故障自修复的电机容错驱动控制系统，其特征是：H桥切换开关（3-1）上端部分的一端连接备用独立H桥模块（2-2）一个桥臂的中间输出端，上端部分的另一端连接电机三相绕组的正端，H桥切换开关（3-1）下端部分的一端连接备用独立H桥模块（2-2）另一个桥臂的中间输出端，下端部分的另一端连接电机三相绕组的负端。

4.一种如权利要求1所述故障自修复的电机容错驱动控制系统的控制方法，其特征是具有如下步骤：

A、当电机运行时，故障检测模块（1-1）对电机三相绕组的电流进行实时检测，并将检测信号发送到故障处理模块（1-3）进行故障判断，如果电流变化没有出现异常，电机正常运行，反之，电机有故障；

B、 如果电机正常运行，故障处理模块（1-3）发送信号给H桥驱动信号模块（1-2），H桥驱动信号模块（1-2）发出控制信号给H桥驱动模块（2-3），H桥驱动模块（2-3）相应地驱动独立H桥模块（2-1），产生正确的驱动信号驱动电机正常运转；

C、如果电机有故障，故障处理模块（1-3）同时给H桥驱动信号模块（1-2）和H桥切换驱动模块（3-2）信号，H桥驱动信号模块（1-2）将故障处理信号发送给H桥驱动模块（2-3），由H桥驱动模块（2-3）启动备用独立H桥模块（2-2），同时由H桥切换驱动模块（3-2）启动H桥切换开关（3-1），从而由备用独立H桥模块（2-2）取代独立H桥模块（2-1），保证电机正常工作。

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