四相电励磁双凸极电机变换器容错拓扑结构及容错方法

摘要

本发明公开了一种驱动四相电励磁双凸极电机的容错型功率变换器的拓扑结构及容错控制方法。在该拓扑中，相位相差180°的A、C两相绕组反向串联，B、D两相绕组反向串联；在传统四相全桥变换器的基础上加入两个双向晶闸管：A、B两相绕组输入端之间连接双向晶闸管TR1，C、D两相绕组输入端之间连接TR2。当系统正常运行时，晶闸管TR1、TR2均关断，控制方式采用四相四状态控制，电机四相绕组依次通入相位差为90°的梯形波电流，电机四相绕组均对外出力；当检测到变换器发生单相开路故障后，采用容错控制方法，变换器处于容错运行状态并仍能输出四相相位相差90°的梯形波电流通入电机各相，电机仍有四相绕组对外出力，不受功率管开路的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及电机驱动系统可靠性研究领域，尤其涉及一种四相电励磁双凸极电机变换器单相开路故障的容错拓扑结构。

背景技术

电励磁双凸极电机具有结构简单、控制灵活的优点，励磁电流可调使其四象限运行成为可能，由于各相独立控制，电励磁双凸极电机具有一定的容错性能；现有的三相电励磁双凸极电机在变换器发生单相开路故障时，剩余两相运行造成输出转矩波动过大，严重时可能导致电机不能运行。多相电励磁双凸极电机具有更高的冗余容错能力，在航空航天、矿井轧钢、电动汽车等对可靠性要求高的场合具有广阔的应用前景，现有关于提高四相电励磁双凸极电机驱动系统可靠性的技术主要分为本体设计、故障检测和容错策略几个方面。

本体设计方面，申请号为201310079451.4号专利给出各相电感对称的四相双凸极无刷直流电机，公开了一种采用一个励磁绕组匝链三个电枢绕组的绕制方法实现各相电感对称的新型四相电励磁双凸极电机，该电机各相反电势幅值相等，且在任意时刻都有四相绕组对外出力，电机本体冗余容错性能好，但没有涉及容错控制方法；故障检测方面，申请号为201510013255.6号专利公开了一种四相电励磁双凸极电机的开路故障诊断方法，在两个通道的中点之间接入一个检测电阻实现，但是没有给出实现容错运行的具体拓扑及方案；容错策略方面，发表于《电气工程学报》2016年1月刊的《四相电励磁双凸极电动机单相开路故障分析与容错控制策略》针对四相8/6极电励磁双凸极电机，分析了电机绕组单相开路故障下的绕组电流和输出转矩，并给出了一种容错控制策略，文中所研究的8/6极电励磁双凸极电机属于存在电感维持为零的模态，不能实现任意时刻思想更绕组均对外出力。

由于变换器的功率管存在一定故障率，是电励磁双凸极电机驱动系统中最为薄弱的环节，本发明针对新型12/9极四相电励磁双凸极电机驱动系统，提出一种变换器单相开路故障容错拓扑结构及容错方案。

发明内容

根据上述介绍的电励磁双凸极电机可靠性技术的现状，本发明提出一种四相电励磁双凸极电机变换器容错型拓扑结构，本发明公开了一种驱动四相电励磁双凸极电机的容错型功率变换器的拓扑结构及容错控制方法。

本发明四相电励磁双凸极电机驱动系统，该驱动系统主要由四相12/9极电励磁双凸极电机、四相容错型变换器、双向晶闸管、信号检测单元(包括电压检测单元、电流采样单元和电机位置信号检测单元)、直流电源和DSP主控单元；四相电励磁双凸极电机定转子极数为12N/9N，定子极弧系数为0.667，转子极弧系数为0.5；四相A、B、C、D的相位依次相差90°电角度，A相超前B相90°，B相超前C相90°，C相超前D相90°；四相全桥变换器中第一桥臂、第二桥臂中点输出端之间串接一个双向晶闸管TR1，第三、第四桥臂中点输出端之间串接一个双向晶闸管TR2；

DSP主控单元通过信号检测单元分别采集双凸极电机位置信号、各相绕组电流信号，输出控制信号分别驱动各桥臂开关管，用以驱动四相电励磁双凸极电机，检测各桥臂中点电压和母线正端电压，计算桥臂中点电压和母线正端电压的差值，根据差值的变化规律进行故障诊断，根据故障诊断结果输出控制信号，选择应该开通的双向晶闸管，实现故障容错控制。

本发明提出上述四相电励磁双凸极电机变换器容错型拓扑结构的容错方法，能够处理变换器单相开路故障，采用该拓扑的容错方案有以下几个步骤：

步骤1)：判断为单管开路故障则定位故障管，判断为单桥臂开路故障则确定故障桥臂；

步骤2)：单管开路故障和单桥臂开路故障归为同一种处理方式，即DSP主控单元撤除故障所在桥臂两个功率管的驱动信号；

步骤3)：主控单元的I/O口输出信号，触发与发生故障的桥臂相连的双向晶闸管，使其常通，另一只双向晶闸管则不予提供触发信号，使其维持关断；

步骤4)：调整剩余的六个功率管的导通逻辑，实现系统的容错运行。

本发明要求对单相开路故障的实时检测，单管开路故障共有8中可能性，定位单管开路故障的方法：

发生单管开路故障后，可能存在四种不同的电流逻辑值情形，情形①：电流逻辑值C_1～4＝1001，T1或T6开路；情形②：电流逻辑值C_1～4＝1100，T3或T8开路；情形③：电流逻辑值C_1～4＝0110，T5或T2开路；情形④：电流逻辑值C_1～4＝0011，T7或T4开路；四相电流采样后送入DSP主控单元，求出逻辑值，判断是何种情形，根据求出的逻辑值将故障范围缩小到两个可能的故障管，可能是桥臂上管或桥臂下管；情形①在状态1和状态4系统正常运行，但在状态2和状态3，需判断A相桥臂中点与母线正端的电压差|U_ap|，若不为0，则为上管开路，否则为下管开路；情形②在状态1和状态2系统正常运行，但在状态3和状态4，需判断B相桥臂中点与母线正端的电压差|U_bp|，若不为0，则为上管开路，否则为下管开路；情形③在状态2和状态3系统正常运行，但在状态1和状态4，需判断C相桥臂中点与母线正端的电压差|U_cp|，若不为0，则为上管开路，否则为下管开路；情形④在状态3和状态4系统正常运行，但在状态1和状态2，需判断D相桥臂中点与母线正端的电压差|U_dp|，若不为0，则为上管开路，否则为下管开路。

单桥臂开路故障共有4种可能情形，定位故障桥臂的方法：

DSP主控单元判断电流逻辑值C_1～4＝0000，判断A、C相电流恒为0，但B、D相电流非0，则故障桥臂为A或C，进一步判断|U_ap|，若既不等于母线电压也不为0则为A桥臂开路，否则为C桥臂开路；判断B、D相电流恒为0，但A、C相电流非0，则故障桥臂为B或D，进一步判断|U_bp|，若|U_bp|既不为母线电压值也不为0则为B相开路，否则为D相开路。

单管开路故障和单桥臂开路故障一共12种可能的故障下的电流逻辑值C_1～4和和各状态下相应的检测电压在表1中列出，其中V_dc为母线电压值，U_a、U_b、U_c、U_d为各相的感应电势。

容错方法步骤3)中的双向晶闸管开通原则，步骤4)调整剩余的六个功率管导通逻辑的具体方法：

发生T1开路，T2开路，T1、T2均开路三种故障之一，TR1开通，TR2关断；此时四相四状态控制：

状态1：T5、T7斩波，T4恒通；

状态2：T7斩波，T6恒通；

状态3：T3恒通，T6、T8斩波；

状态4：T5斩波，T8恒通；

发生T3开路，T4开路，T3、T4均开路三种故障之一，TR1开通，TR2关断；此时四相四状态控制：

状态1：T5、T7斩波，T2恒通；

状态2：T7斩波，T6恒通；

状态3：T1恒通，T6、T8斩波；

状态4：T5斩波，T8恒通；

发生T5开路，T6开路，T5、T6均开路三种故障之一，TR2开通，TR1关断，此时四相四状态控制：

状态1：T7恒通，T2、T4斩波；

状态2：T1斩波，T4恒通；

状态3：T1、T3斩波，T8恒通；

状态4：T3斩波，T2恒通；

发生T7开路，T8开路，T7、T8均开路三种故障之一，TR2开通，TR1关断，此时四相四状态控制：

状态1：T5恒通，T2、T4斩波；

状态2：T1斩波，T4恒通；

状态3：T1、T3斩波，T6恒通；

状态4：T3斩波，T2恒通。

容错状态下开通相应的双向晶闸管和调整剩余功率管的导通逻辑，其需要达到的目标为：变换器四相六管运行仍能够输出四相相位互差90°的电流依次通入电机各相，变换器单相开路故障不影响电机的四相四状态运行，电机仍有四相绕组均对外出力，充分发挥此四相12/9极电励磁双凸极电机任意时刻均有四相绕组对外出力的优势。

按照上述方法，使电机四相绕组故障重构，实现容错运行。

在本发明的拓扑中，相位相差180°的A、C两相绕组反向串联，B、D两相绕组反向串联；在传统四相全桥变换器的基础上加入两个双向晶闸管：A、B两相绕组输入端之间连接双向晶闸管TR1，C、D两相绕组输入端之间连接TR2。当系统正常运行时，晶闸管TR1、TR2均关断，控制方式采用四相四状态控制，电机四相绕组依次通入相位差为90°的梯形波电流，电机四相绕组均对外出力；当检测到变换器发生单相开路故障后，采用容错控制方法，变换器处于容错运行状态并仍能输出四相相位相差90°的梯形波电流通入电机各相，电机仍有四相绕组对外出力，不受功率管开路的影响。

本发明的容错技术与现有技术相比，具有以下效果：

(1)不使用冗余桥臂，拓扑结构简单，只在全桥电路的基础上加入两个双向晶闸管，使得系统的体积减小，成本降低；

(2)在容错运行状态下四相六管变换器仍能够输出四相电流，功率管开路状态下不需要电机成为三相运行状态而降低输出转矩等级；

(3)电机在容错运行状态下能够平稳运行，不需要降额控制。

附图说明

图1是本发明所采用的四相电励磁双凸极电机的截面图；

图2是本发明采用的四相电励磁双凸极电机的电感曲线图；

图3是本发明采用的控制方式下四相电励磁双凸极电机的理想电流波形图；

图4是本发明的四相电励磁双凸极电机驱动系统的拓扑结构；

图5-1是常见的变换器单相故障类型之一；

图5-2是常见的变换器单相故障类型之二；

图5-3是常见的变换器单相故障类型之三；

图5-4是常见的变换器单相故障类型之四；

图6是本发明A相开路故障容错运行状态1→状态2换相过程续流通路；

图7是本发明A相开路故障的容错运行简化等效电路；

图8是本发明正常运行电机转速500rpm时的Maxwell+Simplorer联合仿真的A、B相电流波形和输出转矩波形；

图9时本发明电机在T1管开路故障后的容错运行状态下电机转速500rpm时的Maxwell+Simplorer联合仿真的A、B相电流波形和输出转矩波形。

具体实施方式

结合附图对本发明所提出的容错方案进行进一步的解释：

实施例：

图1是本发明采用的四相电励磁双凸极电机的截面图，定转子极数为12/9，这种设计与传统的四相8/6极双凸极电机有所不同，传统的双凸极电机存在某相电感为零的模态，而本发明采用的四相12/9极电励磁双凸极电机使用定子极弧系数为0.667，转子极弧系数为0.5的设计，不具有电感为0的模态，任意时刻都有四相绕组同时对外出力。

图2是本发明采用的四相电励磁双凸极电机的电感曲线图，在各相电感上升区通入正向电流，电感下降区通入负向电流，可以使电机获得恒定方向的转矩，从而连续运行。

图3是本发明采用的电机四相理想电流波形，图4是本发明使用的四相电励磁双凸极电机单相开路故障容错拓扑结构，正常运行时，双向晶闸管TR1和TR2均处于关断状态；A、C相，B、D相分别反向串联，根据图2的四相12/9极电励磁双凸极电机的四相电感变化曲线，可以将电机的运行分为四个状态：

状态1：电机C、D相电感上升，A、B相电感下降；

状态2：电机A、D相电感上升，B、C相电感下降；

状态3：电机A、B相电感上升，C、D相电感下降；

状态4：电机B、C相电感上升，A、D相电感下降；

电机在任意运行时刻均处于以上四个状态之一，在每个状态的电感变化趋势包括相绕组自感L_p和与励磁绕组的互感L_pf，在各状态内的电感上升相为绕组通入正电流，电感下降相为绕组通入负电流，为实现上述效果，系统正常运行时各个状态下的各开关管工作情况为：

状态1：T5、T7斩波，T2、T4恒通；

状态2：T1、T7斩波，T4、T6恒通；

状态3：T1、T3斩波，T6、T8恒通；

状态4：T3、T5斩波，T2、T8恒通。

由以上可知，p相的输出转矩为

$>T_p=T_{pe}+T_{pr}=i_p{i}_f\frac{{\mathrm{dL}}_{pf}}{d\theta }+\frac{1}{2}{i}_p^2\frac{{\mathrm{dL}}_p}{d\theta }$>

其中p＝a，b，c，d；T_pe为励磁转矩，T_pr为磁阻转矩，i_p为相电流，i_f为励磁电流，L_pf为p相励磁电感，L_p为相绕组自感，根据电机电感特性，任意时刻dL_a/dθ+dL_c/dθ＝0，dL_b/dθ+dL_d/dθ＝0，如果各相通入的电流幅值相等，此时电机的输出转矩T_p为

T_p＝4i_pi_f(dL_pf/dθ)

这种设计使电机在任意时刻四相绕组均对外出力。

图5-1～图5-4中依次为变换器发生单管开路、单桥臂开路、单管短路及单桥臂短路四种故障情形的示意图，短路故障造成过流保护转化为开路故障处理，发生单管开路故障：

发生T1开路故障，A、C两相电流在模态2和模态3为0，发生T2开路故障，A、C两相电流在模态1和模态4为0，故障造成半个电周期只有B、D两相对外出力；

发生T3开路故障，B、D两相电流在模态3和模态4为0，发生T4开路故障，B、D两相电流在模态1和模态2为0，故障造成半个电周期只有A、C两相对外出力；

发生T5开路故障，A、C两相电流在模态1和模态4为0，发生T6开路故障，A、C两相电流在模态2和模态3为0，故障造成半个电周期只有B、D两相对外出力；

发生T7开路故障，B、D两相电流在模态1和模态2为0，发生T8开路故障，B、D两相电流在模态3和模态4为0，故障造成半个电周期只有A、C两相对外出力；

发生单桥臂开路故障：

发生A或C相桥臂之一开路故障，A、C两相电流在任意时刻为0，电机只有B、D两相对外出力；

发生B或D相桥臂之一开路故障，B、D两相电流在任意时刻为0，电机只有A、C两相对外出力；

由此可见，单相开路故障会降低电机输出转矩的等级，为了将这种不利影响降到最低，需要采用本发明的容错方法。

本发明将单管开路故障(图5-1)和单桥臂开路故障(图5-2)合称为单相开路故障，检测到单管开路故障或单桥臂开路故障时，DSP主控单元撤除故障所在桥臂两个功率管的驱动信号，若变换器A或B相单相开路故障时，主控单元的I/O口输出信号，开通双向晶闸管TR1，但TR2维持关断；若变换器C或D相单相开路故障时，开通TR2，但TR1维持关断，实现了单相开路故障下四相电机绕组的重新组合，为了获得与正常运行时相同的输出转矩等级，需要调整剩余的六个功率管，调整后的各个状态下的导通逻辑在表2中列出。

需要说明的是，本容错方法采用DSP主控单元撤除故障所在桥臂两个功率管的驱动信号，但是功率管的并联二极管并不会完全失去作用，在各个状态稳定时故障桥臂的功率管反并二极管不起作用，但是在各个模态切换的过程中续流，以A相桥臂开路故障为例说明：由状态1向状态2的换相过程中A、C相电流换向，续流通道有Vdc-→D6→WC→WA→D3→Vdc+和Vdc-→D6→WC→WA→D1→Vdc+，续流通路如图6所示。

由于故障桥臂功率管的反并二极管对各状态的稳定运行没有影响，可以将电路简化，图7是变换器A相开路故障后的容错运行的简化等效电路。

图8是本发明正常运行时的Maxwell+Simplorer联合仿真的A、B相电流波形和输出转矩波形，仿真中电机模型使用两单元的24/18极四相电励磁双凸极电机，母线电压为50V，电机转速为500rpm。由于A、C相反向串联，A相电流可以反映C相电流的变化情况，B相也可以反映D相电流变换情况，因此仿真结果中只需要给出A、B相的电流即可；正常运行时输出转矩平均值为6.789N..m，转矩脉动系数K_T(N.O.)＝(T_max-T_min)/T_av×100％＝78.5％。

图9是T1管开路故障后，采取本发明的容错方案之后的Maxwell+Simplorer联合仿真的A、B相电流波形和输出转矩波形，仿真中电机模型使用两单元的24/18极四相电励磁双凸极电机，母线电压为50V，电机转速为500rpm。容错运行时输出转矩平均值为6.727N·m，输出转矩脉动系数K_T(F.T.O.)＝89.2％，容错运行与正常运行相比，输出转矩平均值几乎相等，输出转矩脉动系数只比正常运行时增加13.6％。由此可见，本容错方案能够T1开路故障的情况使A、C相电流维持为原来的数值，即变换器单相开路故障不影响电机四相仍然对外继续出力。

以上所使用的专业术语是本领域研究技术人员能够理解的一般意义，根据所述的具体实施方式，技术人员能够很容易发现本发明的目的、技术方案和有益效果等，但是这种实施方式并不仅限于本发明，凡在本方案发明精神和原则内所做的任何更改、等同替换、改进等，都应在本发明的保护范围内。

表1

表2