CN115459472A - 一种无轴承开关磁阻电机绕组开路故障补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无轴承开关磁阻电机绕组开路故障补偿控制方法。所述补偿控制方法为无轴承开关磁阻电机某齿极绕组发生开路故障时，对悬浮力进行补偿，断开与故障齿极绕组相对位置的齿极绕组，形成开路对称；在相邻两相中选定补偿相，所述补偿相具有更大的电感值；由补偿相通过悬浮力计算得到绕组开路故障补偿后的实际悬浮力，进而实现电机稳定悬浮。采用本发明提供的绕组开路补偿控制方法，简单、高效地解决了单齿极绕组开路故障。

Description

一种无轴承开关磁阻电机绕组开路故障补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种无轴承开关磁阻电机绕组开路故障补偿控制方法，属于电机容错控制技术领域。

背景技术

宽转子齿无轴承开关磁阻电机(Bearingless Switched Reluctance Motor withWider Rotor Teeth,BSRMWR)实现了转矩和悬浮力的自然解耦，简化了电机控制。具有结构简单坚固、耐高温、易于控制、工作可靠性高、成本低、便于维护、寿命长等优点，在诸多领域均得到了应用。

开关磁阻电机有较强的容错特性，其快速的发展正得益于此，BSRMWR虽继承了该优点，但其运行在高速、超高速下，工作环境恶劣，仍存在出现故障的可能性，而一出现故障即停止运行会造成较大损失，故要求BSRMWR拥有较好的容错性能，因此研究电机容错性能，提高电机可靠性就成为了学者们研究的主要方向之一。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种无轴承开关磁阻电机绕组开路故障补偿控制方法。所述补偿控制方法为无轴承开关磁阻电机某齿极绕组发生开路故障时，对悬浮力进行补偿，断开与故障齿极绕组相对位置的齿极绕组，形成开路对称，在相邻两相中选定补偿相，所述补偿相具有更大的电感值，由补偿相通过悬浮力计算得到绕组开路故障补偿后的实际悬浮力，进而实现电机稳定悬浮，解决了12/8极单绕组宽转子齿无轴承开关磁阻电机绕组开路故障的问题，保证了电机的悬浮稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种无轴承开关磁阻电机绕组开路故障补偿控制方法，所述电机包括定子、绕组、转子，所述定子齿数为12，为凸极结构，定子极弧机械角度为15°；所述转子齿数为8，为凸极结构，转子极弧机械角度为30°，转子仅由硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体；所述绕组共有12个，每个绕组缠绕在定子齿上，构成齿极绕组，且各个绕组相互断开，独立控制；所述电机为三相制电机，A相绕组由空间上相隔90°的齿极绕组A₁、齿极绕组A₂、齿极绕组A₃、齿极绕组A₄四个齿极绕组构成，B相绕组由空间上相隔90°的齿极绕组B₁、齿极绕组B₂、齿极绕组B₃、齿极绕组B₄四个齿极绕组构成，C相绕组由空间上相隔90°的齿极绕组C₁、齿极绕组C₂、齿极绕组C₃、齿极绕组C₄组成四个绕组构成，12个绕组最终形成空间上相差30°的三相绕组A、B、C；

所述绕组开路故障补偿控制方法，包括以下步骤：

步骤1：采集电机的转子位置角θ，判断电机的工作区间，设定电机定、转子齿极中心线对齐位置为0°角，进而得到电机实际转速n；

步骤2：在所述电机的径向平面xy上，分别获取x方向的实时位移s_x，y方向的实时位移s_y；与给定位移s_x*和s_y*做差，分别得到电机在x方向上给定悬浮力F_x*，y方向上给定值悬浮力F_y*；其中，x轴与水平方向重合，y轴与竖直方向重合，x轴与y轴在空间上相差90°；

步骤3：假定测得齿极绕组A₁的电流为零，确定齿极绕组A₁发生开路故障，则断开齿极绕组A₁相对位置的齿极绕组A₃；根据测得的转子位置角θ，当θ位于[-7.5°，0°]时，B相电感值更大，选择B相作为补偿相，其中齿极绕组B₁和齿极绕组B₃为补偿绕组；当θ位于[0°，7.5°]时，C相电感值更大，选择C相作为补偿相，其中齿极绕组C₁和齿极绕组C₃为补偿绕组；

步骤4：获取x方向实际悬浮力F_xA，当转子位置角θ位于[-7.5°，0°]时，x方向的实际悬浮力由B相的齿极绕组B₁和齿极绕组B₃提供，其表达式如下：

F_xA＝20Di_sBΔi_sB cos 30°

其中，D为电机的悬浮力系数，与电机的参数有关；

i_sB1为齿极绕组B₁中的电流，i_sB3为齿极绕组B₃中的电流，i_sB为i_sB1和i_sB3的平均电流，Δi_sB为i_sB1和i_sB3的差分电流；

当转子位置角θ位于[0°，7.5°]时，x方向的实际悬浮力由C相的齿极绕组C₁和齿极绕组C₃提供，其表达式如下：

F_xA＝20Di_sCΔi_sC cos 30°

其中：

i_sC1为齿极绕组C₁中的电流，i_sC3为齿极绕组C₃中的电流，i_sC为i_sC1和i_sC3的平均电流，Δi_sC为i_sC1和i_sC3的差分电流；

获取y方向实际悬浮力F_yA，y方向的实际悬浮力由A相的齿极绕组A₂和齿极绕组A₄提供，其表达式如下：

F_yA＝20Di_sAΔi_sA

其中，i_sA2为齿极绕组A₂中的电流，i_sA4为齿极绕组A₄中的电流，i_sA为i_sA2和i_sA4的平均电流，Δi_sA为i_sA2和i_sA4的差分电流；

步骤5：将步骤1中的电机实际转速n与给定转速n*做差，得出电机的转矩给定值T*；

步骤6：获取瞬时转矩值T，当转子位置角θ位于[-7.5°，0°]时，瞬时转矩由B、C两相同时提供为：

T＝-2μ₀hrN²J_n(θ)i_T ²+2μ₀hrN²J_p(θ)i_T ²

当转子位置角θ位于[0°，7.5°]时，瞬时转矩由C相提供为：

T＝2μ₀hrN²J_p(θ)i_T ²

其中，μ₀为真空磁导率；h为电机的轴向长度；r为转子半径；N为绕组匝数；Jp(θ)为正转矩系数只与电机的规格和转子位置有关，Jn(θ)为负转矩系数只与电机的规格和转子位置有关；i_T为齿极绕组B₁、齿极绕组B₃、齿极绕组C₁、齿极绕组C₂、齿极绕组C₃、齿极绕组C₄中流入的相同的转矩电流。

本发明的有益效果：本发明提出了一种无轴承开关磁阻电机绕组开路故障补偿控制方法，无需改变电机控制策略、推导新的数学模型、外加新的设备装置等，只需在原有运行的基础上按照补偿控制方法选用非故障齿极绕组对故障相进行补偿即可，简单高效，易于操作。

附图说明

图1是本发明提供的12/8极单绕组宽转子齿无轴承开关磁阻电机结构图

图2是本发明提供的电机三相电感曲线示意图

图3是本发明提供的电机A、B、C三相双相导通工作模式示意图

图4是本发明提供的不对称半桥功率变换器工作在(+1)状态的示意图

图5是本发明提供的不对称半桥功率变换器工作在(0)状态的示意图

图6是本发明提供的不对称半桥功率变换器工作在(-1)状态的示意图

图7是本发明提供的基于直接瞬时转矩控制和直接悬浮力控制(Directinstantaneous torque control&Direct force control，DITC&DFC)的绕组开路故障补偿控制框图

图8是图6是本发明提供的齿极绕组A₁开路时x方向悬浮力合力波形图

图9是本发明提供的绕组开路故障补偿后x方向悬浮力合力波形图

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实例，进一步阐述本发明。

如图1所示，为本发明提供的12/8极单绕组宽转子齿无轴承开关磁阻电机结构图，所述电机包括定子、绕组、转子，所述定子齿数为12，为凸极结构，定子极弧机械角度为15°；所述转子齿数为8，为凸极结构，转子极弧机械角度为30°，转子仅由硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体；所述绕组共有12个，每个绕组缠绕在定子齿上，构成齿极绕组，且各个绕组相互断开，独立控制；所述电机为三相制电机，A相绕组由空间上相隔90°的齿极绕组A₁、齿极绕组A₂、齿极绕组A₃、齿极绕组A₄四个齿极绕组构成，B相绕组由空间上相隔90°的齿极绕组B₁、齿极绕组B₂、齿极绕组B₃、齿极绕组B₄四个齿极绕组构成，C相绕组由空间上相隔90°的齿极绕组C₁、齿极绕组C₂、齿极绕组C₃、齿极绕组C₄组成四个绕组构成，12个绕组最终形成空间上相差30°的三相绕组A、B、C。

所述电机三相电感曲线如图2所示，定义电机定转子齿极中心线对齐位置为0°角，以A相为参考位置，根据A、B、C三相的电感曲线可知，电感上升时可提供转矩，电感不变时可提供悬浮力，故两相同时导通才能使单绕组BSRMWR正常运行。

所述电机A、B、C三相双相导通工作模式如图3所示，结合图1、2阐述工作原理；当转子位置角位于[-22.5°，-7.5°]时，A相绕组的电感呈线性上升，向图1所示的齿极绕组A₁、齿极绕组A₂、齿极绕组A₃、齿极绕组A₄中通入相同大小的电流即可产生正转矩，B相绕组的电感几乎不变，向齿极绕组B₁、齿极绕组B₂、齿极绕组B₃、齿极绕组B₄中通入不相等电流即可提供悬浮力；当转子位置角位于[-7.5°，7.5°]时，C相处于电感上升区，提供正转矩，A相处于电感平顶区，提供悬浮力；当转子位置角位于[7.5°，22.5°]时，B相处于电感上升区，提供正转矩，C相处于电感平顶区，提供悬浮力，电机在工作期间，两相互不干扰实现转矩和悬浮力的解耦。

所述不对称半桥功率变换器工作在(+1)状态的示意图如图4所示，此时两个开关管同时开通，母线电压施加在绕组两端，绕组电流迅速上升；所述不对称半桥功率变换器工作在(0)状态的示意图如图5所示，此时一个开关管开通而另一个开关管关断，绕组电流进行自然续流；所述不对称半桥功率变换器工作在(-1)状态的示意图如图6所示，此时两个开关管同时关断，负电压施加在绕组两端，绕组电流进行反向续流。

所述基于DITC&DFC的绕组开路故障补偿控制框图如图7所示，包括以下过程：

步骤1：由光电传感器采集电机的转子位置角θ，判断电机的工作区间，设定电机定、转子齿极中心线对齐位置为0°角，通过微分计算得到电机实际转速n；

步骤2：在所述电机的径向平面xy上，分别由位移传感器获得x方向的实时位移s_x，y方向的实时位移s_y；与给定位移s_x*和s_y*做差，分别得到电机在x方向上给定悬浮力F_x*，y方向上给定值悬浮力F_y*；其中，x轴与水平方向重合，y轴与竖直方向重合，x轴与y轴在空间上相差90°；

步骤3：由电流传感器测得齿极绕组A₁的电流为零，齿极绕组A₁发生开路故障，则断开齿极绕组A₁相对位置的齿极绕组A₃；根据测得的转子位置角θ，当θ位于[-7.5°，0°]时，B相电感值更大，选择B相作为补偿相，其中齿极绕组B₁和齿极绕组B₃为补偿绕组；当θ位于[0°，7.5°]时，C相电感值更大，选择C相作为补偿相，其中齿极绕组C₁和齿极绕组C₃为补偿绕组；

步骤4：获取x方向实际悬浮力F_xA，当转子位置角θ位于[-7.5°，0°]时，x方向的实际悬浮力由B相的齿极绕组B₁和齿极绕组B₃提供，其表达式如下：

F_xA＝20Di_sBΔi_sB cos 30°

其中，D为电机的悬浮力系数，与电机的参数有关，约为0.616；

i_sB1为齿极绕组B₁中的电流，i_sB3为齿极绕组B₃中的电流，i_sB为i_sB1和i_sB3的平均电流，Δi_sB为i_sB1和i_sB3的差分电流；

当转子位置角θ位于[0°，7.5°]时，x方向的实际悬浮力由C相的齿极绕组C₁和齿极绕组C₃提供，其表达式如下：

F_xA＝20Di_sCΔi_sC cos 30°

其中：

i_sC1为齿极绕组C₁中的电流，i_sC3为齿极绕组C₃中的电流，i_sC为i_sC1和i_sC3的平均电流，Δi_sC为i_sC1和i_sC3的差分电流；

获取y方向实际悬浮力F_yA，y方向的实际悬浮力由A相的齿极绕组A₂和齿极绕组A₄提供，其表达式如下：

F_yA＝20Di_sAΔi_sA

其中，i_sA2为齿极绕组A₂中的电流，i_sA4为齿极绕组A₄中的电流，i_sA为i_sA2和i_sA4的平均电流，Δi_sA为i_sA2和i_sA4的差分电流；

步骤5：将步骤1中的电机实际转速n与给定转速n*做差，得出电机的转矩给定值T*；

步骤6：获取瞬时转矩值T，当转子位置角θ位于[-7.5°，0°]时，瞬时转矩由B、C两相同时提供为：

T＝-2μ₀hrN²J_n(θ)i_T ²+2μ₀hrN²J_p(θ)i_T ²

当转子位置角θ位于[0°，7.5°]时，瞬时转矩由C相提供为：

T＝2μ₀hrN²J_p(θ)i_T ²

其中，μ₀为真空磁导率；h为电机的轴向长度；r为转子半径；N为绕组匝数；Jp(θ)为正转矩系数只与电机的规格和转子位置有关，Jn(θ)为负转矩系数只与电机的规格和转子位置有关；l_g为气隙长度；i_T为齿极绕组B₁、齿极绕组B₃、齿极绕组C₁、齿极绕组C₂、齿极绕组C₃、齿极绕组C₄中流入的相同的转矩电流；

步骤7：比较将给定值悬浮力与实际悬浮力；根据DFC控制原理，首先对悬浮力进行滞环比较，若需要x方向的悬浮力大于0，则此时应保证齿极绕组B₁中电流大于齿极绕组B₃中电流，齿极绕组C₁中电流大于齿极绕组C₃中电流；

步骤8：结合补偿过程中补偿相电压符号不变，则两个补偿齿极绕组的电压符号组合后为“0”，故齿极绕组B₁和齿极绕组B₃的电压符号选取为(+1，-1),齿极绕组C₁和齿极绕组C₃的电压符号选取为(+1，-1)；

步骤9：比较给定转矩与瞬时转矩；结合DITC控制原理，需要设定内外双滞环最大程度的将输出转矩控制在一定范围内，当瞬时转矩小于给定转矩，且转矩偏差大于滞环控制器中的内部正滞环时，功率变换器工作在(+1)状态，该状态下绕组电流会增加，电机的输出转矩增大；当转矩差值小于内部负滞环时，功率变换器工作中(0)状态，该状态下绕组电流会进行续流，电机的输出转矩缓慢降低；当转矩差值小于外部负滞环时，功率变换器工作在(-1)状态，该状态下绕组上会施加负电压，电机的输出转矩会迅速降低。

步骤10：由步骤7-9确定不对称半桥功率变换器的工作状态实现绕组开路故障补偿控制。

所述绕组开路故障的仿真中故障齿极绕组为A₁绕组，给定悬浮力F_x*为30N，F_y*为50N，图8为齿极绕组A₁开路时x方向悬浮力合力波形图，显然x方向悬浮力受到A₁绕组开路故障的影响，无法提供稳定的悬浮力，影响电机正常运行。

所述绕组开路故障补偿后x方向悬浮力合力波形图如图9所示，由图可知补偿后悬浮力较为稳定可保证电机正常运行，该绕组开路故障补偿控制方法能有效解决绕组开路故障悬浮力缺失问题。

Claims (1)

1.一种无轴承开关磁阻电机绕组开路故障补偿控制方法，所述电机包括定子、绕组、转子；所述定子齿数为12，为凸极结构，定子极弧机械角度为15°；所述转子齿数为8，为凸极结构，转子极弧机械角度为30°，转子仅由硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体；所述绕组共有12个，每个绕组缠绕在定子齿上，构成齿极绕组，且各个绕组相互断开，独立控制；所述电机为三相制电机，A相绕组由空间上相隔90°的齿极绕组A₁、齿极绕组A₂、齿极绕组A₃、齿极绕组A₄四个齿极绕组构成，B相绕组由空间上相隔90°的齿极绕组B₁、齿极绕组B₂、齿极绕组B₃、齿极绕组B₄四个齿极绕组构成，C相绕组由空间上相隔90°的齿极绕组C₁、齿极绕组C₂、齿极绕组C₃、齿极绕组C₄组成四个绕组构成，12个绕组最终形成空间上相差30°的三相绕组A、B、C；

所述绕组开路故障补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集电机的转子位置角θ，判断电机的工作区间，设定电机定、转子齿极中心线对齐位置为0°角，进而得到电机实际转速n；

步骤2：在所述电机的径向平面xy上，分别获取x方向的实时位移s_x，y方向的实时位移s_y；与给定位移s_x*和s_y*做差，分别得到电机在x方向上给定悬浮力F_x*，y方向上给定值悬浮力F_y*；其中，x轴与水平方向重合，y轴与竖直方向重合，x轴与y轴在空间上相差90°；

步骤3：假定测得齿极绕组A₁的电流为零，确定齿极绕组A₁发生开路故障，则断开齿极绕组A₁相对位置的齿极绕组A₃；根据测得的转子位置角θ，当θ位于[-7.5°，0°]时，B相电感值更大，选择B相作为补偿相，其中齿极绕组B₁和齿极绕组B₃为补偿绕组；当θ位于[0°，7.5°]时，C相电感值更大，选择C相作为补偿相，其中齿极绕组C₁和齿极绕组C₃为补偿绕组；

步骤4：获取x方向实际悬浮力F_xA，当转子位置角θ位于[-7.5°，0°]时，x方向的实际悬浮力由B相的齿极绕组B₁和齿极绕组B₃提供，其表达式如下：

F_xA＝20Di_sBΔi_sBcos30°

其中，D为电机的悬浮力系数，与电机的参数有关；

i_sB1为齿极绕组B₁中的电流，i_sB3为齿极绕组B₃中的电流，i_sB为i_sB1和i_sB3的平均电流，Δi_sB为i_sB1和i_sB3的差分电流；

当转子位置角θ位于[0°，7.5°]时，x方向的实际悬浮力由C相的齿极绕组C₁和齿极绕组C₃提供，其表达式如下：

F_xA＝20Di_sCΔi_sCcos30°

其中：

i_sC1为齿极绕组C₁中的电流，i_sC3为齿极绕组C₃中的电流，i_sC为i_sC1和i_sC3的平均电流，Δi_sC为i_sC1和i_sC3的差分电流；

获取y方向实际悬浮力F_yA，y方向的实际悬浮力由A相的齿极绕组A₂和齿极绕组A₄提供，其表达式如下：

F_yA＝20Di_sAΔi_sA

其中，i_sA2为齿极绕组A₂中的电流，i_sA4为齿极绕组A₄中的电流，i_sA为i_sA2和i_sA4的平均电流，Δi_sA为i_sA2和i_sA4的差分电流；

步骤5：将步骤1中的电机实际转速n与给定转速n*做差，计算得到电机的转矩给定值T*；

步骤6：获取瞬时转矩值T，当转子位置角θ位于[-7.5°，0°]时，瞬时转矩由B、C两相同时提供为：

T＝-2μ₀hrN²J_n(θ)i_T ²+2μ₀hrN²J_p(θ)i_T ²

当转子位置角θ位于[0°，7.5°]时，瞬时转矩由C相提供为：

T＝2μ₀hrN²J_p(θ)i_T ²

其中，μ₀为真空磁导率；h为电机的轴向长度；r为转子半径；N为绕组匝数；Jp(θ)为正转矩系数只与电机的规格和转子位置有关，Jn(θ)为负转矩系数只与电机的规格和转子位置有关；i_T为齿极绕组B₁、齿极绕组B₃、齿极绕组C₁、齿极绕组C₂、齿极绕组C₃、齿极绕组C₄中流入的相同的转矩电流。

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