CN101667805A - 六相永磁容错电机控制*** - Google Patents
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Abstract
一种新颖的具有故障隔离特性的半桥电路结构六相永磁容错电机控制***。该***包括六相永磁容错电机及两路三相半桥逆变电路。针对六相永磁容错电机，将A、C、E三相绕组一端与对应桥臂中点相连，桥臂下端串入一个常闭触点和一个PTC电阻后再与直流母线负端相连，每相绕组的另一端串联另一常闭触点后连接成“Y”接法，同一相的两个常闭触点属于同一个双联继电器。“Y”接法中点串联常开触点K1后与一路等值母线串联电容的中点相连，此构成一套三相“Y”型驱动子***。同样电路结构将另三相构成一套三相驱动子***。任一套中的任一相发生故障时，故障子***自动重构为两相***，应用常规三相电机的故障态两相控制算法，电机***进入容错运行状态。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种六相永磁容错电机控制***的设计方法。
背景技术
在一些高可靠性要求的场合中，要求电机驱动***必须特殊设计，如飞机电力作动***，是多电飞机***的关键技术之一。由于电力作动***广泛应用于飞机刹车、舵面控制以及油泵等关键电力传动***中，因此电力作动***必须具备很强的安全可靠性和容错性。而功率变换器和驱动电机是电力作动器的核心部分，因此设计一套具有容错功能的电机本体及其控制***成了电力作动器的关键技术。正是意识到了这个问题，研究电力作动***的可靠性技术得到了飞快发展，它大致分两个阶段，一个是以冗余技术(带代表性的是双余度技术)为标志的初级阶段，一个是以容错技术为标志的高级阶段。常见的冗余技术措施是提供冗余的电机绕组或者控制器，这样的***的利用率不高，并且成本和体积都会很大，对体积要求较高的场合不适用；而容错，顾名思义，就是允许***出错，工程上指***发生任何一种故障时，***进行重构，使***可以基本不降低性能运行。
20世纪70年代以来，由于电力电子器件的迅猛发展，磁阻电动机与电力电子器件相结合，组成了一种机电一体化的新型电机——开关磁阻电动机。它主要用于调速传动***，优点是：一相绕组出现故障时，电机仍然可以正常工作，即具有一定的容错性。但与永磁同步电机相比，其不可避免的转矩波动，并且效率较低，从而使它的容错性能不令人满意。因此国外的电机专家提出了永磁容错电机的概念，主要是由Newscastle大学的Atkinson.D.J、B.C.Mecrow教授和Shefield大学的Z.Q.Zhu教授、D.Howe教授建立起来，并且首先应用于航空电力作动***。1993年英国Newscastle大学的B.C.Mecrow教授在IEEE发表了一篇关于H桥逆变器故障诊断文章，为他在1995年提出的容错电机的方案奠定了基石。1995年Mecrow教授在IEEE发表了一篇关于永磁容错电机和开关磁阻电机的容错性能比较的文章，从此以后拉开了永磁容错电机研究的序幕。1996年，Shefield大学的Z.Q.Zhu教授、D.Howe教授开始研究容错电机在飞机的机电作动***(EMA，Electro-Mechanical Actuator)中的控制与应用，从而显示了永磁容错电机在航空***中具有强大生命力。
永磁容错电机及其控制电路组成永磁容错电机***，具有磁隔离、热隔离、电气隔离和具有大电抗抑制短路电流的能力。近几年来，容错电机的研究得到了突飞猛进的发展，但与之相配套的逆变器控制电路拓扑却罕有变化。现有文献中提及的永磁容错电机***均是采用永磁容错电机和H桥电路拓扑组合。在此***中，每个H桥模块对一相绕组进行独立控制，实现电气隔离，并在故障时切除故障相，使电机持续容错运行。缺点是需要较多的功率器件，增大体积重量，如六相永磁容错电机需要用6个H桥，共24个功率开关管，将影响***可靠性。如何进一步提高***的容错能力和可靠性一直是该研究领域里的一个难题。
发明内容
本发明提出了一种新型的永磁容错电机***，该驱动***采用六相容错电机和改进型的六相半桥结构逆变器。***具有较好的容错能力，可靠性高，而且成本低，结构简单，体积小。
本发明是针对六相永磁容错电机而提出。该电机除了具有一般永磁同步电机的特点外(体积小、功率密度高和转矩脉动小等等)，如图1所示，此电机的电枢绕组采用单层隔齿的集中绕制方式，因此电机本体的各相绕组具备了隔热、隔磁以及物理隔离的功能；该电机槽型采用较深的槽口尺寸，增大了电机绕组漏抗，从而可以达到利用大电抗限制短路电流的目的；同时电机转子上装贴不等厚偏心式永磁体，使得电枢绕组的反电势波形呈现正弦波，而不是传统的方波或梯形波，便于实现性能优良的正弦波驱动算法。这些特殊设计与一般的永磁无刷电机的有着本质的区别，既具有很强的容错能力，又具有优秀的驱动性能。
图2所示为传统的采用H桥电路拓扑的永磁容错电机控制***。其控制核心为高性能的DSP控制板，DSP运行专门设计的实时控制软件，完成***正常运行、故障态容错运行及***状态监测，保护等功能。在此***中，每相绕组都用独立的单相H桥变换器供电，因此一相绕组或功率管损坏时，与母线连接的电隔离触点分断(图中未标出)，不会影响到其他相的电压输出。尽管每相绕组都用H桥可以实现电气隔离，但同时产生的问题就是功率变换器的功率器件数较多，导致控制器体积增大，从可靠性的角度讲是个不利的因素。
本发明专利是针对六相永磁容错电机控制***，提出了一种新型的具有故障隔离特性的半桥电路拓扑，如图3所示，实现容错并隔离故障功能。针对六相永磁容错电机，六相依次为A、B、C、D、E、F，将其中A、C、E三相每相绕组一端与对应桥臂中点相连，桥臂的下端经一继电器的一个常闭触点与一只PTC电阻(自恢复保险丝)相串联，PTC电阻的接入各相桥臂中可有效的限制所在回路各种短路故障对***的损害。PTC电阻再与直流母线负端相连，每相绕组的另一端串联另一常闭触点后连接成“Y”接法，同一相的两个常闭触点属于同一个双联继电器，继电器的触点，如A相为KA1，KA2。“Y”接法中点串联常开触点K1后与一路直流母线的两个等值串联电容的中点相连，此构成一套三相“Y”型驱动子***。同样将B、D、F构成另一套三相“Y”型驱动子***，这两套的“Y”型中点之间不连接。由于六相容错电机的各相之间的磁隔离设计特性，电机可看作两台三相电机的组合。
如此，本***构成一个电机驱动***。电机正常运行时为六相对称运行，每一套三相子***可以应用三相电机的控制算法。任意一套中的任一相发生故障时，由故障诊断程序控制该相常闭触点打开，对故障相进行隔离，电机***进入不对称运行，出现故障的三相子***应用故障态两相的控制算法。而三相***的控制与故障诊断算法，故障下剩余两相容错控制算法，均已经有比较成熟的方案，方便转换至本***应用。
与传统的H桥控制拓扑相比，本电路拓扑的功率开关数目将减少一半，能有效减少控制器的体积重量。减少功率器件数目，既提高了***运行的可靠性，又节约了逆变器所占用的空间、降低了整个***的成本。
附图说明
图1为六相永磁容错电机模型图。
图2为传统六相H桥永磁容错电机控制***。
图2中标号名称：1.六相永磁容错电机；2.六相H桥结构逆变器；3.DSP控制器及检测与保护电路；Q11，Q12，Q13，Q14……Q61，Q62，Q63，Q64为功率开关管，D11，D12……D61，D62，D63，D64为二极管。
图3为半桥结构的六相永磁容错电机控制***
图3中标号名称：1、六相永磁容错电机；2、电流传感器；Q1，Q2…Q11，Q12为功率开关管，D1，D2…D12为二极管；KA1，KB1…KF1为与电机绕组端相连的常闭开关触点；KA2，KB2…KF2为与半桥下桥臂相连的常闭开关触点；R1，R2…R6为PTC电阻；C1、C2和C3、C4分别为两路串联分压电容；K1，K2为独立的常开触点。
图4PTC(自恢复保险丝)电阻特性曲线。
具体实施方案
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明专利针对六相永磁容错电机控制***提出的电路拓扑如图3连接。电机***无故障运行时为两套三相子***构成的六相对称***，每一套三相***应用成熟的三相电机的控制算法，如矢量控制，id＝0控制算法或直接转矩控制算法。
逆变器故障主要包括功率开关器件短路故障、功率开关器件开路故障、电机绕组端部短路故障以及绕组断路故障。当任一套三相子***中的任一相故障，以A相为例：
1.功率开关器件短路故障。一旦故障发生，PTC电阻R1上的电流会急剧增大，PTC电阻发热后温度急剧升高，表现出高阻状态，特性如图4所示，电阻变化从常态数十毫欧上升至数十千欧，起到有效的隔断作用。在其电阻上升的过程中，电压降越来越大。通过其电压信号并判断其大小，就能及时判断出控制电路是否发生短路故障。故障发生时，封闭功率开关管驱动信号，断开与故障相绕组和桥臂相连的常闭开关KA1和KA2，隔离故障相，打开重构常开触点K1，***自动重构为两相***，应用常规三相电机的故障态两相控制算法，实现***容错运行。
2.功率开关器件开路故障。功率开关管开路包括Q1开路、Q2开路、Q1和Q2开路，以及控制或驱动电路损坏导致门极驱动信号常为低电平的情况。故障表现形式相同，故障时波形呈半波波形，其多次谐波含量与正常时波形的多次谐波含量有明显区别，可以此来判断出开路故障的发生。故障发生后采取的故障隔离的措施与1相同，断开与故障相绕组和桥臂相连的常闭开关KA1和KA2，隔离故障相，打开重构常开触点K1，实现缺相不对称运行。
3.电机绕组输出端部短路(全部短路)或绕组匝间短路(部分短路)故障。故障发生时，此时电机短路相绕组中电流由于其自身大电抗限制作用，短路电流并不大。此时，由于绕组发生短接故障，控制内环(电流环)产生所需给定电流的PWM脉冲的平均占空比与非短路的正常两相相比有很大变化，据此可监测绕组短路。故障发生后采取的故障隔离的措施与1相同，断开与故障相绕组和桥臂相连的常闭开关KA1和KA2，隔离故障相，打开重构常开触点K1，实现缺相不对称运行。
4.电机绕组断路故障。电机某相绕组开路时，其相电流始终为零。此时，通过电流传感器对相电流采样，在若干个周期相电流i始终为0，则认定为绕组断路情况。故障发生后采取的故障隔离的措施与1相同，断开与故障相绕组和桥臂相连的常闭开关KA1和KA2，隔离故障相，打开重构常开触点K1，实现缺相不对称运行。
该拓扑能有效的切除故障相，使逆变器工作在容错模态下，从而保证某相绕组或功率管出现故障时，故障不会传染到正常相。每套三相绕组子***的控制与故障诊断算法，由三相电机与两相电机的现有成熟控制算法转化。该拓扑的容错能力为任意两相故障。
Claims (4)
1、一种具有故障隔离特性的六相永磁容错电机控制***，***由六相永磁容错电机和双三相半桥逆变器组成，永磁容错电机具有磁隔离、热隔离及大电抗康短路电流的特点，其特征在于当其中任一相发生故障时，电机***均能实现容错运行功能。
2、根据权利要求1所述的具有故障隔离特性的六相永磁容错电机控制***，其六相绕组依次为A、B、C、D、E、F，将A、C、E三相每相绕组的一端接对应相桥臂两个功率开关管的中点输出端，桥臂的下端串入一继电器的一个常闭触点与PTC电阻(自恢复保险丝)串联，再连接到直流母线负端，每相绕组的另一端串联另一常闭触点后连接成“Y”接法，同一相的两个常闭触点属于同一个双联继电器，“Y”接法中点再串一个常开触点后与一路串联电容的中点相连，此构成一套三相“Y”型驱动子***；同样电路结构将B、D、F三相绕组构成另一套“Y”型驱动子***，这两套的“Y”型中点之间不连接。
3、根据权利要求1或2所述的具有故障隔离特性的六相永磁容错电机控制***，每相的下桥臂串入PTC电阻(自恢复保险丝)，利用PTC电阻的过流高阻抗特性，对其所处回路的各种短路故障可起到有效的保护隔断作用。
4、根据权利要求1或2或3所述的具有故障隔离特性的六相永磁容错电机控制***，电机正常运行时为六相对称运行，每一套三相子***可以应用三相电机的控制算法；任意一套中的任一相发生故障时，该相的两个常闭触点打开，对故障相进行隔离，中点串联的常开触点K1或K2闭合，故障隶属的三相子***重构为两相故障态容错控制运行，每套三相子***的控制与故障下容错控制算法，均可应用三相电机的现有控制算法，方便实现容错运行功能。
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