CN104753435A - 一种四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制方法，将一个电感周期等分为四个导通区间，在每个导通区间内根据电感变化趋势将剩余正常运行的三相绕组分成电感上升组和电感下降组，规定组内各相绕组容错控制电流的幅值和极性相同，然后根据如下两个原则计算剩余三相绕组的容错控制电流：组间磁阻转矩相互抵消；组间励磁转矩之和与故障前相比保持不变；在此基础之上变换四相对称方波控制为三相不对称容错控制。本发明控制算法简单易行，并且在求解过程中无需对电机自身参数进行离线查询或者在线辨识，有利于数字控制器的实现。

Description

一种四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制方法

技术领域

本发明涉及特种电机控制技术领域，尤其涉及一种四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制方法。

背景技术

随着全电多电飞机、舰船以及电动汽车的发展，液压、气压、机械等其它二次能源被电能所取代，因此机上用电量剧增，起动发电机系统的安全可靠性成为最重要的一项技术指标，因而系统在故障情况下的容错控制能力成为一个非常突出的问题。

电励磁双凸极电机既有开关磁阻电机结构简单的优点，又具有电励磁同步电机发电控制简单、控制电路可靠性高的优点，可以构成一种极有竞争力的起动发电机，其研究成果在航空领域得到了成功的应用。如何提升电励磁双凸极电机在故障情况下的容错性能对于飞机、舰船、电动汽车等领域高可靠性起动发电机技术的发展具有重要意义。

目前国内外针对容错电机的研究主要集中如下三种电机：开关磁阻电机、转子永磁式容错电机和永磁双凸极电机。其研究包括电机本体拓扑的设计，容错驱动电路拓扑以及容错控制方法。例如，已经授权的中国发明专利ZL201120072485.7：一种具有聚磁效应的电动汽车用五相永磁容错电机，公开了一种漏磁效应小且具备容错能力的外转子五相永磁容错电机；已经授权的中国发明专利ZL200810021000.4：一种双凸极永磁电机的容错控制方法，公开了一种通过变换三相方波电流为两相正弦波电流的容错控制方法，保持永磁双凸极电机在单相开路故障下输出转矩不变，实现系统的带故障运行。

针对电励磁双凸极容错电机的研究主要集中在多相电励磁双凸极电机本体拓扑设计方面，暂未涉及到本发明所提出的容错控制方法。例如申请号为201310079451.4的中国发明专利：各相电感对称的四相双凸极无刷直流电机，公开了一种采用一个励磁绕组匝链三个电枢绕组的绕制方法实现各相电感对称的新型四相电励磁双凸极电机，该电机各相反电势幅值相等，且在任意时刻都有四相绕组对外出力，容错性能好，但没有涉及容错控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术所涉及的缺陷，提供一种四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制方法，当某一相处于开路状态时，按照以下步骤进行控制：

步骤1)，将一个电感周期等分为四个导通区间；

步骤2)，对于每个导通区间，根据电感变化趋势将剩余正常运行的三相绕组分成两组，其中一组电感处于上升区，另外一组电感处于下降区；

步骤3)，按照下列条件建立方程组求解每个导通区间内正常运行的三相绕组的容错控制电流：

条件1)，电感处于上升区的组内各相绕组容错控制电流的幅值相等，极性为正；电感处于下降区的组内各相绕组的容错控制电流幅值相等，极性为负；

条件2)，组间磁阻转矩相互抵消；

条件3)，组间励磁转矩之和与正常运行时相比保持不变；

步骤4)，按照计算出的三相绕组的容错控制电流对电机进行容错控制。

2.根据权利要求1所述的四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制方法，其特征在于，所述方程组的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_m=i_n\\ (T_{\mathrm{mr}}+T_{\mathrm{nr}})+T_{\mathrm{kr}}=(\frac{1}{2}{i}_m^2\frac{{\mathrm{dL}}_m}{\mathrm{d\θ}}+\frac{1}{2}{i}_n^2\frac{{\mathrm{dL}}_n}{\mathrm{d\θ}})+\frac{1}{2}{i}_k^2\frac{{\mathrm{dL}}_k}{\mathrm{d\θ}}=0\\ (T_{\mathrm{me}}+T_{\mathrm{ne}})+T_{\mathrm{ke}}=(i_m{i}_f\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{mf}}}{\mathrm{d\θ}}+i_n{i}_f\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{nf}}}{\mathrm{d\θ}})+i_k{i}_f\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{kf}}}{\mathrm{d\θ}}=4i_p{i}_f\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{pf}}}{\mathrm{d\θ}}\end{array}\right.$

式中，式中，i_m、i_n分别为相数为2的组内的两相绕组m、n的容错控制电流，T_mr、T_nr分别为为两相绕组m、n的磁阻转矩，T_me、T_ne分别为两相绕组m、n的励磁转矩；

i_k为相数为1的组内的绕组k的容错控制电流，T_kr为绕组k的磁阻转矩，T_ke为绕组k的励磁转矩；

L_mf、L_nf、L_kf分别为绕组m、n、k与励磁绕组的互感，L_m、L_n、L_k分别为绕组m、n、k的绕组自感；

θ为转子位置角，i_f为励磁电流，i_p为正常运行时相绕组所通入的电流。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明首次提出一种四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制方法。当系统发生单相开路故障时，在不同的导通区间内仅需对正常运行时的电流进行一定的线性变换即可得到相应的容错控制电流。在此基础之上利用三相不对称运行的方式消除了单相开路情况下磁阻转矩所引起的输出转矩脉动，与此同时使得输出励磁转矩与故障前相比保持不变，实现了系统的带故障运行。该控制算法简单易行，并且在求解过程中无需对电机自身参数进行离线查询或者在线辨识，有利于数字控制器的实现。

附图说明

图1是本发明采用的四相电励磁双凸极容错电机的结构示意图；

图2是所述四相电励磁双凸极容错电机的电感曲线示意图；

图3是所述四相电励磁双凸极容错电机的驱动电路拓扑结构；

图4是正常运行情况下采用四相对称方波控制的电流波形示意图；

图5是A相开路情况下采用三相不对称容错控制的电流波形示意图；

图6是所述四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1是本发明采用的四相电励磁双凸极容错电机的结构示意图。其中：1、A相定子绕组；2、B相定子绕组；3、C相定子绕组；4、D相定子绕组；5、励磁绕组；6、轴；7、转子铁心；8、定子铁心。电励磁双凸极电机由于采用集中式绕组，各相绕组的磁隔离性能好，采用多相和隔离式的模块化控制方式后更容易构成容错电机系统。然而传统四相电励磁双凸极电机存在各相磁路不对称的问题，电动运行时各相绕组输出转矩不等，不适合构建多相容错电机系统。本发明所涉及的四相电励磁双凸极容错电机采用一个励磁绕组匝链三个电枢绕组的绕制方法解决了传统四相电励磁双凸极电机各相磁路不对称的问题，为构建多相电励磁双凸极容错电机系统提供了基础。

图2是所述四相电励磁双凸极容错电机的电感曲线示意图。从图中可以看出A、B、C、D四相定子绕组的电感幅值相等，相位差为90°电角度。任意时刻该电机都有四相绕组对外出力，这种冗余相的设计方式使得该电机具备一定的容错性能。

图3是所述四相电励磁双凸极容错电机的驱动电路拓扑结构。每一相绕组的两端均被引出并连接到独立的H桥逆变器，并对电力电子器件采取热隔离和物理隔离。这种结构实现了完全的相间电隔离，大大提高了绕组独立运行的能力，当任意一相发生开路故障时，可以通过控制剩余正常工作相的电流补偿输出转矩，维持电机的平稳运行。

图4是正常运行情况下采用四相对称方波控制的电流波形示意图。四相电励磁双凸极容错电机的反电势为梯形波，为了消除磁阻转矩引起的转矩脉动，实现各相绕组均衡出力，正常运行时采用四相对称方波电流控制：在各相绕组的电感上升区和下降区分别通入幅值相等的正向电流和负向电流。在该控制模式下建立正常运行时四相电励磁双凸极容错电机的输出转矩方程。以P相绕组为例，电励磁双凸极电机一相绕组输出转矩方程为：

$T_p=T_{\mathrm{pe}}+T_{\mathrm{pr}}=i_p{i}_f\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{pf}}}{\mathrm{dq}}+\frac{1}{2}{i}_p^2\frac{{\mathrm{dL}}_p}{\mathrm{dq}}$

其中T_pe、T_pr分别为该相的励磁转矩和磁阻转矩，L_pf为相绕组与励磁绕组的互感，L_p为相绕组的自感，θ为转子位置角，i_f为励磁电流，i_p为正常运行时相绕组所通入的电流。任意时刻四相绕组中总有两相绕组的自感处于上升区，另外两相绕组的自感处于下降区，当通入四相对称方波电流时，磁阻转矩分量两两相互抵消，电机的合成输出转矩为四相绕组的励磁转矩分量之和。因此可以建立正常运行时四相电励磁双凸极容错电机的输出转矩方程：

$T={4i}_p{i}_f\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{pf}}}{\mathrm{d\θ}}$

图5是A相开路情况下采用三相不对称容错控制的电流波形示意图。为了具体表述本发明方法的实施方式，在不失一般性的前提之下，以A相开路为例说明剩余正常工作B、C、D三相绕组容错控制电流的求解过程。

将一个电感周期等分成①、②、③、④四个导通区间(如图2所示)并对每个导通区间内的容错控制电流分别进行求解。

首先对导通区间①进行分析，在该区间内根据绕组电感的变化趋势将剩余正常工作的B、C、D三相绕组分为两组，其中D属于电感上升组，组内相数为1；B、C属于电感下降组，组内相数为2。

规定组内各相绕组容错控制电流的幅值相等、极性相同：电感上升组内只有D相，其电流极性为正；电感下降组内B、C两相电流的幅值相同，极性为负。根据如下两个原则：组间磁阻转矩相互抵消；组间励磁转矩之和与正常运行时相比保持不变；可以建立方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b=i_c\\ (T_{\mathrm{br}}+T_{\mathrm{cr}})+T_{\mathrm{dr}}=(\frac{1}{2}{i}_b^2\frac{{\mathrm{dL}}_b}{\mathrm{d\θ}}+\frac{1}{2}{i}_c^2\frac{{\mathrm{dL}}_c}{\mathrm{d\θ}})+\frac{1}{2}{i}_d^2\frac{{\mathrm{dL}}_d}{\mathrm{d\θ}}=0\\ (T_{\mathrm{be}}+T_{\mathrm{ce}})+T_{\mathrm{de}}=(i_b{i}_f\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{bf}}}{\mathrm{d\θ}}+i_c{i}_f\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{cf}}}{\mathrm{d\θ}})+i_d{i}_f\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{df}}}{\mathrm{d\θ}}=4i_p{i}_f\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{pf}}}{\mathrm{d\θ}}\end{array}\right.$

求解该方程组可以得到导通区间①内B、C、D三相绕组容错控制电流的表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b=-(4-2\sqrt{2})*i_p\\ i_c=-(4-2\sqrt{2})*i_p\\ i_d=+(4\sqrt{2}-4)*i_p\end{array}\right.$

由于相绕组在不同导通区间内的电感变化趋势不完全相同，电感上升组内相数和电感下降组内相数随着导通区间的切换而不断发生变化，因此在②、③、④三个导通区间内需要反复利用上述方法对B、C、D三相正常运行的绕组进行分组并计算相应容错控制电流。

在上述分析的基础之上对该容错控制方法进行归纳，分为以下三步：

a.将一个电感周期等分为四个导通区间，在不同导通区间内，根据电感变化趋势将剩余正常运行的三相绕组分成两组：其中一组内相绕组的电感处于上升区，定义为电感上升组；另外一组内相绕组的电感处于下降区，定义为电感下降组。

b.根据以下三个条件建立方程组求解每个导通区间内剩余正常运行的三相绕组的容错控制电流：

1.组内各相绕组容错控制电流的幅值相等、极性相同，其中电感上升组内各相绕组容错控制电流的幅值相等，极性为正；电感下降组内各相绕组容错控制电流幅值相等，极性为负；

2.组间磁阻转矩相互抵消；

3.组间励磁转矩之和与正常运行时相比保持不变。

计算得到相数为1的组的容错控制电流为故障前的倍，相数为2的组的容错控制电流为故障前的倍。

c.利用计算得到的容错控制电流，变换四相对称方波控制为三相不对称容错控制。

图6是所述四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制流程图。在正常运行时采用四相对称方波控制，添加故障检测环节，当检测到系统发生单相开路故障时，在每个导通区间内反复利用本发明所提出的方法对剩余正常工作的相绕组进行分组并计算相应容错控制电流。在此基础之上变换四相对称方波控制为三相不对称容错控制，实现单相开路故障下的转矩补偿。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制方法，其特征在于，当某一相处于开路状态时，按照以下步骤进行控制：

步骤1)，将一个电感周期等分为四个导通区间；

步骤2)，对于每个导通区间，根据电感变化趋势将剩余正常运行的三相绕组分成两组，其中一组电感处于上升区，另外一组电感处于下降区；

步骤3)，按照下列条件建立方程组求解每个导通区间内正常运行的三相绕组的容错控制电流：

条件1)，电感处于上升区的组内各相绕组容错控制电流的幅值相等，极性为正；电感处于下降区的组内各相绕组的容错控制电流幅值相等，极性为负；

条件2)，组间磁阻转矩相互抵消；

条件3)，组间励磁转矩之和与正常运行时相比保持不变；

步骤4)，按照计算出的三相绕组的容错控制电流对电机进行容错控制。

2.根据权利要求1所述的四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制方法，其特征在于，所述方程组的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_m=i_n\\ (T_{\mathrm{mr}}+T_{\mathrm{nr}})+T_{\mathrm{kr}}=(\frac{1}{2}{i}_m^2\frac{d{L}_m}{\mathrm{d\θ}}+\frac{1}{2}{i}_n^2\frac{d{L}_n}{\mathrm{d\θ}})+\frac{1}{2}{i}_k^2\frac{d{L}_k}{\mathrm{d\θ}}=0\\ (T_{\mathrm{me}}+T_{\mathrm{ne}})+T_{\mathrm{ke}}=(i_m{i}_f\frac{d{L}_{\mathrm{mf}}}{\mathrm{d\θ}}+i_n{i}_f\frac{d{L}_{\mathrm{nf}}}{\mathrm{d\θ}})+i_k{i}_f\frac{d{L}_{\mathrm{kf}}}{\mathrm{d\θ}}=4i_p{i}_f\frac{d{L}_{\mathrm{pf}}}{\mathrm{d\θ}}\end{array}\right.$

式中，i_m、i_n分别为相数为2的组内的两相绕组m、n的容错控制电流，T_mr、T_nr分别为为两相绕组m、n的磁阻转矩，T_me、T_ne分别为两相绕组m、n的励磁转矩；

i_k为相数为1的组内的绕组k的容错控制电流，T_kr为绕组k的磁阻转矩，T_ke为绕组k的励磁转矩；

L_mf、L_nf、L_kf分别为绕组m、n、k与励磁绕组的互感，L_m、L_n、L_k分别为绕组m、n、k的绕组自感；

θ为转子位置角，i_f为励磁电流，i_p为正常运行时相绕组所通入的电流。