CN1886887A - 容错电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新的多相电机控制系统。该控制系统包括激励电路，用于激励每个相绕组，和控制电路，用于确定电机的单个相的相电流，以产生施加到激励电路上用以激励相绕组的控制信号。当电机的至少一个相出现故障时，模式选择电路能够使控制电路在非纠错模式下或在纠错模式下操作。在非纠错操作模式中，将继续工作的相的相电流保持不变。在纠错模式中，根据预定参数来改变继续工作的相的相电流。

Description

容错电机控制系统

技术领域

本申请涉及一种电机，尤其是一种用于对多相电机进行容错操作的控制系统。

背景技术

对于一种执行关键任务(例如在军事应用中)的电机而言，重要的是即使出现相故障电机仍能继续工作。因此，综合容错变成电机设计的一个主要方面。通常，电机配备冗余的部件，用以支持容错操作。

例如，美国专利4,434,389公开了一种无刷直流电机，该电机具有永磁转子和带有多个冗余组的绕组的定子。该转子由四个或更多个磁极组成。在四极电机中使用两组定子绕组，在六极电机中使用三组，而在八极电机中使用四组。每组中的绕组以Y形、△形或星形结构连接，用以进行三相激励。在每一组绕组的单个绕组中的电流是通过换向器进行机械切换，或者通过连接到单组绕组上的换相电路来进行电切换。在电机的移动部分和静止部分之间的相对位置关系由独立的位置传感器组来检测，该独立的位置传感器组独立地连接到相应的换向电路上。可以以最大转矩同时操作各换向电路，并且如果一个和多个电路或绕组出现故障，则也可以以降低的转矩进行操作。

因此，以导致高成本设计和操作的复杂绕组设计为代价提供了一种冗余技术。

因此，希望开发一种控制系统，其能够对电机进行容错操作而不需冗余的部件

发明内容

本发明提供了一种新的多相电机控制系统，该系统不需要冗余的部件便能够在出现相故障时继续其工作。如果出现相故障时，本发明的控制系统能够使电机工作而不需执行任何纠错程序。

而且，本发明的控制系统通过在不进行纠错的操作和执行适当的纠错程序之间进行选择向用户提供了较高的灵活性。此外，可以根据用户的优先选择来定制各纠错参数，这些纠错参数定义了丢相时的电机特性。

该控制系统用于控制具有多个定子相部分和一个转子的电机。每个定子相部分包括形成于铁芯部件上的相绕组。该控制系统包括：激励电路，其连接到定子相绕组上用于激励每个相绕组，和控制电路，用于确定电机的单个相的相电流，以生成施加到所述激励电路用以激励所述相绕组的控制信号；当电机的至少一相出现故障时，模式选择电路可以使所述控制电路按照非纠错模式或纠错模式进行操作。

在所操作的非纠错模式中，将继续工作的相的相电流保持不变；，在纠错模式中，根据预定的各参数来改变继续工作相的相电流。该控制电路可以禁止对相应于故障相的相绕组进行激励。

根据本发明的实施例，在纠错模式下用于改变相电流的预定参数可以包括：在对应于故障相的相角处的最大电流幅值，和在相对于故障相偏移了90度的相角处的最小电流幅值。基于预定的各参数，控制电路可以在另一相出现故障之后根据其余相和故障相之间的相角距离或偏移来改变继续工作的相的相电流。

用于改变相电流的各预定参数可以根据用户的优先选择来定制，以便获得在总转矩和转矩脉动之间所期望的平衡。

通过以下具体的描述本领域技术人员可以容易理解本发明附加的优点，其中仅仅示出和描述了本发明的优选实施例，简单地说明了为实施本发明而设计的最佳方式。可以明白，在不背离本发明的情况下，本发明能够是其他的和不同的实施例，并且在各种显而易见的方面对多个细节进行改变是可能的。因此，附图和说明书在本质上都应当认为是示例性的，而并非限制性的。

附图说明

图1示出了在可应用于本发明的构造中的转子和定子部件的示意图。

图2示出了本发明的容错控制系统的简化方框图。

图3示出了本发明的容错模式选择程序的流程图。

图4示出了本发明的一种示例性纠错算法的流程图。

图5示出了在本发明的纠错模式下用于改变相电流的示例性预定参数的框图。

图6A和6B示出了在纠错模式下改变相电流的示意图。

图7、8和9示出了为获得电机的总转矩由每相所产生的转矩的示意图。

具体实施方式

本发明适于控制例如在美国共同未决申请第09/826,422号中所公开的电机，该申请于2001年4月5日由Maslov等人提交，其内容作为参考包含于此，然而本发明也可以适用于其它各种永磁电机和转换磁阻电机。图1是示出了上述申请中所述的电机10的转子和定子部件的示意图，其所公开的内容已经包含在这里。转子组件20是环孔状结构，具有沿圆柱形支承板25大体均匀分布的永磁体21。

该永磁体是转子磁极，其沿该环孔的内圆周按磁极性交替变换。该转子包围该定子组件30，转子和定子组件由环状径向气隙分隔。定子30包括多个沿该气隙均匀分布的具有相同结构的电磁铁芯部分。每个铁芯部分包括一个通常为U形的磁结构36，该磁结构形成两个磁极，所述的两个磁极具有面对气隙的各表面32。将绕组38卷绕在磁极对的绕组支架上，然而铁芯部分也可以被构造成容纳在连接了磁极对的部分上所形成的单个绕组。

每个定子电磁铁芯结构与相邻的定子铁芯部件相分离，并且与相邻的定子铁芯部件磁性隔离。定子部件36被固定到不透磁的支撑结构上，由此形成环孔状结构。该结构消除了来自相邻定子极组的杂散变压器磁通效应的发射。因此，定子电磁体是包含相应的定子相的独立单元。本发明下述的原理也可应用于其它永磁电机结构，其中包括支撑所有相绕组的单个定子铁芯。

图2是根据本发明的电机控制系统的框图。该控制系统包括控制器210，用于控制包括图1所示的转子20和定子30的多相电机10。该定子具有多个相绕组，该相绕组被电源电子(PE)电路220所提供的驱动电流可切换地激励。例如，图2示出了提供给七个定子相绕组的PE电路220-1到220-7。然而，本发明能够适用于任意电机相数。每个PE电路可以包括一个经由驱动器元件由控制器210控制的电子开关组。这些开关组可以包括多个MOSFET H型桥，例如InternationalRectifier的IRFIZ48N-ND。栅极驱动器可以包括Intersil的MOSFET栅极驱动器HIP4082IB。

控制器210具有一个或多个用户输入和用于在运行期间检测电机状态的多个输入。每个相绕组中的电流由多个电流传感器230中相应的一个电流传感器来检测，将该多个电流传感器的输出提供给控制器210。为此，该控制器可以具有多个输入，或者可选地，可以将来自电流传感器的信号进行多路复用并且连接到单个控制器输入上。例如F.W.Bell的SM-15的霍耳效应电流传感器可以用作电流传感器230。

转子位置传感器240连接到控制器210的另一输入上，用以向控制器提供位置信号。该位置传感器可以包括任何已知的传感装置，例如霍耳效应器件(Allegro Microsystems的92B5308)、巨磁电阻(GMR)传感器、电容式旋转传感器、簧片开关、包含非晶传感器的脉冲有线传感器、分解器、光传感器等等。该位置传感器240的输出也被施加到速度近似器242上，该速度近似器将位置信号转换为速度信号，以便将该速度信号施加到控制器210的另一个输入上。

控制器210可以包括微处理器或等效的微控制器，例如TexasInstrument的数字信号处理器TMS320LF2407APG。为了产生期望的相电流，控制器210产生如下控制电压：

Vi(t)＝LidIdi/dt+RiIi+Ei+ksiei

其中

Vi(t)是相绕组两端的电压；

Idi(t)是为获得期望转矩所要产生的期望的相电流；

Li(t)是相电流；

Ri是绕组电阻；

Ei(t)是反电动势；

Li是绕组自感；

Ksi是电流回路反馈增益；以及

ei是相电流误差。

控制器210所输出的控制电压Vi(t)代表为获得用户要求的转矩所需的经计算的电压值。在操作中，控制器210定义了为获得期望转矩在每相中所需的相电流Idi(t)，并且基于上述表达式为每相产生控制信号Vi(t)。该控制信号Vi(t)依次施加到PE电路220，用以对相应的相绕组进行单独激励。通过栅极驱动器，在相应PE电路220中的开关组被启动，由此使选择绕组的顺序和在该控制器中所建立的顺序相一致。每个逐次的控制信号Vi(t)与在相应的绕组上所检测到的特定电流相关。在由Maslov等人于2002年6月19日提交的美国共同未决申请第10/173,610号中更详细地公开了该控制器的操作，并且作为参考包含于此。

控制器210包括容错模式选择器250，用于在电机10的至少一个相出现故障时选择一种容错操作模式来执行。该容错模式选择器250可以是寄存器或用户可编程的或根据电机状态可控的电子电路。可选地，该模式选择器250可以配置在控制器210的外部。正如下面所详细描述的那样，如果出现相故障，则容错模式选择器250使控制器210可以按照以下容错操作模式中的一种进行操作：非纠错模式和纠错模式。

在非纠错模式中，当至少一相出现故障时，控制器210不改变电机10中其余各相的相电流Idi(t)。取而代之的是，可以控制与故障相相对应的PE电路210，以使其停止激励相应的相绕组。

在纠错模式中，如果出现相故障，则控制器210与纠错单元260相互作用，以便根据前述纠错算法来改变继续工作的各相的相电流Idi(t)。例如，纠错单元260可以包括查找表，该查找表包含一组预定的、用于改变继续工作的各相的相电流Idi(t)的参数。如下所述，该组参数可以根据用户的优先选择进行定制。

图3示出了本发明的电机控制系统的容错操作的简化流程图。控制器210对它的输入进行监测，以检测电机相的故障(步骤302)。例如，可以使用测量电机每相的相电流Ii(t)的电流传感器230来检测相故障。如果在预定的时间段内任意电流传感器230检测到相电流Ii(t)的异常值，则控制器210就检测到了相故障的情况，并且识别出现故障的相(步骤304)。

例如，如果某个相的相电流Ii(t)突然下降到零并且在预定的时间段内没有返回到它的正常轨道，则控制器210判断相应相的电路为开路。而且，如果一个相的相电流Ii(t)突然升高超过某一预置的界限并且在预定的时间段内没有返回到它的正常轨道，则控制器210判断相应相的电路为短路。

因此，为了检测相故障，控制器210可以监测相应相的相电流误差。该相电流误差是期望相电流Idi(t)和由相应电流传感器所测量出的实际相电流Ii(t)之间的差。控制器210根据转矩要求，根据由位置传感器240和速度近似器242所确定的位置和速度来确定每一相的期望相电流Idi(t)。如果在预定的时间段相电流误差的绝对值超过某一预定界限，则控制器210认为任何这样的相都是故障相。

当检测到相故障时，控制器210检查容错模式选择器250以建立预定的容错操作模式(步骤306)。该模式选择器250可以由用户预编程，以便当检测到相故障的情况时，要求控制器210以非纠错模式或以纠错模式进行操作。

可选地，当检测到相故障时，根据当时电机的状态自动地控制该模式选择器250以选择合适的容错操作模式。例如，当至少一个相出现故障时，如果预定数量的剩余各相中的相电流Ii(t)都超过一阈值水平，则可以控制该模式选择器250以设置为非纠错操作模式。在这种情况下，所述剩余各相的相电流值的改变将会降低电机的总转矩值。在某些情况下，不期望降低总的转矩。

因此，当检测到相故障时，控制器210可以将由电流传感器230检测到的剩余各相的相电流值与一个阈值水平进行比较。如果预定数量的相的相电流值超过该阈值水平，则控制器210控制该模式选择器250以设置为非纠错模式。否则，可设置为纠错模式。

因此，如果在步骤306中，控制器210确定没有设置纠错模式，则它切换到非纠错操作模式(步骤308)。在非纠错操作模式中，控制器210可以控制对应于故障相的PE电路220以使其停止激励相应的相绕组。在非纠错模式中，尽管出现相故障，但是不会改变与继续工作的相有关的电机参数，所述参数中包括相应的相电流。

如果在步骤306中，控制器210判断设置了纠错模式，则它切换到该纠错操作模式(步骤310)。在纠错模式中，控制器210根据预定的纠错算法改变继续工作的各相中的期望的相电流Idi(t)。

图4示出了示例性的纠错算法，该算法可以在纠错操作模式中执行。控制器210识别出故障相j(步骤312)，并且计算出在故障相j和每一个继续工作的相k之间的相角偏移或者距离Djk(步骤314)，其中j和k是从1到Ns的整数，并且Ns是电机10的相数。

而且，控制器210获得了用户要求的转矩值τ和由速度近似器242确定的电机速度ω(步骤316)。这些值用作索引，用于访问包含在纠错单元260中的纠错查找表。纠错查找表包含用于计算每个剩余相k的期望的相电流幅值的参数I1和I2。参数I1表示一相位处的最大电流幅值，所述相位是在相对于故障相j的预定相角处设置的。例如，该最大电流幅值可以位于与故障相j对应的相位上。参数I2代表在从最大电流幅值的相位偏移了90度的相角处的最小电流幅值。在纠错查找表中，为所要求的转矩和当前速度的各种组合提供了多个参数I1和I2。

在步骤318中，，控制器210访问纠错查找表以便为在步骤316中所确定的转矩和速度获得参数I1和I2。基于这些参数，在步骤320中，控制器210将每个继续工作的相k的期望相电流的幅值Ik确定为Ik＝I1-(I1-I2)×Djk/90度。将故障相j的期望的相电流的幅值Ij设为0。因此，根据从故障相到相k的距离，将每一相k的期望的相电流的幅值设定为在I1和I2之间。控制器210使用每一相的经改变的期望的相电流以确定提供给相应的PE电路220的控制电压Vi(t)，用以对相应的相绕组进行激励。

图5示出了根据参数I1和I2关于改变相电流的纠错算法的示意图。例如，参数I1可以表示与故障相j对应的相的相电流的幅值，以及参数I2可以表示在相对于故障相j偏移了90度的相角处的相电流的幅值。控制器210改变与故障相j相距较近的那个相的相电流的幅值，以便使其高于与故障相相距较远的那个相的相电流的幅值。尤其是，与故障相j相距最近的相j-1的经改变的相电流的幅值大于下一相j-2的经改变的相电流的幅值，该下一相j-2依次大于与故障相j相距最远的相j-(Ns-1)/2的经改变的相电流的幅值。幅值I0是在相j出现故障之前每相的相电流值。

图6A和6B分别示出了根据本发明的纠错算法没有进行纠错和进行了纠错的七相电机的相电流的示意图。这些图示出了当相3出现故障时的情况，并且相3的相电流被设为0。在没有进行纠错时，将继续工作的相1、2和4至7的相电流的值I0设置为例如10A(图6A)。在进行纠错时，控制器210将工作相1、2和4至7的相电流的幅值设置在I1和I2之间的范围内。例如，I1可以设为12A，而I2可以设为5A。

本发明的纠错算法使控制器210能够在继续工作的各相之间重新分配相电流，从而重新平衡来自每相的转矩分布。图7示出了每相所产生的转矩，即对于各相电流正弦波形在正常操作模式下七相电机的每相的转矩分布。当所有相都在工作的时候，所有相的总转矩(例如等于35Nm)可能几乎没有脉动。

图8示出了当相3出现故障而剩余相的相电流还没被改变时每个工作的相1、2和4至7的转矩分布图。如图所示，对于在25和35Nm之间变化的总转矩而言，相故障会导致大致上等于例如0.17的转矩脉动。

图9示出了当相3出现故障而根据本发明的纠错算法重新分配剩余相的相电流时每个工作相1、2和4至7的转矩分布图。如图所示，对于在23和25Nm之间变化的总转矩而言，转矩脉动可能降低到大约0.04。

为了获得在总转矩值和转矩脉动之间的期望的平衡，纠错参数I1和I2的值可以按照用户的优先选择(或偏好)进行定制。因此，纠错单元260可以包含用于转矩和速度的各个组合的几组容错参数I1和I2。

例如，为了在丢相之后可以获得电机的最大转矩，应该将参数I2选择在参数I1的水平上。而且，这两个参数应该被设为最大可能的电流值。然而，这样的选择将增加转矩脉动。结果，电机会变得不平稳。为了使转矩脉动最小化，以便当出现相故障时实现电机的平稳运行，可以用实验方法确定在参数I1和I2的值之间的最优差值。

因此，由本发明控制系统所控制的电机不需要冗余的部件就可以在相出现故障时继续其工作。通过根据用户的选择和电机状态使电机容错操作能够进行或者不进行纠错处理，从而该控制系统提供给用户较高的灵活性。而且，可以根据用户的优先选择(或偏好)来定制纠错参数，其中该纠错参数定义了在丢相时的电机特性。

尽管使用了电机的各个电气相的独立磁电路的例子公开了本发明，但是本发明能够适用于其它电机结构，例如包含公共磁路的电机。因此，可以理解，在所述的本发明原理的范围内，可以如此处表述的对本发明进行修改或者改变。

Claims (21)

1.一种多相电机的控制系统，所述电机具有多个定子相部分和转子，每个定子相部分包括形成在铁芯部件上的相绕组，所述系统包括：

激励电路，连接到定子相绕组上，用于激励各个相绕组；

控制电路，用于确定电机的单个相的相电流，以生成施加到所述激励电路用以激励所述相绕组的控制信号；和

模式选择电路，用于当电机的某相出现故障时使所述控制电路能够按照第一和第二操作模式中的一个进行操作，

在该第一操作模式中，将继续工作的各相的相电流保持不变，并且

在该第二操作模式中，根据预定参数改变继续工作的各相的相电流。

2.如权利要求1所述的系统，其中在所述第一模式中，所述控制电路被构造成停止对相应于故障相的相绕组进行激励。

3.如权利要求1所述的系统，其中在所述第二模式中，所述控制电路被构造成根据其余相和故障相之间的距离来改变其余相的相电流。

4.如权利要1所述的系统，其中在所述第二模式中，所述控制电路被构造成根据如下相位处的预定的最大电流幅值来改变其余相的相电流，其中所述相位设置在相对于故障相的预定相角处。

5.如权利要1所述的系统，其中在所述第二模式中，所述控制电路被构造成根据在相对于最大电流幅值的相位偏移了90度相角处的预定的最小电流幅值来改变其余相的相电流。

6.如权利要1所述的系统，其中根据用户的选择对用于改变相电流的该预定参数进行定制。

7.如权利要6所述的系统，其中定制该预定参数以便在总转矩和转矩脉动之间获得期望的平衡。

8.一种多相电机的控制系统，所述电机具有多个定子相部分和转子，每个定子相部分包括形成于铁芯部件上的相绕组，所述系统包括：

激励电路，连接到该定子相绕组上，用于激励每个相绕组；

控制电路，用于确定电机的单个相的相电流，以生成施加到所述激励电路用以激励所述相绕组的控制信号；和

纠错电路，相应于电机的相故障，用于使控制电路能够根据预定参数改变其余各相的相电流。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述控制电路被构造成根据其余相和故障相之间的相角距离来改变所述其余相的相电流。

10.如权利要8所述的系统，其中所述控制电路被构造成根据在如下相位处的预定的最大电流幅值来改变其余相的相电流，其中所述相位设置在相对于故障相的预定相角处。

11.如权利要8所述的系统，其中所述控制电路被构造成根据在相对于该最大电流幅值的相位偏移了90度的相角处的预定最小电流的幅值来改变其余相的相电流。

12.如权利要8所述的系统，其中根据用户的选择对用于改变相电流的所述预定参数进行定制。

13.如权利要12所述的系统，其中对该预定的参数进行定制以便在总转矩和转矩脉动之间获得期望的平衡。

14.一种控制多相电机的方法，包括以下步骤：

如果电机的某相出现故障，则在第一和第二操作模式之间选择，

在所述第一操作模式中，对于继续工作的相保持不变的相电流，和

在所述第二操作模式中，根据预定参数来改变继续工作的各相的相电流。

15.如权利要求14所述的方法，进一步包括在第一模式中停止对相应于故障相的相绕组进行激励的步骤。

16.一种控制多相电机的方法，包括以下步骤：

检测相故障，和

根据预定参数改变继续工作的各相的相电流。

17.如权利要求16所述的方法，其中根据其余相和故障相之间的相角距离来改变该其余相的相电流。

18.如权利要求16所述的方法，其中根据如下相位处的预定的最大电流幅值来改变其余相的相电流，其中所述相位设置在相对于故障相的预定相角处。

19.如权利要求16所述的方法，其中根据在相对于该最大电流幅值的相位偏移了90度的相角处的预定最小电流幅值来改变其余相的相电流。

20.如权利要16所述的方法，其中根据用户的选择对用于改变相电流的各预定参数进行定制。

21.如权利要20所述的方法，其中定制该预定的各参数以便在总转矩和转矩脉动之间获得期望的平衡。

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