四相电励磁双凸极电机变换器容错拓扑结构及容错方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术针对新型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。
技术实现思路
根据上述介绍的电励磁双凸极电机可靠性技术的现状，本专利技术提出一种四相电励磁双凸极电机变换器容错型拓扑结构，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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C1～4＝1001，T1或T6开路；情形②：电流逻辑值C1～4＝1100，T3或T8开路；情形③：电流逻辑值C1～4＝0110，T5或T2开路；情形④：电流逻辑值C1～4＝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|Uap|，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|Ubp|，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|Ucp|，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|Udp|，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C1～4＝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|Uap|，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|Ubp|，若|Ubp|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C1～4和和各状态下相应的检测电压在表1中列出，其中Vdc为母线电压值，Ua、Ub、Uc、Ud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本文档来自技高网...

【技术保护点】
四相电励磁双凸极电机驱动系统，其特征在于：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、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。

【技术特征摘要】
1.四相电励磁双凸极电机驱动系统，其特征在于：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、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。2.根据权利要求1所述四相电励磁双凸极电机驱动系统，其特征在于：由八个功率管构成四相全桥变换器：功率管T1、T2构成第一桥臂；功率管T3、T4构成第二桥臂；功率管T5、T6构成第三桥臂；功率管T7、T8构成第四桥臂；第一、第二桥臂的桥臂中点输出端之间串接一个双向晶闸管TR1，第三、第四桥臂的桥臂中点输出端之间串接一个双向晶闸管TR2。3.权利要求1或2所述四相电励磁双凸极电机变换器的容错方法，其特征在于：能够处理变换器的单管开路故障和单桥臂双管开路故障，对于单管短路故障和单桥臂双管同时短路故障造成的过电流从而成为单桥臂开路故障也适用，但不适用于变换器多相开路故障；具体故障容错控制过程如下：步骤1)：判断单相开路故障位置，若判断为单管开路故障则定位故障管，若判断为单桥臂两管开路故障则确定故障桥臂；步骤2)：DSP主控单元根据故障位置撤除故障所在桥臂的两个功率管的驱动信号；步骤3)：DSP主控单元的I/O口输出信号，触发与故障相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。4.根据权利要求3所述四相电励磁双凸极电机变换器的容错方法，其特征在于：步骤3)中的双向晶闸管开通原则及步骤4)调整剩余的六个功率管导通逻辑的具体方法如下：发生T1开路，T2开路，T1和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和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和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...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡豆豆，周波，甘志伟，周兴伟，胡博，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32