CN114785236A - 一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法，采用电流双向励磁模式，将两个全桥功率变换器分别与两组可控单刀双掷开关的一端相连，通过改变两组可控单刀双掷开关的状态实现系统容错运行。全桥功率变换器拓扑结构中的每个功率变换单元分别与一个可控单刀双掷开关连接后，再与绕组一端相连。正常运行情况下，各相绕组在正向励磁和反向励磁模式下交替独立运行；在任一功率变换单元的功率开关管故障情况下，相应的可控单刀双掷开关动作，切除故障功率变换单元，相应相绕组连接方式变成带中性线的连接方式。本发明容错控制方法可以适用于不同相数电机，能够保证系统在多相多开关管故障情况下仍然稳定运行。

Description

一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法

技术领域

本发明涉及电机设计领域，具体涉及一种开关磁阻电机功率变换器容错控制方法，尤其涉及一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法。

背景技术

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)作为一种新型电机，具有可靠性高、制造成本低、响应速度快、结构简单等优点。其是一种双凸极结构电机，转子上既无永磁体也无绕组，定子上仅有集中式绕组，不含有任何稀土材料，在各种工业领域占据着一席之地，尤其在超过500℃的航空航天、高粉尘等较为恶劣的环境以及电动汽车、高速主轴和飞轮储能系统等可靠性要求较高的场合具有巨大的应用潜力。电机转动方向仅与各相绕组通电顺序有关，而和绕组电流的方向无关，这使得双极性控制方式得以应用。

开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Motor Drive System,SRD)主要由SRM、功率变换器、检测单元和控制器等部分组成。其中，功率变换器负责对电源提供的能量进行转换后提供给SRM，目前应用最广泛的功率变换器是不对称半桥式功率变换器，其具有结构简单、相间独立性好、成本低等优点。然而，由于功率变换器中的半导体器件在低速运行时，长时间工作在斩波状态，容易出现开路或短路故障，降低系统鲁棒性，影响系统正常运行。但是不对称半桥式功率变换器不具备良好的容错运行能力，故障发生后整个系统难以正常运转。因此，为了进一步提高SRD可靠性，保障电力拖动系统在故障状态下不至于瘫痪，最大程度降低故障引起的人员和设备损伤，非常有必要提出一种可快速针对故障实现容错控制的方案。

申请公布号为CN108988729 A的中国发明专利将继电器设在全桥功率变换器与母线之间，通过继电器动作切除故障部分。功率开关管没有出现故障时，该方案对绕组进行双向电流励磁；当出现功率开关管开路故障时，继电器动作将故障开关管切除，故障相工作方式变成单向电流励磁模式，非故障相工作方式依然为双向电流励磁模式；当出现功率开关管短路故障时，故障开关管不被切除，故障容错运行模式通过继电器动作将三相绕组变成无中性线的星型连接方式实现，三相绕组在整个导通周期内变成两两串联导通工作方式。该方案接线方式简单，但是需要根据不同的故障位置和故障类型实施不同的故障容错方案，因此必须在精确识别故障类型和位置的基础上，才能实施容错控制策略。而且对于开关管短路故障，其容错控制方案较为复杂。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法。

本发明采用的技术方案是：

一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法，采用电流双向励磁模式，包括两个全桥功率变换器，开关磁阻电机具有m相绕组，每个全桥功率变换器具有m个功率变换单元，每个功率变换单元的中点均通过一个可控单刀双掷开关和一个绕组的一端连接，每个绕组的两端连接两个可控单刀双掷开关，这两个可控单刀双掷开关连接两个不同的全桥功率变换器；通过改变单刀双掷开关的状态实现容错控制。

正常运行情况下，各相绕组在正向励磁和反向励磁模式下交替独立运行；在任一功率变换单元的功率开关管故障情况下，不需要精确识别故障的类型及位置，仅定位发生故障的功率变换单元，相应的可控单刀双掷开关动作；对于偶数相电机，仅使与故障功率变换单元相连的可控单刀双掷开关动作，只切除故障功率变换单元，使故障相绕组和与其相邻的一相绕组的故障侧相连；对于奇数相电机，需使与故障功率变换单元相连的可控单刀双掷开关和与其相邻的一个可控单刀双掷开关动作，切除故障功率变换单元及其相邻一个的功率变换单元，使得故障相绕组和与其相邻的两相绕组共同连接成一个带中性线的星形连接方式。

检测开关磁阻电机定子绕组两端的端电压，若忽略功率变换单元中的开关管和二极管的管压降且以电源负端电压为参考电压，则一相绕组的两个端电压U_Nk和U_Nk+1存在两个值，分别为母线电压U_S和参考电压0，k＝1、2、…、2m-1；当检测到某一端电压与正常情况下不同时，则判定与该端相连的功率变换单元出现故障；此时，通过相应可控单刀双掷开关动作使电机在故障下容错运行；

在全桥功率变换器无故障情况下，所述开关磁阻电机各相绕组在两相邻电周期内独立地在正向励磁模式和反向励磁模式下交替运行，此时，所述开关磁阻电机各相绕组有6种工作状态，分别为正向励磁状态ST₁、正向续流状态ST₂、正向去磁状态ST₃、反向励磁状态ST₄、反向续流状态ST₅和反向去磁状态ST₆；正常情况时，端电压U_Nk在正向励磁状态ST₁和反向去磁状态ST₆下等于母线电压Us，在正向续流状态ST₂、正向去磁状态ST₃、反向励磁状态ST₄和反向续流状态ST₅下等于0；端电压U_Nk+1在正向去磁状态ST₃、反向励磁状态ST₄下等于Us，在其余状态下等于0。

根据本申请的实施例，所述开关磁阻电机为三相电机，包括A相绕组、B相绕组和C相绕组。所述全桥功率变换器为三相全桥功率变换器，包括一个直流母线电容c、六个功率变换单元Part 1～Part 6。其中六个功率变换单元中每个模块由2个带反并联二极管的开关管组成，共有12个带反并联二极管的开关管S₁～S₁₂。具体地，功率变换单元Part 1由开关管S₁和开关管S₂串联组成，功率变换单元Part 2由开关管S₃和开关管S₄串联组成，功率变换单元Part 3 由开关管S₅和开关管S₆串联组成，功率变换单元Part 4由开关管S₇和开关管S₈串联组成，功率变换单元Part 5由开关管S₉和开关管S₁₀串联组成，功率变换单元Part 6由开关管S₁₁和开关管S₁₂串联组成。

根据本申请的实施例，所述开关管S₁～S₁₂采用IGBT。

所述功率变换单元Part 1～Part 6中的上开关管集电极连接到所述直流母线电容c的正极，下开关管发射极连接到所述直流母线电容c的负极，中间端分别和可控单刀双掷开关Q₁～Q₆相连；

所述可控单刀双掷开关Q₁的常闭端连接到功率变换单元Part 1的中间端，所述可控单刀双掷开关Q₁的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₂的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₁的公共端连接到A相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q₂的常闭端连接到功率变换单元 Part 2的中间端，所述可控单刀双掷开关Q₂的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₃的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₂的公共端连接到B相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q₃的常闭端连接到功率变换单元Part 3的中间端，所述可控单刀双掷开关Q₃的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₁的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₃的公共端连接到C相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q₄的常闭端连接到功率变换单元Part 4的中间端，所述可控单刀双掷开关Q₄的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₅的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₄的公共端连接到A相绕组的另一端；所述可控单刀双掷开关Q₅的常闭端连接到功率变换单元Part 5的中间端，所述可控单刀双掷开关Q₅的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₆的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₅的公共端连接到B相绕组的另一端；所述可控单刀双掷开关Q₆的常闭端连接到功率变换单元Part 6的中间端，所述可控单刀双掷开关Q₆的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₄的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₆的公共端连接到C相绕组的另一端。

当所述开关磁阻电机系统在故障下容错运行时，所述三相全桥功率变换器的功率变换单元将会由六个减少为四个。开关磁阻电机的三相定子绕组的一端分别经过开关后与三个功率变换单元的中间端连接，另一端则分别经过开关后连接到一起，然后连接到剩余一个功率变换单元的中间端，定子绕组连接方式变为带中性线的星型连接方式。此时，系统工作区间依次为：C相正向导通区间、CA相正向换相区间、A相反向导通区间、AB相反向换相区间、 B相正向导通区间、BC相正向换相区间、C相反向导通区间、CA相反向换相区间、A相正向导通区间、AB相正向换相区间、B相反向导通区间、BC相反向换相区间、C相正向导通区间。电机各相绕组均有12种工作模式，分别为单相绕组正向励磁模式M₁，单相绕组正向续流模式M₂，两相绕组正向串联励磁模式M₃，两相绕组正向串联续流模式M₄，一相绕组正向去磁、一相绕组反向励磁模式M₅，一相绕组正向去磁、一相绕组反向续流模式M₆，单相绕组反向励磁模式M₇，单相绕组反向续流模式M₈，两相绕组反向串联励磁模式M₉，两相绕组反向串联续流模式M₁₀，一相绕组反向去磁、一相绕组正向励磁模式M₁₁，一相绕组反向去磁、一相绕组正向续流模式M₁₂。

可控单刀双掷开关Q_n为电磁继电器、固态继电器、高频继电器等中的至少一种，或者可控单刀双掷开关Q_n为两个功率开关器件IGBT或MOSFET通过一极并联，并通以相反的驱动信号实现单刀双掷开关功能。

根据本申请的实施例，所述开关管S_e通以斩波驱动信号；所述开关管S_e+1通以单脉冲驱动信号；e＝1,3,5,7,9,11，代表开关管的数量。

具体的，正向励磁模式下，所述开关管S₁、所述开关管S₃、所述开关管S₅通以斩波驱动信号，所述开关管S₈、所述开关管S₁₀、所述开关管S₁₂通以单脉冲驱动信号；反向励磁模式下，所述开关管S₇、所述开关管S₉、所述开关管S₁₁通以斩波驱动信号，所述开关管S₂、所述开关管S₄、所述开关管S₆通以单脉冲驱动信号。

m为不小于2的整数。

本发明用于保护一种基于全桥功率变换器的开关磁阻电机调速系统，该系统包括开关磁阻电机、电压传感器、位置传感器、控制器、PI模块、控制模式选择模块、开关管角度控制器、脉冲信号发生器和两个全桥功率变换器：开关磁阻电机具有m相绕组，每个全桥功率变换器具有m个功率变换单元，其特征在于，每个功率变换单元的中点均通过一个可控单刀双掷开关和一个绕组的一端连接，每个绕组的两端连接两个可控单刀双掷开关，这两个可控单刀双掷开关连接两个不同的全桥功率变换器；

所述电压传感器用于检测开关磁阻电机定子绕组端电压；

所述位置传感器用于检测开关磁阻电机转子位置；

所述控制器用于控制全桥功率变换器和可控单刀双掷开关，实现对开关磁阻调速系统的故障诊断和容错控制；

PI模块为比例积分控制器，根据设定的比例和积分参数生成相应的参考量，PI模块的输出为设定的参考转速n_ref与速度计算模块获得的实际转速n的差值；

控制模式选择模块根据电机所处转速区间选择相应的控制策略；控制模式选择模块选择滞环控制器实现电流斩波控制，通过PWM控制器实现电压PWM控制(VPC)，通过角度位置控制器实现角度位置控制(APC)；

开关管角度控制器根据设定的开通角θ_on和关断角θ_off判断电机是否在导通区间内；

脉冲信号发生器根据滞环控制器、PWM控制器、角度位置控制器、开关管角度控制器发出的信号，产生功率变换器驱动信号，控制全桥功率变换器的功率开关管的开通关断状态；

全桥功率变换器负责对电源提供的能量进行转换后提供给SRM。

根据本申请的实施例，开关磁阻电机容错运行方式下，不再设定固定的通以斩波驱动信号或单脉冲驱动信号的开关管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法，无故障情况下，电机绕组在两相邻电周期内在正向励磁模式和反向励磁模式下交替运行，各相绕组相互独立。容错运行方式下，故障功率变换单元及其相邻功率变换单元会被可控单刀双掷开关切除，电机绕组连接方式变成带中性线的连接方式。无论在正常情况还是故障情况下，整个系统均可以高效可靠的工作，有效避免故障造成的严重事故。

本发明容错控制方法具有良好的可扩展性，针对不同相数电机，不需要改变可控单刀双掷开关Q_n的连接方式，只需根据电机相数增加或减少可控单刀双掷开关Q_n的数量。具体地，对于m相电机，需要2m个可控单刀双掷开关Q₁～Q_2m。另外，目前已广泛应用的单刀双掷继电器、功率管等可控器件均可用作本发明所述可控单刀双掷开关Q_n。

附图说明

通过参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本申请的特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本申请实施例三相SRD结构示意图。

图2三相SRM传统不对称半桥式功率变换器结构示意图。

图3为三相全桥功率变换器和开关连接方式示意图。

图4(a)为本申请实施例三相SRM的C相绕组正向励磁状态ST₁示意图。

图4(b)为本申请实施例三相SRM的C相绕组正向续流状态ST₂示意图。

图4(c)为本申请实施例三相SRM的C相绕组正向去磁状态ST₃示意图。

图4(d)为本申请实施例三相SRM的C相绕组反向励磁状态ST₄示意图。

图4(e)为本申请实施例三相SRM的C相绕组反向续流状态ST₅示意图。

图4(f)为本申请实施例三相SRM的C相绕组反向去磁状态ST₆示意图。

图5为本申请实施例三相SRM正常运行情况下的相电流、C相开关管驱动信号和总转矩仿真波形图。

图6为本申请实施例三相SRM的C相开关管短路故障下的相电流、C相开关管驱动信号和总转矩仿真波形图。

图7为本申请实施例三相SRM的C相开关管开路故障下的相电流、C相开关管驱动信号和总转矩仿真波形图。

图8为功率变换单元Part 5或Part 6故障后容错运行的功率变换器结构示意图。

图9为本申请实施例三相SRM容错运行后的功率变换器结构示意图。

图10(a)为本申请实施例三相SRM容错运行后C相绕组正向励磁模式M₁示意图。

图10(b)为本申请实施例三相SRM容错运行后C相绕组正向续流模式M₂示意图。

图11(a)为本申请实施例三相SRM容错运行后CA相绕组正向串联励磁模式M₃示意图。

图11(b)为本申请实施例三相SRM容错运行后CA相绕组正向串联续流模式M₄示意图。

图11(c)为本申请实施例三相SRM容错运行后C相绕组正向去磁、A相绕组反向励磁模式M₅示意图。

图11(d)为本申请实施例三相SRM容错运行后C相绕组正向去磁、A相绕组反向续流模式M₆示意图。

图12(a)为本申请实施例三相SRM容错运行后C相绕组反向励磁模式M₇示意图。

图12(b)为本申请实施例三相SRM容错运行后C相绕组反向续流模式M₈示意图。

图13(a)为本申请实施例三相SRM容错运行后CA相绕组反向串联励磁模式M₉示意图。

图13(b)为本申请实施例三相SRM容错运行后CA相绕组反向串联续流模式M₁₀示意图。

图13(c)为本申请实施例三相SRM容错运行后C相绕组反向去磁、A相绕组正向励磁模式M₁₁示意图。

图13(d)为本申请实施例三相SRM容错运行后C相绕组反向去磁、A相绕组正向续流模式M₁₂示意图。

图14为本申请实施例三相SRM容错运行后的相电流、C相开关管驱动信号和总转矩仿真波形图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

图1为本申请实施例三相开关磁阻电机调速系统SRD结构示意图。其中，开关磁阻电机 SRM负责实现机电能量转换；电压传感器用于检测中点电压，为故障诊断提供必要的电压信息；编码器用于检测转子位置角度，为速度计算提供必要的位置信息；速度计算模块根据转子角度信息计算电机转速，用于后续的速度闭环控制；

PI模块为比例积分控制器，根据设定的比例和积分参数生成相应的参考量，PI模块的输出为设定的参考转速n_ref与速度计算模块获得的实际转速n的差值；

控制模式选择模块根据电机所处转速区间选择相应的控制方法；目前常用的控制方法包括电流斩波控制(CCC)、电压PWM控制(VPC)和角度位置控制(APC)三种，这三种控制方法分别通过滞环控制器、PWM控制器和角度位置控制器实现，即控制模式选择模块选择滞环控制器实现电流斩波控制，通过PWM控制器实现电压PWM控制(VPC)，通过角度位置控制器实现角度位置控制(APC)；

开关管角度控制器根据设定的开通角θ_on和关断角θ_off判断电机是否在导通区间内；

脉冲信号发生器根据以上四个控制器(滞环控制器、PWM控制器和角度位置控制器、开关管角度控制器)发出的信号，产生功率变换器驱动信号，控制功率开关管的开通关断状态；

全桥功率变换器负责对电源提供的能量进行转换后提供给SRM，在SRD中占据重要地位，其性能直接决定SRD的性能。

目前市场应用最广泛的功率变换器为不对称半桥式功率变换器，其拓扑结构如图2所示。不对称半桥式功率变换器具有结构简单、相间独立性好等优点，但是其不具备良好的容错运行能力，故障发生后整个系统难以正常运转。因此，本发明提出了一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法。

如图3所示，本发明所述全桥功率变换器和可控单刀双掷开关连接方式示意图，全桥功率变换器为三相全桥功率变换器，包括一个直流母线电容c、六个功率变换单元Part 1～Part 6。其中六个功率变换单元中每个单元由2个带反并联二极管的开关管组成，共有12个带反并联二极管的开关管S₁～S₁₂。具体地，功率变换单元Part 1由开关管S₁和开关管S₂串联组成，功率变换单元Part 2由开关管S₃和开关管S₄串联组成，功率变换单元Part 3由开关管S₅和开关管S₆串联组成，功率变换单元Part 4由开关管S₇和开关管S₈串联组成，功率变换单元Part 5 由开关管S₉和开关管S₁₀串联组成，功率变换单元Part 6由开关管S₁₁和开关管S₁₂串联组成。

所述功率变换单元Part 1～Part 6中的上开关管集电极连接到所述直流母线电容c的正极，下开关管发射极连接到所述直流母线电容c的负极，功率变换单元中间端分别和可控单刀双掷开关Q₁～Q₆相连。所述可控单刀双掷开关Q₁的常闭端连接到功率变换单元Part 1的中间端 N₁，所述可控单刀双掷开关Q₁的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₂的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₁的公共端连接到A相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q₂的常闭端连接到功率变换单元Part 2的中间端N₃，所述可控单刀双掷开关Q₂的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₃的公共端；所述可控单刀双掷开关Q₂的公共端连接到B相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q₃的常闭端连接到功率变换单元Part 3的中间端N₅，所述和可控单刀双掷开关Q₃的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₁的公共端；所述可控单刀双掷开关Q₃的公共端连接到C相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q₄的常闭端连接到功率变换单元Part 4 的中间端N₂，所述可控单刀双掷开关Q₄的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₅的公共端；所述可控单刀双掷开关Q₄的公共端连接到A相绕组的另一端；所述可控单刀双掷开关Q₅的常闭端连接到功率变换单元Part 5的中间端N₄，所述可控单刀双掷开关Q₅的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₆的公共端；所述可控单刀双掷开关Q₅的公共端连接到B相绕组的另一端；所述可控单刀双掷开关Q₆的常闭端连接到功率变换单元Part 6的中间端N₆，所述可控单刀双掷开关Q₆的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₄的公共端；所述可控单刀双掷开关Q₆的公共端连接到C相绕组的另一端。

在所述功率变换器无故障情况下，所述开关磁阻电机各相绕组在两相邻电周期内独立地在正向励磁模式和反向励磁模式下交替运行，根据本申请的实施例，正向励磁模式下，所述开关管S₁、所述开关管S₃、所述开关管S₅通以斩波驱动信号，所述开关管S₈、所述开关管 S₁₀、所述开关管S₁₂通以单脉冲驱动信号；反向励磁模式下，所述开关管S₇、所述开关管S₉、所述开关管S₁₁通以斩波驱动信号，所述开关管S₂、所述开关管S₄、所述开关管S₆通以单脉冲驱动信号。

所述全桥功率变换器无故障情况时，在电流斩波控制CCC或电压PWM控制、VPC控制策略下，开关磁阻电机各相绕组均有6种工作状态。以C相为例，当开关管S₅和S₁₂开通时， C相电流正方向快速增大，为正向励磁状态ST₁，如图4(a)所示。当开关管S₅关断、S₁₂开通时，C相电流正方向缓慢减小，为正向续流状态ST₂，如图4(b)所示。当开关管S₅和S₁₂关断时，为正向去磁状态ST₃，C相电流正方向快速减小，如图4(c)所示。当开关管S₁₁和S₆开通时，C相电流反方向快速增大，为反向励磁状态ST₄，如图4(d)所示。当开关管S₁₁关断、S₆开通时，C相电流反方向缓慢减小，为反向续流状态ST₅，如图4(e)所示。当开关管S₁₁和S₆关断时，C相电流反方向快速减小，为反向去磁状态ST₆，如图4(f)所示。在APC控制策略下，不存在正向续流状态ST₂和反向续流状态ST₅。图5为电流斩波控制CCC下，三相SRM 正常运行情况下的相电流、C相开关管驱动信号和总转矩仿真波形图，其中，i_A、i_B和i_C分别为A相、B相和C相电流；S₅、S₆、S₁₁和S₁₂分别为相应开关管的驱动信号；Te为总转矩，从图5中可以看出，各相电流周期性轮流导通，转矩波形波动较小。

全桥功率变换器的故障类型主要包括开关管短路故障和开关管开路故障。开关管短路故障会使相电流急剧增大，且无法减小为零，引起负转矩。如图6所示，开关管S₁₁在t＝0.3325s 发生短路故障后，C相电流幅值急剧增大，转矩脉动显著增加。开关管开路故障会使一相电流缺失，造成输出转矩不平衡。如图7所示，开关管S₁₁在t＝0.3325s发生开路故障后，C相电流在反向励磁模式下缺失，转矩脉动同样显著增大。这两种故障均会引起转矩脉动增大，严重影响电机正常运行。

所述电压传感器用于检测开关磁阻电机定子绕组两端的端电压，若忽略开关管和二极管的管压降且以电源负端电压为参考电压，则一相绕组的两个端电压U_Nk和U_Nk+1(k＝1～5)存在两个值，分别为母线电压U_S和参考电压0。正常情况时，端电压U_Nk在状态ST₁和ST₆下等于 Us，在状态ST₂～ST₅下等于0；端电压U_Nk+1在状态ST₃和ST₄下等于Us，在其余状态下等于0。当检测到某一端电压与正常情况下不同时，则可判定与该端相连的功率变换单元出现故障。此时，通过相应单刀双掷开关动作使电机在故障下容错运行。若仅一相的所述功率变换单元出现故障，则使与该相连接的可控单刀双掷开关及其相邻可控单刀双掷开关动作，切除故障相及相邻相的功率变换单元。以Part 6故障为例，具体为开关管S₁₁发生短路故障，当检测到 N₆点的电位在反向励磁模式下的励磁状态和续流状态均等于母线电压Us时，便说明功率变换单元Part 6出现故障，此时需要将可控单刀双掷开关Q₅和Q₆的触头由常闭端打到常开端，使电机进入容错运行模式。

图8为功率变换单元Part 5或Part 6故障后容错运行的功率变换器结构示意图，图9为功率变换单元Part 5或Part 6故障后容错运行的等效结构示意图，三相全桥功率变换器的功率变换单元将会由六个减少为四个。开关磁阻电机的三相定子绕组的一端分别经过单刀双掷开关后与三个功率变换单元的中间端连接，另一端则分别经过单刀双掷开关后连接到一起，然后连接到剩余一个功率变换单元的中间端，定子绕组连接方式变为带中性线的星型连接方式。此时，电机各相绕组均有12种工作模式，如图10～12所示。不像不对称半桥式功率变换器的相间互不干扰，该容错方式在换相期间存在两相串联导通的情况。以C相和A相为例，在C相正向导通区间，当转速过小时，开关管S₅和S₈导通，C相绕组进入正向励磁模式M₁，如图10(a)所示；当转速过大时，开关管S₅关断，仅开关管S₈导通，C相绕组进入正向续流模式M₂，如图10(b)所示。此区间内，在转速闭环控制下，模式M₁和M₂频繁切换。

当进入CA相正向换相区间时，开关管S₂和S₅导通，进入CA相绕组正向串联励磁模式M₃，C相和A相电流大小相等，方向相反，如图11(a)所示；当转速过大时，开关管S₂关断，仅开关管S₅导通，进入CA相绕组正向串联续流模式M₄，C相和A相电流大小相等，方向相反，如图11(b)所示。此区间内，受转速闭环控制，在模式M₃和M₄频繁切换。当进入C 相关断区且C相电流还未下降为零时，若转速过小，则开关管S₂和S₇导通，进入C相绕组正向去磁、A相绕组反向励磁模式M₅，如图11(c)所示；若转速过小，则开关管S₂关断，仅开关管S₇导通，进入C相绕组正向去磁、A相绕组反向续流模式M₆，如图11(d)所示。此区间内，则在模式M₅和M₆之间频繁切换。在C相电流下降到零后，便依次进入A相与B相工作区间。

当进入C相反向导通区间时，当转速过小时，开关管S₆和S₇导通，进入C相绕组反向励磁模式M₇，如图12(a)所示；当转速过大时，开关管S₆关断，仅开关管S₇导通，进入C相绕组反向续流模式M₈，如图12(b)所示。此区间内，同样转速闭环控制，在模式M₇和M₈之间来回切换。

当进入CA相反向换相区间时，开关管S₁和S₆导通，进入CA相绕组反向串联励磁模式M₉，C相和A相电流大小相等，方向相反，如图13(a)所示；当转速过大时，开关管S₁关断，仅开关管S₆导通，进入CA相绕组反向串联续流模式M₁₀，C相和A相电流大小相等，方向相反，如图13(b)所示。此区间内，系统在模式M₉和M₁₀频繁切换。当进入C相关断区且C 相电流还未下降为零时，若转速过小，则开关管S₁和S₈导通，进入C相绕组反向去磁、A 相绕组正向励磁模式M₁₁，如图13(c)所示；若转速过小，开关管S₁关断，仅开关管S₈导通，进入C相绕组反向去磁、A相绕组正向续流模式M₁₂，如图13(d)所示。此区间内，同样转速闭环控制，在模式M₁₁和M₁₂之间来回切换。

以电流流进中性点为正，电流流出中性点为负。在M₁和M₂模式下，仅C相导通，C相电流方向为正。在M₃～M₆模式下，C相和A相导通，C相电流方向为正，A相电流方向为负。在M₇和M₈模式下，仅C相导通，C相电流方向为负。在M₉～M₁₂模式下，C相电流方向为负，A相电流方向为正。A相和B相单独导通区间、AB相换相区间以及BC换相区间的工作模式与以上所述工作模式类似。

根据本申请的实施例，开关磁阻电机容错运行方式下，不再设定固定的通以斩波驱动信号或单脉冲驱动信号的开关管。图14为三相SRM容错运行后的相电流、C相开关管驱动信号和总转矩仿真波形图。从图中可以看出，电机在容错运行方式下，转矩脉动程度与正常情况下相差无几。

本发明公开一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法，实施例中的容错控制方案，将三相全桥功率变换器和六个可控单刀双掷开关相连，通过改变可控单刀双掷开关的状态实现系统容错运行。无故障情况下，电机各相绕组在两相邻电周期内在正向励磁模式和反向励磁模式下交替运行，各相绕组相互独立，相间独立性好。系统发生故障后，不需要精确识别故障的类型及位置，仅定位发生故障的功率变换单元，即可实施相应的容错控制策略。容错运行方式下，定位出发生故障的功率变换单元的位置后，故障功率变换单元及其相邻功率变换单元被可控单刀双掷开关切除，此时切除功率变换单元后的可控单刀双掷开关连接在未被切除的功率变换单元的中性点上，电机绕组连接方式变成带中性线的星型连接方式。此时，非换相期间各相绕组独立工作，换相期间相绕组串联导通工作，电机系统利用剩余无故障的功率开关管仍然可以稳定工作。本发明提出的开关磁阻电机功率变换器容错控制方法可以适用于不同相数电机，能够保证系统在多相多开关管故障情况下仍然稳定运行。

本发明所提容错控制方法不用改变电机本体结构，因此具有通用性，可充分保证电机系统在故障后仍然能够稳定工作。此外，本发明容错方法还具有良好的可扩展性，不需要改变连接方式，仅通过增加或减少可控单刀双掷开关Q_n的数量即可应用于其他相数的电机。

以上是以三相开关磁阻电机为例进行的说明，针对其他相数电机，不需要改变可控单刀双掷开关Q_n的连接方式，只需根据电机相数增加或减少可控单刀双掷开关Q_n的数量。具体地，对于两相电机，需要4个可控单刀双掷开关Q₁～Q₄，分别连接在功率变换单元Part 1～Part 4和A相、B相绕组中间，当检测到某一端电压与正常情况下不符合时，则可判定与该端相连的功率变换单元出现故障，仅通过与该端点连接的可控单刀双掷开关动作，切除故障功率变换单元，此时两相绕组的故障侧与中性线连接在一起；对于四相电机，需要8个可控单刀双掷开关Q₁～Q₈，分别连接在功率变换单元Part 1～Part 8和A相、B相、C相、D相绕组中间，当检测到某一功率变换单元出现故障时，同样仅使故障功率变换单元的可控单刀双掷开关动作，此时故障相和与其相邻的一相绕组的故障侧与中性线连接在一起，剩余两相绕组连接方式不改变，与无故障情况下的连接方式相同。对于五相电机，当确定故障功率变换单元后，需使与故障功率变换单元相连的可控单刀双掷开关和与其相邻的可控单刀双掷开关动作，切除故障功率变换单元和与其相邻的功率变换单元，使电机的三个相绕组共同连接成一个带中性线的星形连接方式，其中这三个相绕组分别为故障相绕组和与其相邻的两个相绕组，另外剩余的两个相绕组连接方式不改变。对于以上情况可归纳为：对于m相电机，所需可控单刀双掷开关数量可定义为2m。若m为偶数，则仅使与故障功率变换单元相连的可控单刀双掷开关动作，故障相和与其相邻的一相绕组的故障侧连接，该相邻的一相绕组的故障侧即为中性线所在位置，剩余绕组连接方式不改变；若m为奇数，则使与故障功率变换单元相连的可控单刀双掷开关和与其相邻一个的可控单刀双掷开关动作，故障相绕组和与其相邻的两相绕组共同连接成一个带中性线的星形连接方式，剩余绕组连接方式不改变，此时若故障相绕组只有一个相邻相绕组，则顺次找次相邻的相绕组，使得三者能够形成带中性线的星形连接方式，若故障相绕组有相邻的两相相绕组，则直接选择这相邻的两相相绕组遇故障相形成带中性线的星形连接方式。本方案所述可控单刀双掷开关Q_n可以为电磁继电器、固态继电器、高频继电器等具有开通关断能力的可控器件。另外，两个功率开关器件IGBT或MOSFET通过一极并联，并通以相反的驱动信号，同样可以用作本方案所述单刀双掷开关Q_n。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法，采用电流双向励磁模式，包括两个全桥功率变换器，开关磁阻电机具有m相绕组，每个全桥功率变换器具有m个功率变换单元，其特征在于，每个功率变换单元的中点均通过一个可控单刀双掷开关和一个绕组的一端连接，每个绕组的两端连接两个可控单刀双掷开关，这两个可控单刀双掷开关连接两个不同的全桥功率变换器；通过改变单刀双掷开关的状态实现容错控制。

2.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，正常运行情况下，各相绕组在正向励磁和反向励磁模式下交替独立运行；在任一功率变换单元的功率开关管故障情况下，不需要精确识别故障的类型及位置，仅定位发生故障的功率变换单元，相应的可控单刀双掷开关动作；对于偶数相电机，仅使与故障功率变换单元相连的可控单刀双掷开关动作，只切除故障功率变换单元，使故障相绕组和与其相邻的一相绕组的故障侧相连；对于奇数相电机，需使与故障功率变换单元相连的可控单刀双掷开关和与其相邻的一个可控单刀双掷开关动作，切除故障功率变换单元及其相邻一个的功率变换单元，使得故障相绕组和与其相邻的两相绕组共同连接成一个带中性线的星形连接方式。

3.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，检测开关磁阻电机定子绕组两端的端电压，若忽略功率变换单元中的开关管和二极管的管压降且以电源负端电压为参考电压，则一相绕组的两个端电压U_Nk和U_Nk+1存在两个值，分别为母线电压U_S和参考电压0，k＝1、2、…、2m-1；当检测到某一端电压与正常情况下不同时，则判定与该端相连的功率变换单元出现故障；此时，通过相应可控单刀双掷开关动作使电机在故障下容错运行；

在全桥功率变换器无故障情况下，所述开关磁阻电机各相绕组在两相邻电周期内独立地在正向励磁模式和反向励磁模式下交替运行，此时，所述开关磁阻电机各相绕组有6种工作状态，分别为正向励磁状态ST₁、正向续流状态ST₂、正向去磁状态ST₃、反向励磁状态ST₄、反向续流状态ST₅和反向去磁状态ST₆；正常情况时，端电压U_Nk在正向励磁状态ST₁和反向去磁状态ST₆下等于母线电压Us，在正向续流状态ST₂、正向去磁状态ST₃、反向励磁状态ST₄和反向续流状态ST₅下等于0；端电压U_Nk+1在正向去磁状态ST₃、反向励磁状态ST₄下等于Us，在其余状态下等于0。

4.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，所述开关磁阻电机为三相电机，则所述全桥功率变换器为三相全桥功率变换器，包括一个直流母线电容c、六个功率变换单元Part 1～Part 6；所述六个功率变换单元中每个单元由2个带反并联二极管的功率开关管组成，共有12个带反并联二极管的功率开关管S₁～S₁₂；

所述功率变换单元Part 1～Part 6中的上开关管集电极连接到所述直流母线电容c的正极，下开关管发射极连接到所述直流母线电容c的负极，中间端分别和可控单刀双掷开关Q₁～Q₆相连；

所述可控单刀双掷开关Q₁的常闭端连接到功率变换单元Part 1的中间端，所述可控单刀双掷开关Q₁的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₂的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₁的公共端连接到A相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q₂的常闭端连接到功率变换单元Part 2的中间端，所述可控单刀双掷开关Q₂的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₃的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₂的公共端连接到B相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q₃的常闭端连接到功率变换单元Part 3的中间端，所述可控单刀双掷开关Q₃的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₁的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₃的公共端连接到C相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q₄的常闭端连接到功率变换单元Part 4的中间端，所述可控单刀双掷开关Q₄的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₅的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₄的公共端连接到A相绕组的另一端；所述可控单刀双掷开关Q₅的常闭端连接到功率变换单元Part 5的中间端，所述可控单刀双掷开关Q₅的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₆的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₅的公共端连接到B相绕组的另一端；所述可控单刀双掷开关Q₆的常闭端连接到功率变换单元Part 6的中间端，所述可控单刀双掷开关Q₆的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q₄的公共端，所述可控单刀双掷开关Q₆的公共端连接到C相绕组的另一端。

5.根据权利要求4所述的容错控制方法，其特征在于，当开关磁阻电机在故障下容错运行时，所述三相全桥功率变换器的功率变换单元将会由六个减少为四个，开关磁阻电机的三相定子绕组的一端分别经过单刀双掷开关后与三个功率变换单元的中间端连接，另一端则分别经过单刀双掷开关后连接到一起，然后连接到剩余一个功率变换单元的中间端，定子绕组连接方式变为带中性线的星型连接方式；此时，电机各相分别在正向和反向励磁模式下交替工作，且在两相换相期间存在串联导通的工作模式；各相绕组均有12种工作模式，分别为：单相绕组正向励磁模式M₁，单相绕组正向续流模式M₂，两相绕组正向串联励磁模式M₃，两相绕组正向串联续流模式M₄，一相绕组正向去磁、一相绕组反向励磁模式M₅，一相绕组正向去磁、一相绕组反向续流模式M₆，单相绕组反向励磁模式M₇，单相绕组反向续流模式M₈，两相绕组反向串联励磁模式M₉，两相绕组反向串联续流模式M₁₀，一相绕组反向去磁、一相绕组正向励磁模式M₁₁，一相绕组反向去磁、一相绕组正向续流模式M₁₂。

6.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，可控单刀双掷开关Q_n为电磁继电器、固态继电器、高频继电器中的至少一种，或者可控单刀双掷开关Q_n为两个功率开关器件IGBT或MOSFET通过一极并联，并通以相反的驱动信号实现单刀双掷开关功能。

7.根据权利要求1-6任一所述的容错控制方法，其特征在于，m为不小于2的整数。

8.一种基于全桥功率变换器的开关磁阻电机调速系统，该系统包括开关磁阻电机、电压传感器、位置传感器、控制器、PI模块、控制模式选择模块、开关管角度控制器、脉冲信号发生器和两个全桥功率变换器：开关磁阻电机具有m相绕组，每个全桥功率变换器具有m个功率变换单元，其特征在于，每个功率变换单元的中点均通过一个可控单刀双掷开关和一个绕组的一端连接，每个绕组的两端连接两个可控单刀双掷开关，这两个可控单刀双掷开关连接两个不同的全桥功率变换器；

所述电压传感器用于检测开关磁阻电机定子绕组端电压；

所述位置传感器用于检测开关磁阻电机转子位置；

所述控制器用于控制全桥功率变换器和可控单刀双掷开关，实现对开关磁阻调速系统的故障诊断和容错控制；

PI模块为比例积分控制器，根据设定的比例和积分参数生成相应的参考量，PI模块的输出为设定的参考转速n_ref与速度计算模块获得的实际转速n的差值；

控制模式选择模块根据电机所处转速区间选择相应的控制策略；控制模式选择模块选择滞环控制器实现电流斩波控制，通过PWM控制器实现电压PWM控制(VPC)，通过角度位置控制器实现角度位置控制(APC)；

开关管角度控制器根据设定的开通角θ_on和关断角θ_off判断电机是否在导通区间内；

脉冲信号发生器根据滞环控制器、PWM控制器、角度位置控制器、开关管角度控制器发出的信号，产生功率变换器驱动信号，控制全桥功率变换器的功率开关管的开通关断状态；

全桥功率变换器负责对电源提供的能量进行转换后提供给SRM。

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