CN105207439A - 一种基于裂相抽头具有容错功能的开关磁阻电机系统及其故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于裂相抽头具有容错功能的开关磁阻电机系统及其故障诊断方法，系统包括开关磁阻电机、功率变换器、转速检测装置、电流传感器、控制器以及故障容错拓扑。本发明通过对SRM在传统控制策略下的故障分析和故障容错运行，讨论了在不同控制策略下该基于裂相抽头的开关磁阻电机故障诊断与容错拓扑能够有效保证电机发生故障时的容错运行。本发明综合考虑硬件和软件的改善，具有结构模块化和控制容易的优点，通过将传统的不对称半桥和逆变桥并行连接，实现了当绕组和开关管发生开路或者短路故障时仍能保证电机容错运行的功能。

Description

一种基于裂相抽头具有容错功能的开关磁阻电机系统及其故障诊断方法

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于裂相抽头具有容错功能的开关磁阻电机系统及其故障诊断方法。

背景技术

开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor，SRM)是20世纪80年代发展起来的一种新的微型电机，作为一种结构简单、鲁棒性好、价格便宜的新型调速系统，问世不久便引起了各国电气传动界的广泛重视，成为80年代最热门的调速电动机之一。近几十年来，开关磁阻电机发展迅速,得到了越来越多的关注,并且已经在电动汽车、家用电器、航空、通用工业等领域中得到了不同程度的应用。如图1所示，该系统由双凸极式磁阻电机、功率变换器、位置传感器、电流传感器和控制器组成，是机电一体化的调速驱动装置。它具有结构简单、造价低廉、机体坚固、可靠性高、调速范围广等优点，在工业应用中受到青睐。

开关磁阻电机系统(SwitchedReluctanceMotorDrive，SRD)中，开关磁阻电机是该系统中实现机电能量装换的部件，也是SRD有别于其他电机系统的主要标志。功率变换器向SRM提供运转所需要的能量，由蓄电池或者交流电整流后得到的直流电供电，该模块采用的是不对称半桥型功率变换器结构，由于其各相绕组之间相互独立、容错性能好、稳定性强的特点而广泛应用。位置检测模块是用来检测SRM转子的位置；电流检测模块则是用于检测SRM绕组中的各相电流；控制器模块是系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反馈信号、位置传感器和电流传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SRM运行状态的控制。

开关磁阻电机由于其定转子的特殊结构以及各相控制的独立性，而具备高可靠性，特别适合一些环境恶劣、要求连续工作的应用场合，比如航空启动/发电系统、车载电车制动系统、矿井提升机等。功率变换器作为系统控制中的中枢执行机构，是系统中最容易出现故障的薄弱环节。功率变换器故障将破坏驱动系统运行的平衡状态，产生无法抑制的转矩缺口甚至制动转矩，长期故障运行将导致整个系统的损坏。因此，对系统中功率变换器实施故障诊断是非常必要的。

为了提高开关磁阻电机的故障诊断和故障容错能力，包括电流频谱分析法、模糊推理方法、模式识别方法和神经网络方法等在内的许多基于软件和硬件的有效控制策略已经被采用。然而，硬件的改进在提高故障容错能力的同时，由于改变了电机系统的结构而使得一些应用领域受到限制；对于软件方面的改善，电机结构不变的前提下，却增加了控制的难度。因此，我们需要的故障诊断和故障容错策略应该尽可能的满足下面的几个条件：

(1)不改变或者尽可能小的改变传统的开关磁阻电机驱动拓扑；

(2)在极端故障状况下，也能保证电机故障容错运行；

(3)模块化结构设计。

发明内容

为了满足上面提到的几个条件，在传统的开关磁阻电机驱动拓扑的基础上，本发明提出了一种基于裂相抽头具有容错功能的开关磁阻电机系统及其故障诊断方法。

该开关磁阻电机系统包括开关磁阻电机、功率变换器、故障容错组件、电流传感器以及控制器；其中：

所述的开关磁阻电机具有三相定子绕组，每相定子绕组均中间裂相抽头；

所述的功率变换器用于为开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁；

所述的电流传感器用于检测三相定子绕组上对应的三相绕组电流；

所述的故障容错组件用于当开关磁阻电机发生开路或短路故障时实现故障诊断以及容错运行；

所述的控制器根据三相绕组电流对开关磁阻电机进行故障诊断，并为功率变换器以及故障容错组件中的功率开关器件提供控制信号。

所述的功率变换器包括一直流母线电容以及三组功率变换单元，所述的功率变换单元包含两个带反并联二极管的开关管S₁～S₂以及两个续流二极管D₁～D₂；其中，开关管S₁的一端与续流二极管D₁的阴极、直流母线电容的一端以及直流电压的正极相连，开关管S₁的另一端与对应相定子绕组的一端以及续流二极管D₂的阴极相连，续流二极管D₂的阳极与开关管S₂的一端、直流母线电容的另一端以及直流电压的负极相连，开关管S₂的另一端与对应相定子绕组的另一端以及续流二极管D₁的阳极相连。

所述的故障容错组件包括三组故障容错单元，所述的故障容错单元包含两个带反并联二极管的开关管S₃～S₄；其中，开关管S₃的一端与直流电压的正极相连，开关管S₃的另一端与开关管S₄的一端以及对应相定子绕组的中间抽头节点相连，开关管S₄的另一端与直流电压的负极相连。

所述的开关管S₁～S₄均采用CoolMOS管或IGBT。

所述的续流二极管D₁～D₂均采用快恢复二极管。

上述开关磁阻电机系统的故障诊断方法，如下：

开关磁阻电机正常运行情况下，当任一相定子绕组在其开通区间内绕组电流为零时，则表明该相定子绕组或其对应的功率变换单元存在开路故障；此时，开通对应相故障容错单元中的开关管S₃并判断该相绕组电流：

若该相绕组电流重新出现，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管S₁以及与其连接的裂相后的前半部分定子绕组所组成的线路中，且该相在由对应功率变换单元中的开关管S₂和二极管D₁、对应故障容错单元中的开关管S₃～S₄以及后半部分定子绕组所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；

若该相绕组电流仍为零，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管S₂以及与其连接的裂相后的后半部分定子绕组所组成的线路中，进而开通对应相故障容错单元中的开关管S₄，使该相在由对应功率变换单元中的开关管S₁和二极管D₂、对应故障容错单元中的开关管S₃～S₄以及前半部分定子绕组所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；

开关磁阻电机正常运行情况下，当任一相定子绕组在电机整个开关循环周期内绕组电流始终大于零，则表明该相定子绕组或其对应的功率变换单元存在短路故障；此时，开通对应相故障容错单元中的开关管S₃并判断该相绕组电流：

若该相绕组电流减至零，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管S₁以及与其连接的裂相后的前半部分定子绕组所组成的线路中，且该相在由对应功率变换单元中的开关管S₂和二极管D₁、对应故障容错单元中的开关管S₃～S₄以及后半部分定子绕组所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；

若该相绕组电流仍始终大于零，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管S₂以及与其连接的裂相后的后半部分定子绕组所组成的线路中，进而开通对应相故障容错单元中的开关管S₄，使该相在由对应功率变换单元中的开关管S₁和二极管D₂、对应故障容错单元中的开关管S₃～S₄以及前半部分定子绕组所组成的不对称半桥拓扑下容错运行。

由此可见，本发明通过对SRM在传统控制策略下的故障分析和故障容错运行，讨论了在不同控制策略下该基于裂相抽头的开关磁阻电机故障诊断与容错拓扑能够有效保证电机发生故障时的容错运行。本发明综合考虑硬件和软件的改善，具有结构模块化和控制容易的优点，通过将传统的不对称半桥和逆变桥并行连接，实现了当绕组和开关管发生开路或者短路故障时仍能保证电机容错运行的功能。

附图说明

图1为三相12/8极SRM基本绕组的结构示意图。

图2为三相12/8极SRM裂相抽头绕组的结构示意图。

图3为SRM功率变换器一相不对称半桥的结构示意图。

图4(a)为三相12/8极SRM故障容错拓扑的结构示意图。

图4(b)为三相12/8极SRM故障容错拓扑功率变换器的结构示意图。

图4(c)为三相12/8极SRM故障容错拓扑的故障容错模块结构示意图。

图5为三相12/8极SRM发生开路故障时的故障诊断流程图。

图6(a)～(d)分别为SRM发生开路故障时容错运行的四种工作模式示意图。

图7为三相12/8极SRM发生短路故障时的故障诊断流程图。

图8(a)～(c)分别为SRM发生开路故障时容错运行的三种工作模式示意图。

图9(a)为三相12/8极SRM导通序列示意图。

图9(b)为SRM电压PWM控制的原理示意图。

图9(c)为SRM电流斩波控制的原理示意图。

图10(a)为SRM在正常状态及故障状态时相电流和相电感的波形示意图。

图10(b)为SRM在容错运行时不同导通角下相电流和相电感的波形示意图。

图11为SRM的绕组中传统的电流传感器放置策略示意图。

图12(a)为SRM绕组中单电流传感器的放置策略示意图。

图12(b)为SRM正常运行时绕组中电流传感器的电流输出示意图。

图12(c)为SRM故障容错运行时绕组中电流传感器的电流输出示意图。

图13(a)为SRM绕组中双电流传感器的放置策略示意图。

图13(b)为电流传感器在本发明故障容错拓扑中的放置示意图。

图14为三相12/8极SRM在极端故障情况下的容错运行示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式，以三相12/8极SRM为例对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。

本发明基于裂相抽头的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、功率变换器、转速检测装置、电流传感器、控制器以及故障容错拓扑；其中：

如图1所示，开关磁阻电机每相定子绕组都有四个绕组组成；其中，A相绕组L_a由绕组L_a1、L_a2、L_a3与L_a4构成，B相绕组L_b由绕组L_b1、L_b2、L_b3与L_b4构成，C相绕组L_c由绕组L_c1、L_c2、L_c3与L_c4构成。

如图2所示，开关磁阻电机每相定子绕组均被分成两部分；其中，A相绕组L_a分成L_a12和L_a34两部分，L_a12由绕组L_a1与L_a2构成，L_a34由绕组L_a3与L_a4构成，B相绕组L_b分成L_b12和L_b34两部分，L_b12由绕组L_b1与L_b2构成，L_b34由绕组L_b3与L_b4构成,C相绕组L_c分成L_c12和L_c34两部分，L_c12由绕组L_c1与L_c2构成，L_c34由绕组L_c3与L_c4构成。

如图3所示，功率变换器中的不对称半桥均可以被分成左右两部分，两部分都包括相同的开关管，二极管和绕组。

图4(a)为三相12/8极SRM故障容错拓扑结构示意图，由图4(b)SRM主拓扑和图4(c)故障容错模块组成，图4(b)所示的SRM主拓扑包括六个二极管D₀～D₅、六个开关管S₀～S₅和一直流母线电容；其中，直流母线电容的一端与开关管S₀的一端、开关管S₂的一端、开关管S₄的一端、二极管D₁的阴极、二极管D₃的阴极和二极管D₅的阴极共连并连接外部直流电压源的正极，开关管S₀的另一端与定子绕组L_a的一端和二极管D₀的阴极相连，开关管S₂的另一端与定子绕组L_b的一端和二极管D₂的阴极相连，开关管S₄的另一端与定子绕组L_c的一端和二极管D₄的阴极相连，定子绕组L_a的另一端与二极管D₁的阳极和开关管S₁的一端相连，定子绕组L_b的另一端与二极管D₃的阳极和开关管S₃的一端相连，定子绕组L_c的另一端与二极管D₅的阳极和开关管S₅的一端相连，直流母线电容的另一端、开关管S₁的另一端、开关管S₃的另一端、开关管S₅的另一端、二极管D₀的阳极、二极管D₂的阳极和二极管D₄的阳极共连并连接外部直流电压源的负极，六个开关管S₀～S₅的控制极接收控制器提供的信号。

图4(c)所示的故障容错模块包括六个开关管S_A1、S_A2、S_B1、S_B2、S_C1、S_C2和一直流母线电容；其中，直流母线电容的一端与开关管S_A1的一端、开关管S_B1的一端、开关管S_C1的一端共连并连接外部直流电压源的正极，开关管S_A1的另一端与定子绕组裂相抽头A和开关管S_A2的一端相连，开关管S_B1的另一端与定子绕组裂相抽头B和开关管S_B2的一端相连，开关管S_C1的另一端与定子绕组裂相抽头C和开关管S_C2的一端相连，直流母线电容的另一端、开关管S_A2的另一端、开关管S_B2的另一端、开关管S_C2的另一端、二极管D₀的阳极、二极管D₂的阳极和二极管D₄的阳极共连并连接外部直流电压源的负极，六个开关管S₀～S₅的控制极接收控制器提供的信号。

本实施方式采用的三相SRM的不对称半桥型功率变换器结构，各相桥臂共使用两个功率开关管，各相之间相互独立，容错性能好，稳定性强。考虑到减小转矩脉动，降低开关损耗，提高系统效率，实际应用中常采用单管斩波的方式，A相导通阶段，上管S₀保持开通，下管S₁实行斩波控制，电源向绕组供电，当下管开通时，绕组两端承受正电压U_in；当下管关断时，绕组两端电压为零；续流阶段S₀、S₁均关断，电流通过续流二极管D₀和D₁进行续流，绕组两端承受负电压-U_in。

图5为三相12/8极SRM发生开路故障时故障诊断流程图，当某相绕组在开通区间内电流为零时说明该相绕组或者相应开关管出现开路故障，例如当A相绕组在开通区间内电流为零时，说明A相绕组或者相应的开关管出现开路故障，此时将开关管S_A1取代开关管S₀，则开关管S_A1、S_A2、S₁、二极管D₁和绕组L_a34组成一组新的不对称半桥，在相同的控制信号下，如果该相重新出现电流，说明故障位于由开关管S₀和绕组L_a12组成部分；否则，说明故障位于由开关管S₁和绕组L_a34组成部分，此时可将开关管S_A2取代开关管S₁，使A相在由开关管S_A1、S_A2、S₀、二极管D₀和绕组L_a12组成的新不对称半桥拓扑下故障容错运行。图6(a)～(d)对应所示了SRM发生开路故障时容错运行的四种工作模式。

图7为三相12/8极SRM发生短路故障时故障诊断流程图，当某相绕组在续流状态运行过程中的电流始终大于零时说明该相绕组或者相应开关管出现短路故障，例如当A相绕组电流始终大于零时，说明A相绕组或者相应的开关管出现短路故障，此时将开关管S_A1取代开关管S₀，则开关管S_A1、S_A2、S₁、二极管D₁和绕组L_a34组成一组新的不对称半桥，在相同的控制信号下，如果该相电流在电机运行中可以减到零，说明故障位于由开关管S₀和绕组L_a12组成部分；否则，说明故障位于由开关管S₁和绕组L_a34组成部分，此时可将开关管S_A2取代开关管S₁，使A相在由开关管S_A1、S_A2、S₀、二极管D₀和绕组L_a12组成的新不对称半桥拓扑下故障容错运行，图8(a)～(c)对应所示了SRM发生短路故障时容错运行的三种工作模式。

图9(a)为三相12/8极SRM导通序列，当开关磁阻电机开关管或者绕组发生开路或者短路故障处于故障容错运行状态时，经过分析，故障相的相电流峰值和平均电磁转矩将会是正常运行状态时的两倍，如图10(a)所示，i₁和L₁是电机正常运行状态时的相电流和相电感，而i₂和L₂则是电机故障运行状态时的相电流和相电感。当电机采用如图9(b)所示的电压PWM控制时，相电压作为控制对象，无论电机绕组是正常工作还是故障工作，施加与每相的电压是相同的，为了减少故障带来的不平衡相电流，需要将开通角适当滞后，如图10(b)所示。当电机采用如图9(c)所示的电压电流斩波控制(CCC)控制策略时，由于电流作为控制对象，电机在任何状态下运行参考电流的设定是一致的，因此不需要将开通角滞后。

由于相电流是故障诊断和故障容错运行的信息来源，因此，电流传感器的放置策略对于该发明是至关重要的，图11所示的是传统的电流传感器放置策略，但该策略却无法同时满足本发明所述的电机在正常运行和故障容错运行时相电流的测量。因此，本发明又提出了两种有效的电流传感器放置策略。如图12(a)所示即为一种单电流传感器放置策略，对A相而言，绕组L_a12和L_a12放置在电流传感器上的匝数是一致的；电机正常运行时，电流传感器的电流输出是绕组L_a12和L_a12中的电流之和，如图12(b)所示；而在电机故障容错运行时，电流传感器的电流输出是绕组L_a12和L_a12中的电流之一，是正常时的一半，如图12(c)所示。其他相电流传感器的放置策略与A相相同。虽然该策略解决了传统策略无法同时满足电机在正常运行和故障容错运行时相电流的测量问题，同时减少了电流传感器的数量，但是由于电机在正常运行状态和故障容错运行状态是传感器输出电流倍数的不同，引起了控制的复杂性增加。因此，本发明又提出了另一种双电流放置策略，在解决了传统策略缺点的同时，控制的难度没有增加，又具有模块化结构的特点，如图13所示，图13(a)是双电流传感器放置策略的细节图，图13(b)则是电流传感器在该发明所述的故障容错拓扑中的放置示意图。

本实施方式的故障容错拓扑在电机处于极端故障状态时，仍能正常运行，如图14所示，当开关磁阻电机的主驱动拓扑只有一个开关管S₀是正常时，只有A相的左半部分时正常的，则开关管S_A1、S_A2、S₀、二极管D₀和绕组L_a12组成一组新的拓扑可以保证电机在轻负载时容错运行。

Claims (6)

1.一种基于裂相抽头具有容错功能的开关磁阻电机系统，其特征在于，包括开关磁阻电机、功率变换器、故障容错组件、电流传感器以及控制器；其中：

所述的开关磁阻电机具有三相定子绕组，每相定子绕组均中间裂相抽头；

所述的功率变换器用于为开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁；

所述的电流传感器用于检测三相定子绕组上对应的三相绕组电流；

所述的故障容错组件用于当开关磁阻电机发生开路或短路故障时实现故障诊断以及容错运行；

所述的控制器根据三相绕组电流对开关磁阻电机进行故障诊断，并为功率变换器以及故障容错组件中的功率开关器件提供控制信号。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的功率变换器包括一直流母线电容以及三组功率变换单元，所述的功率变换单元包含两个带反并联二极管的开关管S₁～S₂以及两个续流二极管D₁～D₂；其中，开关管S₁的一端与续流二极管D₁的阴极、直流母线电容的一端以及直流电压的正极相连，开关管S₁的另一端与对应相定子绕组的一端以及续流二极管D₂的阴极相连，续流二极管D₂的阳极与开关管S₂的一端、直流母线电容的另一端以及直流电压的负极相连，开关管S₂的另一端与对应相定子绕组的另一端以及续流二极管D₁的阳极相连。

3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的故障容错组件包括三组故障容错单元，所述的故障容错单元包含两个带反并联二极管的开关管S₃～S₄；其中，开关管S₃的一端与直流电压的正极相连，开关管S₃的另一端与开关管S₄的一端以及对应相定子绕组的中间抽头节点相连，开关管S₄的另一端与直流电压的负极相连。

4.根据权利要求3所述的开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的开关管S₁～S₄均采用CoolMOS管或IGBT。

5.根据权利要求2所述的开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的续流二极管D₁～D₂均采用快恢复二极管。

6.一种如权利要求3所述的开关磁阻电机系统的故障诊断方法，如下：

开关磁阻电机正常运行情况下，当任一相定子绕组在其开通区间内绕组电流为零时，则表明该相定子绕组或其对应的功率变换单元存在开路故障；此时，开通对应相故障容错单元中的开关管S₃并判断该相绕组电流：

若该相绕组电流重新出现，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管S₁以及与其连接的裂相后的前半部分定子绕组所组成的线路中，且该相在由对应功率变换单元中的开关管S₂和二极管D₁、对应故障容错单元中的开关管S₃～S₄以及后半部分定子绕组所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；

若该相绕组电流仍为零，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管S₂以及与其连接的裂相后的后半部分定子绕组所组成的线路中，进而开通对应相故障容错单元中的开关管S₄，使该相在由对应功率变换单元中的开关管S₁和二极管D₂、对应故障容错单元中的开关管S₃～S₄以及前半部分定子绕组所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；

开关磁阻电机正常运行情况下，当任一相定子绕组在电机整个开关循环周期内绕组电流始终大于零，则表明该相定子绕组或其对应的功率变换单元存在短路故障；此时，开通对应相故障容错单元中的开关管S₃并判断该相绕组电流：

若该相绕组电流减至零，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管S₁以及与其连接的裂相后的前半部分定子绕组所组成的线路中，且该相在由对应功率变换单元中的开关管S₂和二极管D₁、对应故障容错单元中的开关管S₃～S₄以及后半部分定子绕组所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；

若该相绕组电流仍始终大于零，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管S₂以及与其连接的裂相后的后半部分定子绕组所组成的线路中，进而开通对应相故障容错单元中的开关管S₄，使该相在由对应功率变换单元中的开关管S₁和二极管D₂、对应故障容错单元中的开关管S₃～S₄以及前半部分定子绕组所组成的不对称半桥拓扑下容错运行。