CN107769665A - 单绕组bsrm绕组开路或短路故障的容错运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单绕组BSRM绕组开路或短路故障的容错运行控制方法，属于无轴承开关磁阻电机控制的技术领域。该方法根据转矩滞环信号选取各相基本电压符号，断开故障齿极绕组相对位置上的齿极绕组并选取与故障相相邻两相中电感值最大的一相作为补偿相，选取补偿相在故障齿极相邻位置上的齿极绕组及其相对位置上的齿极绕组作为悬浮力补偿绕组，根据各相基本电压符号及悬浮力滞环信号重构不平衡电压符号表，实现了单绕组BSRM绕组开路和短路故障容错控制策略的统一，控制简单，在容错运行时保证电机的稳定悬浮同时抑制转矩脉动，动态响应好。

Description

单绕组BSRM绕组开路或短路故障的容错运行控制方法

技术领域

本发明公开了单绕组BSRM绕组开路或短路故障的容错运行控制方法，属于无轴承开关磁阻电机控制的技术领域。

背景技术

BSRM(Bearingless Switched Reluctance Motor，无轴承开关磁阻电机)的研究始于20世纪末，它将磁悬浮轴承中的控制绕组叠绕在开关磁阻电机定子槽中，是一种同时具备旋转和悬浮功能的新型电机。除了具备开关磁阻电机的固有优势，如结构简单坚固、成本低、耐高温、便于维护和高速适应性好等，BSRM还可以避免电机高速运行时轴承的发热和磨损问题。

单绕组BSRM的定子齿上仅有一套绕组，结构简单，各齿极绕组电流均单独控制，功率变换器采用不对称半桥拓扑。传统的电流控制方法通过建立精确的数学模型对电流进行实时跟踪，换相期间存在一段悬浮力缺失影响悬浮效果，同时转矩脉动较大。基于传统控制算法的容错控制策略，同样依赖精确的数学模型，控制系统复杂，转矩和悬浮力脉动大，限制了电机性能。为进一步提高单绕组BSRM的可靠性，本发明基于直接瞬时转矩和直接悬浮力控制策略对绕组故障进行研究，提出一种容错运行控制策略，实现了单绕组BSRM一个齿极绕组出现开路或短路故障时的稳定运行。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了单绕组BSRM绕组开路或短路故障的容错运行控制方法，无需依赖精确的数学模型即可保证单绕组BSRM在容错状态下的稳定悬浮并有效抑制转矩脉动，解决了借助数学模型对单绕组BSRM进行容错控制的方案需要复杂的控制系统、转矩和悬浮力脉动大、可靠性不佳、不同故障需采取不同控制模型的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

单绕组BSRM绕组开路或短路故障的容错运行控制方法，是基于直接瞬时转矩和直接悬浮力的控制方法：以电磁转矩为直接被控量，设置每相绕组的转矩控制区间，根据转矩滞环信号选取各相基本电压符号；以悬浮力为直接被控量，设置每相绕组的悬浮力控制区间，根据悬浮力滞环信号，同时基于每相的基本电压符号构造相内各绕组的不平衡电压符号，当一个齿极绕组发生开路或短路故障时，兼顾电机悬浮和旋转效果，人为断开故障齿极绕组相对方向上的齿极绕组，同时控制与故障齿极相邻位置上的齿极绕组以及该齿极相对方向上的齿极绕组进行悬浮力补偿，以维持补偿相基本电压符号不变为前提，根据悬浮力滞环信号确定补偿齿极绕组的电压符号进而重新构造容错运行时的不平衡电压符号表。

基于上述技术方案的优选方案，设置转矩控制区间对应于各相位置角电角度θ∈[-22.5°，7.5°]，悬浮力控制区间对于各相位置角电角度θ∈[-7.5°，7.5°]。

进一步的，单绕组BSRM绕组开路或短路故障的容错运行控制方法中，补偿悬浮力的方法为：

在故障相的悬浮力控制区间优选相邻两相中电感值更大的一相作为补偿相，并且选取补偿相在故障齿极相邻位置上的齿极绕组以及该齿极相对位置上的齿极绕组作为具体的悬浮力补偿绕组，即，对应于故障相位置角θ∈[-7.5°，0°]，选取与故障齿极相邻位置的前一导通相的齿极绕组以及其相对方向上的齿极绕组进行悬浮力补偿；对应于故障相位置角θ∈[0°，7.5°]，选取与故障齿极相邻位置的下一导通相的齿极绕组以及其相对方向上的齿极绕组进行悬浮力补偿。

进一步的，单绕组BSRM绕组开路或短路故障的容错运行控制方法中直接瞬时转矩的控制方法为：

转子位置处于相电感上升区时：在瞬时转矩小于参考转矩且转矩偏差大于内部滞环最大极限值时，选取基本电压符号为“+”以增大瞬时转矩，在瞬时转矩增大直至转矩偏差小于内部滞环最小极限值时，选取基本电压符号为“0”以使绕组进入零电压续流状态并减小瞬时转矩，在瞬时转矩过大乃至转矩偏差小于外部滞环最小极限值时，选取基本电压符号为“-”以进一步减小瞬时转矩，在瞬时转矩减小过多以至转矩偏差大于内部滞环最小极限值时，选取基本电压符号为“0”以阻碍瞬时转矩的进一步减小；

转子位置处于电感下降区时：增减转矩的逻辑与转子位置处于相电感上升区时相反。

齿极绕组发生开路或短路故障的不同点在于绕组发生短路故障时因互感的影响存在数值很小的短路电流，短路电流同样对转子产生磁拉力，悬浮力补偿时需考虑该磁拉力，上述方案因无需电流滞环，直接根据悬浮力滞环信号确定开关状态，因此能够在单绕组BSRM发生绕组开路和短路故障时采用统一的悬浮力控制方式进而实现容错控制一致。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)实现了单绕组BSRM绕组开路和短路故障容错控制策略的统一，控制简单，无需依赖精确的电机数学模型；对转矩和悬浮力进行直接控制，在容错运行时保证电机的稳定悬浮同时抑制转矩脉动，动态响应好。

(2)该控制策略易于实现，进一步提高了无轴承开关磁阻电机的容错性和安全性，推动了无轴承电机实用化的进程。

附图说明

图1为12/8极单绕组BSRM的结构图。

图2为12/8极单绕组BSRM的电感曲线示意图。

图3为电感上升区转矩滞环的示意图。

图4为电感下降区转矩滞环的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明针对12/8极单绕组BSRM进行说明，如图1所示，电机绕组分为A、B、C三相，每相四个绕组均单独控制。图2给出了对应的导通相序，各相转子位置的零度均定义在定、转子齿极轴线重合处，即电感值最大处。

单绕组BSRM绕组故障容错控制策略，首先遵循直接瞬时转矩控制的要求，各相转矩控制区间对应于各相位置角θ∈[-22.5°，7.5°]，在转矩控制区间内对转矩进行滞环控制，由滞环信号选取各相的基本电压符号。图3所示为转子位置处在θ∈[-22.5°，0°]区间的转矩滞环，对应于图2中的电感上升区，即正转矩产生区，若给绕组施加正电压，则绕组电流增大产生正转矩增加总转矩；若施加负电压，则绕组电流迅速减小，产生的正转矩将减小，总转矩也随之减小；若施加零电压，则绕组电流变化速度缓慢，转矩呈抑制变化的趋势。当实际瞬时转矩小于参考转矩，且转矩偏差大于内部滞环的极限△T_min，选取基本电压符号为“+”，绕组两端施加正电压增大电流以增加转矩；瞬时转矩增大，若使得转矩偏差小于内部滞环的极限-△T_min，选取基本电压符号为“0”，绕组进入零电压续流状态使得转矩缓慢减小；若瞬时转矩仍较大，且使得转矩偏差小于外部滞环的极限-△T_max，选取基本电压符号为“-”，绕组两端施加负电压减小电流以快速减小转矩；若转矩减小过多，使得转矩偏差大于内部滞环的极限-△T_min，重新选择基本电压符号为“0”，阻碍转矩的减小。即根据转矩滞环的需要，及时地切换基本电压符号，直接控制瞬时转矩使其及时跟踪参考转矩值。图4所示为转子位置处在θ∈[0°，7.5°]区间的转矩滞环，对应于图2中的电感下降区，即负转矩产生区，增减转矩的逻辑正好与相电感上升区相反，基本电压符号的选取逻辑也相反：选取基本电压符号“-”时，绕组两端施加负电压减小电流以减少负转矩的产生，从而增大转矩；选取基本电压符号“0”时，绕组进入零电压续流状态，电流变化速度减缓，转矩变化得以抑制；选取基本电压符号“+”时，绕组两端施加正电压增加负转矩的产生，以减小转矩。基于直接瞬时转矩控制所选取的基本电压符号，为满足直接悬浮力控制的要求，选取电感值较大的区间作为各相悬浮力控制区间，即θ∈[-7.5°，7.5°]，并根据悬浮力滞环信号确定相内各绕组的电压符号。以A相绕组为例，当F_α滞环信号为1，表示此时需要α正方向的悬浮力，需增大绕组A₁和A₃之间的励磁不对称度。若此时基本电压符号为“+”，则确定绕组A₁的电压符号为“+”，绕组A₃的电压符号为“0”。若同时F_β滞环信号为0，表示此时需要β负方向的悬浮力，则确定绕组A₂的电压符号为“0”，绕组A₄的电压符号为“1”。即相内四各绕组的电压符号之和需与基本电压符号保持一致，由此得出的不平衡电压符号表，同时满足了直接瞬时转矩控制和直接悬浮力控制的要求。

当某相一个齿极绕组出现开路或短路故障时，为了获取容错运行时更好的悬浮效果，同时保证其基本电压符号不变，断开与故障齿极成相对方向上的齿极绕组，形成对称故障，同时优选相邻两相中电感值更大的一相作为补偿相。即对应于故障相位置角θ∈[-7.5°，0°]，选取故障齿极相邻位置上前一导通相的齿极绕组以及其相对方向上的齿极绕组进行悬浮力补偿；对应于故障相位置角θ∈[0°，7.5°]，选取故障齿极相邻位置上下一导通相的齿极绕组以及其相对方向上的齿极绕组进行悬浮力补偿。表1(注：下标代表绕组编号，对应于图1，若数值超出标号范围，除以4取余即可。)给出了12/8极单绕组BSRM各齿极绕组发生故障时，补偿绕组的选取规则，θ代表各相位置角。以绕组A₁发生故障为例，需断开绕组A₃，在A相位置角θ∈[-7.5°，0°]区间选择控制绕组B₁和B₃，在位置角θ∈[0°，7.5°]区间选择控制绕组C₁和绕组C₃，分别进行悬浮力补偿。补偿绕组的电压符号根据悬浮力滞环信号和和所处位置角区间进行选取，同时为了不改变补偿相自身的基本电压符号，补偿相绕组只选用“+”和“-”两种电压符号进行悬浮力补偿。以绕组A₁发生故障为例，如当F_α滞环信号为1，表示此时需要α正方向的悬浮力，则在位置角θ∈[-7.5°，0°]区间赋给绕组B₃电压符号“+”，赋给绕组B₁电压符号“-”，通过增加绕组B₃和B₁的励磁不平衡度，补偿A_α方向缺失的悬浮力。表2(注：“*”代表任意滞环信号。)给出了在绕组A₁故障容错运行时，在A相绕组控制区间内各相绕组的电压符号选择表，θ_A代表A相位置角，F_Aα、F_Aβ分别代表A相α方向和β方所需要的悬浮力滞环信号。

表1

表2

据此将单绕组BSRM绕组故障容错运行时，在故障相控制区间电压符号的重新构造原则总结如下：

(1)保持故障相的基本电压符号不变：

断开与故障齿极绕组相对位置上的齿极绕组，形成对称故障。

(2)保持补偿相的基本电压符号不变：

补偿相的两个齿极绕组的电压符号，根据悬浮力滞环信号，选取“+”和“-”两个状态的组合。

本发明对于单绕组BSRM绕组开路故障或短路故障均适用，区别在于绕组发生短路故障时存在短路电流，但由于本容错策略对转矩和悬浮力均直接控制，因此短路电流的存在并不过多影响电机的悬浮效果和旋转性能，容错控制策略可统一。

Claims (5)

1.单绕组BSRM绕组开路或短路故障的容错运行控制方法，采用直接瞬时转矩控制和直接悬浮力控制相结合的控制方法实现单绕组BSRM在一个齿极绕组故障时的容错运行，其特征在于，

直接瞬时转矩控制：根据转矩滞环信号选取各相基本电压符号；

直接悬浮力控制：断开故障齿极绕组相对位置上的齿极绕组并选取与故障相相邻两相中电感值最大的一相作为补偿相，选取补偿相在故障齿极相邻位置上的齿极绕组及其相对位置上的齿极绕组作为悬浮力补偿绕组，根据各相基本电压符号及悬浮力滞环信号重构不平衡电压符号表。

2.根据权利要求1所述单绕组BSRM绕组开路或短路故障的容错运行控制方法，其特征在于，根据转矩滞环信号选取各相基本电压符号的具体方法为：

转子位置处于相电感上升区时：

在瞬时转矩小于参考转矩且转矩偏差大于内部滞环最大极限值时，选取基本电压符号为“+”以增大瞬时转矩，

在瞬时转矩增大直至转矩偏差小于内部滞环最小极限值时，选取基本电压符号为“0”以使绕组进入零电压续流状态并减小瞬时转矩，

在瞬时转矩过大乃至转矩偏差小于外部滞环最小极限值时，选取基本电压符号为“-”以进一步减小瞬时转矩，

在瞬间转矩减小过多以至于转矩偏差大于内部滞环最小极限值时，选取基本电压符号为“0”以阻碍瞬时转矩的进一步减小；

转子位置处于相电感下降区时：增减转矩的逻辑与转子位置处于相电感上升区时相反。

3.根据权利要求1所述单绕组BSRM绕组开路或短路故障的容错运行控制方法，其特征在于，按照如下方法选取补偿相在故障齿极相邻位置上的齿极绕组及其相对位置上的齿极绕组作为悬浮力补偿绕组：

在故障相位置角对应于相电感上升区时，选取与故障齿极相邻的前一导通相的齿极绕组及其相对位置上的齿极绕组作为悬浮力补偿绕组；

在故障相位置角对应于相电感下降区时，选取与故障齿极相邻的下一导通相的齿极绕组及其相对位置上的齿极绕组作为悬浮力补偿绕组。

4.根据权利要求3所述单绕组BSRM绕组开路或短路故障的容错运行控制方法，其特征在于，根据各相基本电压符号及悬浮力滞环信号重构不平衡电压符号表的具体方法为：以维持补偿相基本电压符号不变为前提，根据悬浮力滞环信号表征的悬浮力缺失情况，分别为与故障齿极相邻的导通相的齿极绕组及其相对位置上的齿极绕组赋予电压符号“+”、电压符号“-”。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述单绕组BSRM绕组开路或短路故障的容错运行控制方法，其特征在于，该方法适用于12/8极单绕组BSRM。