CN206135760U - 基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统，其中系统中双绕组永磁容错电机定子由相互独立、空间相差60度电角度的两套均匀分布的三相绕组构成，均采用电枢绕组集中式隔齿绕制方式；驱动器采用两套独立的三相半桥驱动电路，并共用直流母线以及桥臂电路。本实用新型具有电机绕组开路故障诊断、电机绕组短路故障诊断功能，能够快速诊断出故障类型、进行故障定位，并根据故障诊断结果以及所建立的故障后数学模型，结合采集到的电机运行时的信号进行相应的容错控制。本实用新型简单易行、可靠性高、容错能力强，成功解决了双绕组永磁容错电机发生一相及多相开路或短路故障后继续运行的难题。

Description

基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术的领域，尤其涉及一种基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统。

背景技术

随着航空航天领域的快速发展，多电飞机因其体积小、重量轻、效率高、可靠性高等诸多方面的优点，逐渐取代飞机上现有的液压和气动系统，在该领域备受青睐。已经问世的多电飞机包括波音公司的B787、空中客车的A380等，从已有的研究来看，电驱动系统的设计对于多电飞机来说至关重要，而其中电驱动系统的容错能力及可靠性直接关系到发生故障后系统是否能够继续稳定运行。

目前，电驱动系统故障类型主要包含电机绕组开路故障、电机绕组短路故障、主功率管开路故障、主功率管短路故障等。为了解决上述故障发生后电机继续运行的问题，一些具备容错能力的电驱动系统相继被提出，包括多余度电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统、多相永磁容错电机H桥驱动系统、双绕组永磁容错电机双三相驱动系统等。

对于多余度电机驱动系统来说，通过重复配置资源、增加系统冗余来提高系统的可靠性，当一套控制器或者一套电机绕组出现故障时，都将该主功率驱动装置切除，采用剩余的一套主功率驱动装置继续工作，有效解决了发生开路故障后电驱动系统继续稳定、可靠运行的难题；然而该系统常常采用分布式绕组的电机，当发生绕组短路故障后无法抑制短路电流，故障相短路电流通过磁场耦合到无故障相，最终将导致无法正常工作。

开关磁阻电机驱动系统是一种具有特殊的双凸极结构特点的电机驱动系统，该调速系统调速范围宽、调速性能优越、具有强的容错能力；然而该系统相对于正弦波永磁同步电机驱动系统具有转矩纹波大、运行效率低、功率密度低等缺点。

多相永磁容错电机H桥驱动系统采用的永磁容错电机电枢绕组采用单层隔齿绕制方式，除了具有一般永磁同步电机体积小、功率高、转矩脉动小等特点外，还具有物理隔离、热隔离、磁隔离、电气隔离等优点，可有效抑制短路电流，且该系统采用多个(和多相电机相数一致)H桥逆变器，一个逆变器只和多相永磁容错电机一相定子绕组相连，一旦一个H桥逆变器或者一相绕组出现故障时立即被切除，不会影响到其他H桥逆变器和其他相定子绕组；但相对于多余度电机驱动系统，多相永磁容错电机H桥驱动系统需要增加一倍的功率开关管以及数倍(和多相电机相数一致)的电源系统，且控制复杂。

双绕组永磁容错电机双三相驱动系统采用两套独立的三相半桥逆变器驱动具有两套相互独立绕组的永磁容错电机，该系统兼具多余度电机驱动系统和多相永磁容错电机H桥驱动系统的优点，不论对于开路还是短路故障，均具有强的容错能力，该系统相对于多相永磁容错电机H桥驱动系统功率管数量以及直流母线电源系统数量都急剧减少且控制简单；然而该系统控制思想是当一套绕组发生开路或者短路故障后将其整套切除，由无故障的一套绕组独立运行，电机带载能力仅为无故障时的50％，存在着故障后系统利用率不够高的缺点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供一种基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统，使系统容错能力强、容错运行时系统利用率高、功率开关管数量少、供电电源少、转矩脉动小、运行效率高且控制简单。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统，包括双绕组永磁容错电机、第一控制电路、第二控制电路、直流母线、电解电容和桥臂电路；

所述双绕组永磁容错电机的转子采用表贴式瓦状永磁体结构，定子中包含两套相互独立的且均匀分布的三相绕组A、B、C和X、Y、Z；

所述两套三相绕组的空间相差60度电角度，均采用电枢绕组集中式隔齿绕制方式；

所述第一控制电路包含第一至第六功率管以及第一至第三桥臂直通熔断器，其中，所述第一功率管、第三功率管、第五功率管的一端分别和三相绕组A、B、C对应相连，另一端均和直流母线的正极相连；所述第二功率管、第四功率管、第六功率管的一端分别和三相绕组A、B、C对应相连，另一端分别和第一至第三桥臂直通熔断器的一端相连；所述第一至第三桥臂直通熔断器的另一端均和直流母线的负极相连；

所述第二控制电路包含第七至第十二功率管以及第四至第六桥臂直通熔断器，其中，所述第七功率管、第九功率管、第十一功率管的一端分别和三相绕组X、Y、Z对应相连，另一端均和直流母线的正极相连；所述第八功率管、第十功率管、第十二功率管的一端分别和三相绕组X、Y、Z对应相连，另一端分别和第四至第六直通熔断器的一端相连；所述第四至第六直通熔断器的另一端均和直流母线的负极相连；

所述桥臂电路包含第十三至第十四功率管、第一至第二开关管、第七桥臂直通熔断器和中性线电感，其中，所述中性线电感的一端分别和第一开关管的一端、第二开关管的一端相连，另一端分别和第十三功率管的一端、第十四功率管的一端相连；所述第一开关管的另一端和三相绕组A、B、C的中性点相连；所述第二开关管的另一端和三相绕组X、Y、Z的中性点相连；所述第十三功率管的另一端和直流母线的正极相连；所述第十四功率管的另一端通过所述第七桥臂直通熔断器和直流母线的负极相连；

所述电解电容一端和直流母线的正极相连，另一端和直流母线的负极相连。

本实用新型还公开了一种该基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统的控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，分别采集双绕组永磁容错电机绕组中三相绕组A、B、C的电流i_A、i_B、i_C和三相绕组X、Y、Z的电流i_X、i_Y、i_Z，以及采集转子位置角θ_r，并对转子位置角求微分得转子机械角速度ω_r；

步骤2)，通过各相电流诊断器和故障诊断器进行电机绕组开路故障和电机绕组短路故障诊断，并根据故障诊断结果控制接通或关断第一至第二开关管以及隔离相应的故障相功率管：

步骤2.1)，当无故障运行时，控制第一开关管和第二开关管都关断；

步骤2.2)，当A、B、C绕组任意一相发生开路故障时，控制第一开关管接通、第二开关管关断；

步骤2.3)，当X、Y、Z绕组任意一相发生开路故障时，控制第一开关管关断、第二开关管接通；

步骤2.4)，当A相绕组发生短路故障时，控制第一开关管接通、第二开关管关断，并关断第一至第二功率管；

步骤2.5)，当X相绕组发生短路故障时，控制第一开关管关断、第二开关管接通，并关断第七至第八功率管；

步骤2.6)，当A相绕组和C相绕组发生开路或者短路故障时，控制第一开关管和第二开关管同时接通，并关断第一、第二、第五、第六功率管；

步骤2.7)，当A相绕组和X相绕组发生开路或者短路故障时，控制第一开关管和第二开关管同时接通，并将第一、第二、第七、第八功率管关断；

步骤2.8)，当A、B相绕组和Y相绕组同时发生开路或者短路故障时，控制第一开关管和第二开关管同时接通，并将第一至第四、第九至第十功率管关断；

步骤2.9)，当A、B相绕组和X、Y相绕组同时发生开路或者短路故障时，控制第一开关管和第二开关管同时接通，并将第一至第四、第七至第十功率管关断；

步骤3)，通过坐标变换分别按照下式将采集到的电流i_A、i_B、i_C和i_X、i_Y、i_Z变换至d-q坐标系下，得到对应的d-q轴电流实际值i_d1、i_q1和i_d2、i_q2；

步骤4)，d轴电流i_d1、i_d2给定值为零，速度调节器输出作为q轴电流i_q1、i_q2的给定值；

步骤5)，将d-q轴电流给定值减去采集到的实际值，并经过PI调节器对应输出旋转坐标系下的定子电压给定值

步骤6)，将经坐标变换至静止坐标系，得到

步骤7)，将送入SVPWM环节后输出电压矢量施加于第一控制电路和第二控制电路上。

作为本实用新型基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统的控制方法进一步的优化方案，所述步骤2)中采用各相电流诊断器和故障诊断器进行电机绕组开路故障诊断方法的具体步骤为：

步骤A)，通过各相电流诊断器，将采集到的电流i_A、i_B、i_C、i_X、i_Y、i_Z按照下式计算各相电流故障诊断值，

其中，为各相电流的故障诊断值，g＝A、B、C、X、Y、Z，T_S为采样周期，m为采样周期数，t₁、t₂分别为采集时间的起始点；

步骤B)，通过故障诊断器将处理得到的各相电流诊断值分别代入开路故障诊断方程，运算处理得到各相绕组是否发生开路故障的表示值，所述开路故障诊断方程为：

其中，D_g＝0表示g相绕组是正常的，D_g＝1表示g相绕组发生了开路故障，绕组开路相电流诊断标准值I₀设定为额定电流I_N的3％；

步骤C)，将处理得到的各相绕组是否开路的表示值分别代入故障处理器的开路故障处理方程，得到开路故障态时是否要采用桥臂电路的表示值，其开路故障处理方程为：

其中，W₁＝0表示不需要采用桥臂电路，W₁＝1表示需要采用桥臂电路。

作为本实用新型基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统的控制方法进一步的优化方案，所述步骤2)中采用各相电流诊断器和故障诊断器进行电机绕组短路故障诊断方法的具体步骤为：

步骤a)，计算电压比值K，其计算表达式为：

其中，U₀为电机绕组中性点到电源地之间的电压，U_dc为直流母线电压；

步骤b)，将处理得到的电压比值代入第一短路故障诊断方程，运算处理得到各相绕组是否发生短路故障的表示值M₁，第一短路故障诊断方程为：

其中，M₁＝1表示该相可能发生短路故障，M₁＝0表示该相未发生短路故障；

步骤c)，将各相电流的故障诊断值代入第二短路故障诊断方程，运算处理得到各相绕组是否发生短路故障的表示值M₂，第二短路故障诊断方程为：

其中，M₂＝1表示该相可能发生短路故障，M₂＝0表示该相未发生短路故障；

步骤d)，将M₁、M₂代入故障处理器中的短路故障处理方程，得到短路故障态时是否要采用桥臂电路的表示值，所述短路故障处理方程为：

其中，W₂＝0表示不需要采用桥臂电路；W₂＝1表示需要采用桥臂电路，且应强制关断短路故障相上下桥臂开关管。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本实用新型提供了一种基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统，其采用的双绕组永磁容错电机定子中包含相互独立的、空间相差60电角度的两套均匀分布的三相绕组，两套绕组均采用电枢绕组集中式隔齿绕制方式，采用永磁体磁钢离心结构作为转子，双绕组永磁容错电机具有磁隔离、热隔离、物理隔离、大电抗、齿槽转矩小等特点，故障情况下不会产生单边磁拉力。

2.本实用新型所提供的基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统采用了两套三相全桥驱动电路、共用直流母线以及备用的桥臂电路，相比于多余度电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统提高了稳态运行性能，而较之于多相永磁容错电机H桥驱动系统减少了一半的开关管，和双绕组永磁容错电机双三相驱动系统相比故障后系统利用率得到了大幅度改善。

3.本实用新型所提供的基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统的控制方法包含绕组开路故障检测功能，通过实时检测各相电流并计算各相电流诊断值，将各相电流诊断值与所设定的阀值进行比较，能够快速、有效地检测到开路故障相，随之进行故障定位，与开路故障后的容错处理一起构成了高可靠性的开路故障容错控制系统。

4.本实用新型所提供的基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统的控制方法包含绕组短路故障检测功能，通过实时检测各相电流以及电机中性点与电源地之间的电压，并计算各相电流诊断值，将各相电流诊断值与所设定的阀值进行比较，同时将检测到的中性点与电源地之间的电压也与设定的阀值进行比较，综合以上二者的结果，能够快速、有效地检测到短路故障相，随之进行故障定位，与短路故障后的容错处理一起构成了高可靠性的短路故障容错控制系统。

本实用新型简单易行，结构简单，具有可靠性高、开关管数量少、控制简单、发生故障后系统容错能力强等优点，适合于高可靠性及高性能要求的航空航天及军用场合。

附图说明

图1为基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统的拓扑结构；

图2为双绕组永磁容错电机的结构图；

图3为基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统的控制框图；

图4为基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统的开路故障检测控制框图；

图5为基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统的短路故障检测控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本实用新型公开了一种基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统，包括双绕组永磁容错电机、第一控制电路、第二控制电路、直流母线、电解电容和桥臂电路。

如图2所示，所述双绕组永磁容错电机的转子采用表贴式瓦状永磁体结构，定子中包含两套相互独立的且均匀分布的三相绕组A、B、C和X、Y、Z。

所述两套三相绕组的空间相差60度电角度，均采用电枢绕组集中式隔齿绕制方式。

所述双绕组永磁容错电机的转永磁体外径离心度为10mm。

如图1所示，所述第一控制电路包含第一至第六功率管以及第一至第三桥臂直通熔断器，其中，所述第一功率管、第三功率管、第五功率管的一端分别和三相绕组A、B、C对应相连，另一端均和直流母线的正极相连；所述第二功率管、第四功率管、第六功率管的一端分别和三相绕组A、B、C对应相连，另一端分别和第一至第三桥臂直通熔断器的一端相连；所述第一至第三桥臂直通熔断器的另一端均和直流母线的负极相连；

所述第二控制电路包含第七至第十二功率管以及第四至第六桥臂直通熔断器，其中，所述第七功率管、第九功率管、第十一功率管的一端分别和三相绕组X、Y、Z对应相连，另一端均和直流母线的正极相连；所述第八功率管、第十功率管、第十二功率管的一端分别和三相绕组X、Y、Z对应相连，另一端分别和第四至第六直通熔断器的一端相连；所述第四至第六直通熔断器的另一端均和直流母线的负极相连；

所述桥臂电路包含第十三至第十四功率管、第一至第二开关管、第七桥臂直通熔断器和中性线电感，其中，所述中性线电感的一端分别和第一开关管的一端、第二开关管的一端相连，另一端分别和第十三功率管的一端、第十四功率管的一端相连；所述第一开关管的另一端和三相绕组A、B、C的中性点相连；所述第二开关管的另一端和三相绕组X、Y、Z的中性点相连；所述第十三功率管的另一端和直流母线的正极相连；所述第十四功率管的另一端通过所述第七桥臂直通熔断器和直流母线的负极相连；

所述电解电容一端和直流母线的正极相连，另一端和直流母线的负极相连。

如图3所示，本实用新型还公开了一种该基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统的控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，分别采集双绕组永磁容错电机绕组中三相绕组A、B、C的电流i_A、i_B、i_C和三相绕组X、Y、Z的电流i_X、i_Y、i_Z，以及采集转子位置角θr，并对转子位置角求微分得转子机械角速度ω_r；

步骤2)，通过各相电流诊断器和故障诊断器进行电机绕组开路故障和电机绕组短路故障诊断，并根据故障诊断结果控制接通或关断第一至第二开关管以及隔离相应的故障相功率管：

步骤2.1)，当无故障运行时，控制第一开关管和第二开关管都关断；

步骤2.2)，当A、B、C绕组任意一相发生开路故障时，控制第一开关管接通、第二开关管关断；

步骤2.3)，当X、Y、Z绕组任意一相发生开路故障时，控制第一开关管关断、第二开关管接通；

步骤2.4)，当A相绕组发生短路故障时，控制第一开关管接通、第二开关管关断，并关断第一至第二功率管；

步骤2.5)，当X相绕组发生短路故障时，控制第一开关管关断、第二开关管接通，并关断第七至第八功率管；

步骤2.6)，当A相绕组和C相绕组发生开路或者短路故障时，控制第一开关管和第二开关管同时接通，并关断第一、第二、第五、第六功率管；

步骤2.7)，当A相绕组和X相绕组发生开路或者短路故障时，控制第一开关管和第二开关管同时接通，并将第一、第二、第七、第八功率管关断；

步骤2.8)，当A、B相绕组和Y相绕组同时发生开路或者短路故障时，控制第一开关管和第二开关管同时接通，并将第一至第四、第九至第十功率管关断；

步骤2.9)，当A、B相绕组和X、Y相绕组同时发生开路或者短路故障时，控制第一开关管和第二开关管同时接通，并将第一至第四、第七至第十功率管关断；

步骤3)，通过坐标变换分别按照下式将采集到的电流i_A、i_B、i_C和i_X、i_Y、i_Z变换至d-q坐标系下，得到对应的d-q轴电流实际值i_d1、i_q1和i_d2、i_q2；

步骤4)，d轴电流i_d1、i_d2给定值为零，速度调节器输出作为q轴电流i_q1、i_q2的给定值；

步骤5)，将d-q轴电流给定值减去采集到的实际值，并经过PI调节器对应输出旋转坐标系下的定子电压给定值

步骤6)，将经坐标变换至静止坐标系，得到

步骤7)，将送入SVPWM环节输出电压矢量施加于第一控制电路和第二控制电路上。

如图4所示，所述步骤2)中采用各相电流诊断器和故障诊断器进行电机绕组开路故障诊断方法的具体步骤为：

步骤A)，通过各相电流诊断器，将采集到的电流i_A、i_B、i_C、i_X、i_Y、i_Z按照下式计算各相电流故障诊断值，

其中，为各相电流的故障诊断值，g＝A、B、C、X、Y、Z，T_S为采样周期，m为采样周期数，t₁、t₂分别为采集时间的起始点；

步骤B)，通过故障诊断器将处理得到的各相电流诊断值分别代入开路故障诊断方程，运算处理得到各相绕组是否发生开路故障的表示值，所述开路故障诊断方程为：

其中，D_g＝0表示g相绕组是正常的，D_g＝1表示g相绕组发生了开路故障，绕组开路相电流诊断标准值I₀设定为额定电流I_N的3％；

步骤C)，将处理得到的各相绕组是否开路的表示值分别代入故障处理器的开路故障处理方程，得到开路故障态时是否要采用桥臂电路的表示值，其开路故障处理方程为：

其中，W₁＝0表示不需要采用桥臂电路，W₁＝1表示需要采用桥臂电路。

如图5所示，所述步骤2)中采用各相电流诊断器和故障诊断器进行电机绕组短路故障诊断方法的具体步骤为：

步骤a)，计算电压比值K，其计算表达式为：

其中，U₀为电机绕组中性点到电源地之间的电压，U_dc为直流母线电压；

步骤b)，将处理得到的电压比值代入第一短路故障诊断方程，运算处理得到各相绕组是否发生短路故障的表示值M₁，第一短路故障诊断方程为：

其中，M₁＝1表示该相可能发生短路故障，M₁＝0表示该相未发生短路故障；

步骤c)，将各相电流的故障诊断值代入第二短路故障诊断方程，运算处理得到各相绕组是否发生短路故障的表示值M₂，第二短路故障诊断方程为：

其中，M₂＝1表示该相可能发生短路故障，M₂＝0表示该相未发生短路故障；

步骤d)，将M₁、M₂代入故障处理器中的短路故障处理方程，得到短路故障态时是否要采用桥臂电路的表示值，所述短路故障处理方程为：

其中，W₂＝0表示不需要采用桥臂电路；W₂＝1表示需要采用桥臂电路，且应强制关断短路故障相上下桥臂开关管。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于三相四桥臂的双绕组永磁容错电驱动系统，其特征在于，包括双绕组永磁容错电机、第一控制电路、第二控制电路、直流母线、电解电容和桥臂电路；

所述双绕组永磁容错电机的转子采用表贴式瓦状永磁体结构，定子中包含两套相互独立的且均匀分布的三相绕组A、B、C和X、Y、Z；

所述两套三相绕组的空间相差60度电角度，均采用电枢绕组集中式隔齿绕制方式；

所述第一控制电路包含第一至第六功率管以及第一至第三桥臂直通熔断器，其中，所述第一功率管、第三功率管、第五功率管的一端分别和三相绕组A、B、C对应相连，另一端均和直流母线的正极相连；所述第二功率管、第四功率管、第六功率管的一端分别和三相绕组A、B、C对应相连，另一端分别和第一至第三桥臂直通熔断器的一端相连；所述第一至第三桥臂直通熔断器的另一端均和直流母线的负极相连；

所述第二控制电路包含第七至第十二功率管以及第四至第六桥臂直通熔断器，其中，所述第七功率管、第九功率管、第十一功率管的一端分别和三相绕组X、Y、Z对应相连，另一端均和直流母线的正极相连；所述第八功率管、第十功率管、第十二功率管的一端分别和三相绕组X、Y、Z对应相连，另一端分别和第四至第六直通熔断器的一端相连；所述第四至第六直通熔断器的另一端均和直流母线的负极相连；

所述桥臂电路包含第十三至第十四功率管、第一至第二开关管、第七桥臂直通熔断器和中性线电感，其中，所述中性线电感的一端分别和第一开关管的一端、第二开关管的一端相连，另一端分别和第十三功率管的一端、第十四功率管的一端相连；所述第一开关管的另一端和三相绕组A、B、C的中性点相连；所述第二开关管的另一端和三相绕组X、Y、Z的中性点相连；所述第十三功率管的另一端和直流母线的正极相连；所述第十四功率管的另一端通过所述第七桥臂直通熔断器和直流母线的负极相连；

所述电解电容一端和直流母线的正极相连，另一端和直流母线的负极相连。