CN114421848B - 一种开关磁阻电机短路故障容错控制方法 - Google Patents

一种开关磁阻电机短路故障容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机短路故障容错控制方法，涉及电机驱动与控制技术领域。该方法通过三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统实现，该系统包括一个三相开关磁阻电机、一个直流电源、两个断路器、一个四桥臂逆变器；其中，三相开关磁阻电机绕组包括A、B、C三相，绕组采用星形连接方式，且其中性点连接四桥臂逆变器的第四桥臂；三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统正常工作时为两相励磁的方式，可分为六种通电模式：A+C‑、A+B‑、B‑C+、C+A‑、A‑B+、B+C‑，在开关管发生短路故障时切断故障部分，改变为公共开关模式完成容错控制。可以在开关磁阻电机的功率变换器件短路故障时进行容错控制，保证开关磁阻电机系统性能较正常运行时基本不变。

Description

一种开关磁阻电机短路故障容错控制方法
技术领域
本发明涉及电机驱动与控制技术领域，具体涉及一种开关磁阻电机短路故障容错控制方法。
背景技术
开关磁阻电机结构坚固简单成本低，双极性控制的三相开关磁阻电机系统接线简单、调速范围宽、转矩脉动较小，适用于高速、环境恶劣的场合。但由于元器件老化、过流过压等原因，在电机的运行过程中，可能会发生故障。开关磁阻电机的功率变换器及其驱动电路作为系统控制的中枢执行机构，是开关磁阻电机系统中最容易出现故障的环节。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开关磁阻电机系统的损坏。因此，在开关磁阻电机系统发生功率变换器故障时实施容错控制是非常必要的。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种开关磁阻电机短路故障容错控制方法，可以在开关磁阻电机的功率变换器件短路故障时进行容错控制，保证开关磁阻电机系统性能较正常运行时基本不变。
具体技术方案如下：
在本发明实施的第一方面，首先提供了一种开关磁阻电机短路故障容错控制方法，所述方法通过三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统实现，所述三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统包括一个三相开关磁阻电机、一个直流电源、两个断路器、一个四桥臂逆变器；其中，所述三相开关磁阻电机绕组包括A、B、C三相，并采用星形连接方式，且其中性点连接所述四桥臂逆变器的第四桥臂；三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统正常工作时为两相励磁的方式，可分为六种通电模：A+C-、A+B-、B-C+、C+A-、A-B+、B+C-，在开关管发生短路故障时切断故障部分，改变为公共开关模式完成容错控制。
可选地，所述三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统的连接方式为：正极输入端和负极输入端，所述正极输入端和所述负极输入端用于连接所述直流电源；所述四桥臂逆变器包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂，所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂以及所述第四桥臂均并联在所述正极输入端和所述负极输入端之间，所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂以及所述第四桥臂均包含两个开关三极管；所述三相开关磁阻电机的绕组采用星形连接方式，所述第一桥臂的中点、所述第二桥臂的中点、所述第三桥臂的中点和所述第四桥臂的中点分别与所述三相四线接口的每一线路接口对应连接，且所述三相开关磁阻电机中性点连接第四桥臂；一个断路器与所述正极输入端相连并与所述第一桥臂、所述第二桥臂以及所述第三桥臂的开关三极管相连，另一个断路器与所述负极输入端相连并与所述第一桥臂、所述第二桥臂以及所述第三桥臂的开关三极管相连。
可选地，令所述三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统中，与所述正极输入端相连的断路器为K1，与所述负极输入端相连的断路器为K2，与所述K1相连的所述第一桥臂、所述第二桥臂以及所述第三桥臂的开关三极管分别为S1、S3、S5，与所述K2相连的所述第一桥臂、所述第二桥臂以及所述第三桥臂的开关三极管分别为S2、S4、S6，与所述正极输入端相连的所述第四桥臂的开关三极管为S7，与所述负极输入端相连的所述第四桥臂的开关三极管为S8；
所述方法的具体步骤为：
若所述S1、S3、S5中，任何器件发生短路时，断开K1，使所述S1、S3、S5停止工作；
调节所述S1、S3、S5的工作S2、S4、S6信号的开关角使其适用于公共开关模式，将所述S1、S3、S5的工作信号传送给所述S7，所述保持在原有的导通角内开通并停止斩波工作；系统切换为由所述S7进行斩波工作的公共开关模式进行容错控制，保证故障前后输出转矩不变；
或者，
若所述S2、S4、S6中，任何器件发生短路时，断开K2，使所述S2、S4、S6停止工作；
调节所述的S2、S4、S6工作信号的开关角使其适用于公共开关模式，将所述S2、S4、S6的工作信号传送给所述S8，所述S1、S3、S5保持在原有的导通角内开通并停止斩波工作；系统切换为由所述S8进行斩波工作的公共开关模式进行容错控制，保证故障前后输出转矩不变。
本发明实施例提供的一种开关磁阻电机短路故障容错控制方法，能够针对开关管短路故障进行容错控制，电路拓扑结构简单、接线方便、绕组利用率高，能够克服现有容错控制方法的不足，提高控制系统的可靠性。实现了在开关磁阻电机的功率变换器件短路故障时进行容错控制，保证开关磁阻电机系统性能较正常运行时基本不变。
附图说明
图1为本发明实施例提供的三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统的连接图；
图2为本发明实施例提供的两相励磁的开关磁阻电机系统正常工作时A+C-通电模式下的电流流向图；
图3为本发明实施例提供的S6发生短路故障后容错控制时A相励磁电流流向图；
图4为本发明实施例提供的S6发生短路故障后容错控制时A相续流电流流向图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员基于本发明所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种开关磁阻电机短路故障容错控制方法，该方法通过三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统实现，三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统包括一个三相开关磁阻电机、一个直流电源、两个断路器、一个四桥臂逆变器。
其中，三相开关磁阻电机绕组包括A、B、C三相，并采用星形连接方式，且其中性点连接四桥臂逆变器的第四桥臂；三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统正常工作时为两相励磁的方式，可分为六种通电模式：A+C-、A+B-、B-C+、C+A-、A-B+、B+C-，在开关管发生短路故障时切断故障部分，改变为公共开关模式完成容错控制。
基于本发明实施例提供的开关磁阻电机短路故障容错控制方法，能够针对开关管短路故障进行容错控制，电路拓扑结构简单、接线方便、绕组利用率高，能够克服现有容错控制方法的不足，提高控制系统的可靠性。实现了在开关磁阻电机的功率变换器件短路故障时进行容错控制，保证开关磁阻电机系统性能较正常运行时基本不变。
一种实现方式中，在任何时候开关磁阻电机都有两相绕组同时励磁，且电流相反，励磁电流可分为六种通电模式：A+C-、A+B-、B-C+、C+A-、A-B+、B+C-，可归结为励磁、续流(a)、续流(b)三种运动模式。
在一个实施例中，三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统的连接方式为：正极输入端和负极输入端，正极输入端和负极输入端用于连接直流电源；四桥臂逆变器包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂均并联在正极输入端和负极输入端之间，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂均包含两个开关三极管；三相开关磁阻电机的绕组采用星形连接方式，第一桥臂的中点、第二桥臂的中点、第三桥臂的中点和第四桥臂的中点分别与三相四线接口的每一线路接口对应连接，且三相开关磁阻电机中性点连接第四桥臂；一个断路器与正极输入端相连并与第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂的开关三极管相连，另一个断路器与负极输入端相连并与第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂的开关三极管相连。
参见图1，图1为本发明实施例提供的三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统的连接图。
如图1所示，三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统中，直流电源Udc的正极与正极输入端相连，直流电源Udc的负极与负极输入端相连；正极输入端与第四桥臂的开关三极管S7相连，并与断路器K1相连；负极输入端与第四桥臂的开关三极管S8相连，并与断路器K2相连；K1分别与第一桥臂的开关三极管S1、第二桥臂的开关三极管S3以及第三桥臂的开关三极管S5相连；K2分别与第一桥臂的开关三极管S2、第二桥臂的开关三极管S4以及第三桥臂的开关三极管S6相连；S1与二极管D1并联、S2与二极管D2并联、S3与二极管D3并联、S4与二极管D4并联、S5与二极管D5并联、S6与二极管D6并联、S7与二极管D7并联、S8与二极管D8并联；三相开关磁阻电机的A相与第一桥臂的中点a相连，三相开关磁阻电机的B相与第二桥臂的中点b相连，三相开关磁阻电机的C相与第三桥臂的中点c相连，三相开关磁阻电机的中性点与第四桥臂的中点d相连。
参见图2，图2为本发明实施例提供的两相励磁的开关磁阻电机系统正常工作时A+C-通电模式下的电流流向图。电机工作在A+C-通电模式，当开关三极管S1和S6同时导通时，电流从直流母线电压Udc正极出发，流经功率开关三极管S1、A相绕组、C相绕组以及功率开关三极管S6，最终回到直流母线电压Udc负极，A、C两相同时工作。开关磁阻电机的线性转矩表达式如式(1)：
其中，ia、ib、ic分别为流经A相、B相、C相的电流，La、Lb、Lc分别为A相、B相、C相的电感强度。
在一个实施例中，该方法的具体步骤为：
若S1、S3、S5中，任何器件发生短路时，断开K1，使S1、S3、S5停止工作。
调节S1、S3、S5的工作信号的开关角使其适用于公共开关模式，将S1、S3、S5的工作信号传送给S7，S2、S4、S6保持在原有的导通角内开通并停止斩波工作。系统切换为由S7进行斩波工作的公共开关模式进行容错控制，保证故障前后输出转矩不变。
或者，
若S2、S4、S6中，任何器件发生短路时，断开K2，使S2、S4、S6停止工作；
调节S2、S4、S6工作信号的开关角使其适用于公共开关模式，将S2、S4、S6的工作信号传送给S8，S1、S3、S5保持在原有的导通角内开通并停止斩波工作。系统切换为由S8进行斩波工作的公共开关模式进行容错控制，保证故障前后输出转矩不变。
一种实现方式中，当驱动电路任一桥臂的开关三极管发生短路故障时，本发明以S6发生短路故障为例。
参见图3，图3为本发明实施例通过的当S6发生短路故障后容错控制时的电流流向图。
参见图4，图4为本发明实施例提供的S6发生短路故障后容错控制时A相续流电流流向图。
短路故障会导致较大的转矩波动和电机转速波动，易造成系统紊乱运行。由式(1)可知，开关磁阻电机地输出转矩在转速变化不大的前提下只与电流的平方有关，容错控制具体步骤如下：
调节S1、S3、S5的工作信号的开关角，将S1、S3、S5的工作信号传送给S7，S2、S4、S6保持在原有的导通角内开通并停止斩波工作。系统切换为由S7进行斩波工作的公共开关模式进行容错控制。公共开关模式下的通电模式可分为A相、B相、C相三种。这里以A相通电模式为例说明励磁模式和续流模式，导通S1、S8，电流从直流母线电压Udc正极出发，流经S1、A相绕组以及S8，最终回到直流母线电压Udc负极形成励磁回路，如图3所示。续流电流从A相绕组出发经过及续流二极管D7、S1回到A相绕组形成续流回路，如图4所示，该工作模式下A、B、C三相的斩波工作都由S8完成。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机短路故障容错控制方法，其特征在于，所述方法通过三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统实现，所述三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统包括一个三相开关磁阻电机、一个直流电源、两个断路器、一个四桥臂逆变器；其中，三相开关磁阻电机绕组包括A、B、C三相，并采用星形连接方式，且其中性点连接所述四桥臂逆变器的第四桥臂；三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统正常工作时为两相励磁的方式，可分为六种通电模式：A + C - 、A + B - 、B - C + 、C + A - 、A - B + 、B + C - ，在开关管发生短路故障时切断故障部分，改变为公共开关模式完成容错控制；
所述三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统的连接方式为：正极输入端和负极输入端，所述正极输入端和所述负极输入端用于连接所述直流电源；所述四桥臂逆变器包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及所述第四桥臂，所述第四桥臂直接并联在所述正极输入端和所述负极输入端之间，所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂通过两个断路器并联在所述正极输入端和所述负极输入端之间，所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂以及所述第四桥臂均包含两个开关三极管；所述三相开关磁阻电机的绕组采用星形连接方式，所述第一桥臂的中点、所述第二桥臂的中点、所述第三桥臂的中点和所述第四桥臂的中点分别与三相四线接口的每一线路接口对应连接，且所述三相开关磁阻电机中性点连接所述第四桥臂；其中一个断路器的一端连接所述正极输入端，另一端连接所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂的正输入端；另一个断路器的一端连接所述负极输入端，另一端连接所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂的负输入端；
令所述三相四桥臂开关磁阻电机容错控制系统中，与所述正极输入端相连的断路器为K 1，与所述负极输入端相连的断路器为K 2，与所述K 1相连的所述第一桥臂、所述第二桥臂以及所述第三桥臂的开关三极管分别为S 1、S 3、S 5，与所述K 2相连的所述第一桥臂、所述第二桥臂以及所述第三桥臂的开关三极管分别为S 2、S 4、S 6，与所述正极输入端相连的所述第四桥臂的开关三极管为S 7，与所述负极输入端相连的所述第四桥臂的开关三极管为S 8；
所述容错控制方法的具体步骤为：
若所述S 1、S 3、S 5中，任何器件发生短路时，断开K 1，使所述S 1、S 3、S 5停止工作；
调节所述S 1、S 3、S 5的工作信号的开关角使其适用于公共开关模式，将所述S 1、S 3、S 5的工作信号传送给所述S 7，所述S 2、S 4、S 6保持在原有的导通角内开通并停止斩波工作；系统切换为由所述S 7进行斩波工作的公共开关模式进行容错控制，保证故障前后输出转矩不变；
或者，
若所述S 2、S 4、S 6中，任何器件发生短路时，断开K 2，使所述S 2、S 4、S 6停止工作；
调节所述的S 2、S 4、S 6工作信号的开关角使其适用于公共开关模式，将所述S 2、S 4、S 6的工作信号传送给所述S 8，所述S 1、S 3、S 5保持在原有的导通角内开通并停止斩波工作；系统切换为由所述S 8进行斩波工作的公共开关模式进行容错控制，保证故障前后输出转矩不变。
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