CN103825505A

CN103825505A - 一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法

Info

Publication number: CN103825505A
Application number: CN201410058722.2A
Authority: CN
Inventors: 王友仁; 蔡志端; 王强
Original assignee: TAICANG HANGCHUANG AUTOMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: TAICANG HANGCHUANG AUTOMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2014-05-28

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，首先构建一个容错逆变器电路，该电路包括九个功率场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9，四个电阻R1、R2、R3、R4，两个电容C1、C2，其中功率场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6构成六开关三相逆变器，电阻R3、R4构成逆变器开路故障检测电路，功率场效应管Q7、Q8、Q9和电容C1、C2，电阻R1、R2构成容错逆变器硬件冗余电路；然后，通过电阻R3、R4之间公共点的电压值与预期电压值比较，获取故障信息，完成逆变器中功率场效应管开路故障检测、故障定位和故障隔离；最后，根据故障类型，相应选择功率场效应管Q7或Q8或Q9工作，实现逆变器拓扑的重构。本发明能够实现逆变器故障检测、故障定位、故障隔离、逆变器拓扑重构，能够在逆变器发生故障后，通过重构逆变器拓扑结构使电机保持正常运行状态，提高电机运行的稳定性与安全性。

Description

一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机驱动技术领域，具体涉及无刷直流电机逆变器的故障检测、故障定位和拓扑重构技术。

背景技术

所谓容错是指***在某些部件发生故障的情况下，仍能按原定性能指标或性能指标降低至可接受范围情况下安全地完成任务。

逆变器在电机驱动***应用最为广泛。在军事、航空航天、汽车领域、石油化工行业、水泥行业、抽水站等工业应用存在对安全性关键特殊应用如转向、线控制、变速控制等各种电机驱动装置。在这些应用中驱动装置的稳定运行是至高无尚的重要，非常需要确保***的连续运行。针对无刷直流电机驱动***功率逆变器中的功率开关器件是发生故障的薄弱环节，为提高***可靠性和安全性，保障***的容错能力，常采用功率变换器的多余度冗余设计及相应的容错控制方法，即在诊断出***故障后，通过在线重构逆变器的拓扑结构并采取相应的控制来维持***的稳定性和尽可能地恢复***故障前的性能，以确保故障后***具有一定的执行能力。

目前无刷直流电机容错逆变器中故障诊断的方法主要有基于功率开关管参数分析，通过传感器测量每一个开关管的源漏电压、电流或者门极电压，结合功率开关管当前状态诊断故障，这种方法电压、电流参数测量困难，传感器数量大，成本高；别一种是基于输出相电压，电流参数分析，通过传感器测量功率变换器的输出相电压和相电流，结合功率变换器的状态进行故障诊断，这种方法故障诊断算法复杂，诊断时间长。目前以电容中点钳位的六开关三相容错逆变器采用双向晶闸管连接两个电容中点，且隔离故障功率管所在相的上下两个功率管，这样导致功率管利用率不高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，能够简便地进行故障检测与故障定位，合理重构逆变器拓扑结构提升功率场效应管的使用率。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

1、一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，其特征包括以下步骤：

(1)构建一种无刷直流电机容错逆变器电路，其特征在于，包括功率场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6构成的六开关三相逆变器，电阻R3、R4构成的逆变器开路故障检测电路，功率场效应管Q7、Q8、Q9，电容C1、C2和电阻R1、R2构成的容错逆变器硬件冗余电路；

(2)采集步骤(1)所述故障检测电路中电阻R3和电阻R4公共点的电压信号，获取电机中心点电压，判断所测电机中心点电压瞬态值是否超过设定预期值，如果超出，表示所述六开关三盯逆变器有开路故障并进行故障定位，进入步骤(3)，如果没有超出，表示没故障，逆变器不需拓扑重构，直接退出；

(3)通过步骤(2)的故障定位，根据不同故障类型，相应地将步骤(1)所述的功率场效应管Q1或Q2或Q3或Q4或Q5或Q6中有故障的功率场效应管进行故障隔离；

(4)根据步骤(3)的故障隔离功率场效应管，从步骤(1)所述的Q7、Q8、Q9中选择一个功率场效应管代替步骤(3)所隔离的故障功率场效应管，实现逆变器拓扑重构。

2、根据所述一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，步骤(1)的故障检测电路，电阻R3一端与电机中心点连接，另一端与电阻R4连接，连接点为d，电阻R4另一端与地连接；

3、根据所述一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，步骤(1)的容错逆变器硬件冗余电路，电阻R1、R2分别与电容C1、C2并联，电容C1、C2串联，功率场效应管Q7、Q8、Q9一端分别与电机三相绕组中的一相连接，另一端连接电容C1、C2串联的公共点m。为了更好平衡m点电压，减少电机输出转矩脉动，由电阻R1和电阻R2对m点电压钳位，电阻R1与电阻R2的阻值关系为R1=R2，电容C1和电容C2的容值关系为C1=C2。

4、根据所述一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，步骤(1)的容错逆变器硬件冗余电路，Q7、Q8、Q9为全控性功率场效应管，通过控制所述全控性功率场效应管Q7、Q8、Q9的导通或关闭实现逆变器拓扑重构，得到相应故障所对应的逆变器结构。

5、根据所述的一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，步骤(2)中直接以电机中心点电压瞬态值进行逆变器开路故障检测与定位。为了采集电机中心点电压并将其电压值降低，通过所述电阻R3与电阻R4对电机中心点电压分压，采集电阻R3和电阻R4的公共连接点d的电压为故障特征量进行故障检测与定位，d点电压U_d和电机中心点n的电压U_n关系为

在PWM开通区间比较d点的电压U_d和预期电压值，可得到故障信息，并进行故障定位，由于采用电机中心点电压值进行故障检测与定位，所需时间短，速度快。

6、根据所述一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，步骤(3)只单独隔离有故障的功率场效应管，与传统同时隔离同一相上下两个功率场效应管相比节约一个功率场效应管。

所述的一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，构建一种无刷直流电机容错逆变器电路，通过电机中心点电压值诊断逆变器功率场效应管的开路故障，根据故障类型，采用全控性功率场效应管重构逆变器拓扑结构，与传统的故障检测和定位方法相比，所述方法简单，快速；与传统的采用非全控性双向晶闸管重构逆变器结构相比，所述逆变器拓扑重构方法提高了功率场效应管利用率高。

附图说明

图1是本发明的无刷直流电机容错功率逆变器电路图；

图2是功率场效应管Q1、Q2导通时电机等效电路图；

图3是功率场效应管Q1开路故障后逆变器拓扑重构的电路图；

图4是功率场效应管Q2开路故障后逆变器拓扑重构的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，其适合于方波反电动势和正弦波反电动势的无刷直流电机，其包含一种新的逆变器故障检测电路和配合该检测电路的故障检测与故障定位方法即在PWM开通时检测电机中性点电压，与传统的检测方法相比所述方法简单，快速；另外包含了一种新的逆变器拓扑重构方法即通过全控型功率场效应管连接硬件冗余电容的中点，与传统的电容中点钳位逆变器拓扑重构方法相比，提高了逆变器中功率场效应管的利用率。以下分别进行详细说明。

一种无刷直流电机容错逆变器电路，如图1，其包括功率场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6构成的六开关三相逆变器，电阻R3、R4构成的逆变器开路故障诊断电路，电阻R1、R2，电容C1、C2和功率场效应管Q7、Q8、Q9、Q10构成的容错逆变器硬件冗佘电路；电阻R3一端与电机中性点连接，另一端与电阻R4串联，电阻R4另一端与地连接；电阻R1、R2分别与电容C1、C2并联，电容C1、C2串联；功率场效应管Q7、Q8、Q9一端分别与电机三相绕组中的一相连接，另一端连接到所述电容C1、C2串联的公共点m。

为了更好地平衡电容C1和电容C2中点m的电压值，减小电机输出转矩脉动，通过电阻R1和电阻R2对m点电压钳位，电阻R1和R2的阻值关系为R1=R2，电容C1和C2的容值关系为C1=C2，m点电压值

即m点被钳位于电压值。

无刷直流电机常用三相六状态1200导通方式控制逆变器中各功率场效应管，导通的顺序是Q1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q4Q5、Q5Q6、Q6Q1，PWM控制方式也常采用H_PWM-L_ON调制控制方式。

在功率场效应管Q1、Q2导通阶段，即电机B相悬空，A相与C相导通，电机等效电路如图2。正常情况，电流由A相绕组流进，C相绕组流出，图中R5、R6、R7表示各相绕组的等效电阻，Ea、Eb、Ec表示各相绕组上的反电动势，根据基尔霍夫电压定律可得电机中心点n的电压

在PWM调制开通期间，Q1、Q2导通，此时电机A相端电压U_A=VCC，电机C相端电压U_c=0，则此时电机中心点电压

通过故障检测电路中的电阻R3和电阻R4采集电机中心点电压，则电阻R3和电阻R4公共点d的电压

在PWM调制关闭期间U_A=0，U_c=0，则此时U_n=0，通过故障检测电路中的电阻R3和电阻R4采集电机中心点电压，则

假设Q1有开路故障，在PWM调制开通期间，由于没有电流回路，U_A=0、U_C=0，则此时U_n=0，故U_d=0，此时的电压值与无故障正常情况下U_d的电压值不同，即在PWM调制开通期间通过U_d当前电压值与正常无故障情况下预期的电压值比较可以诊断各相上管是否有开路故障，并故障定位于Q1。假设Q2有开路故障，在PWM调制开通期间，由于Q1导通，U_A=VCC，由于无电流U_n=U_A=VCC，故

此时的电压值与无故障正常情况下U_d的电压值不同，即在PWM调制开通期间通过U_d当前电压值与无故障正常情况下U_d比较可以诊断各相下管是否有开路故障，并故障定位于Q2。

在功率场效应管Q1、Q2导通阶段，若通过所述故障检测电路及方法定位Q1有开路故障，则通过取消功率场效应管Q1的驱动信号实现对Q1故障隔离；若所述Q2有故障，则通过取消功率场效应管Q2的驱动信号实现对Q2故障隔离。

在功率场效应管Q1、Q2导通阶段，若通过所述故障检测电路及方法定位Q1有开路故障，则需要重构电机逆变器拓扑结构，Q1有故障被隔离，由Q7替代Q1工作，重构后的电路如图3，在PWM调制开通期间，电流经C2、Q7、LA、LC、F3、Q2循环，在PWM关闭期间，Q7可关闭，维持电机正常工作，逆变器拓扑重构后电路如图3，由于Q7为全控型功率场效应管，故障前后电机PWM调制控制方法不变。

在功率场效应管Q1、Q2导通阶段，若通过所述故障诊断电路及方法定位Q2有故障，则电机驱动电路逆变电路需要拓扑结构重构，Q2有故障被隔离，由Q9替代Q2，重构后的电路如图4，在PWM调制开通期间，电流经Q1、F7、LA、LC、Q9、C2循环，在PWM关闭期间，Q9可关闭，维持电机正常工作，逆变器拓扑重构后电路如图4，由于Q9为全控型功率场效应管，故障前后电机PWM调制控制方法不变。

逆变器中功率场效应管其它导通阶段，即Q2、Q3导通阶段或者Q3、Q4导通阶段或者Q4、Q5导通阶段或者Q5、Q6导通阶段或者Q6、Q1导通阶段的故障检测、故障定位和逆变器拓扑重构方法与Q1、Q2导通阶段相似。

Claims

1.一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，其特征包括以下步骤：

(1)构建一种无刷直流电机容错逆变器电路，其特征在于，包括功率场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6构成的六开关三相逆变器，电阻R3、R4构成的逆变器开路故障检测电路，功率场效应管Q7、Q8、Q9和电容C1、C2，电阻R1、R2构成的容错逆变器硬件冗余电路；

(2)采集步骤(1)所述故障检测电路中电阻R3和电阻R4公共点的电压信号，获取电机中心点电压，判断所测电机中心点电压值是否超过设定预期值，如果超出，表示所述六开关三相逆变器有开路故障并进行故障定位，进入步骤(3)，如果没有超出，表示没故障，逆变器不需拓扑重构，直接退出；

(4)根据步骤(3)被隔离的故障功率场效应管，从步骤(1)所述的Q7、Q8、Q9中选择一个功率场效应管代替步骤(3)所隔离的故障功率场效应管，实现逆变器拓扑重构。

2.根据权利要求1所述一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，步骤(1)的逆变器开路故障检测电路，其特征在于，电阻R3一端与电机中心点连接，另一端与电阻R4连接，连接点为d，电阻R4另一端与地连接。

3.根据权利要求1所述一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，步骤(1)的容错逆变器硬件冗余电路，其特征在于，电阻R1、R2分别与电容C1、C2并联，电容C1、C2串联，功率场效应管Q7、Q8、Q9一端分别与电机三相绕组中的一相连接，另一端连接到电容C1、C2串联的公共点m，电阻R1与电阻R2的阻值关系为R1=R2，电容C1和电容C2的容值关系为C1=C2。

4.根据权利要求1所述一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，步骤(1)的容错逆变器硬件冗余电路，其特征在于，Q7、Q8、Q9为全控性功率场效应管。

5.根据权利要求1所述一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，其特征在于，步骤(2)中直接以电机中心点电压值进行逆变器开路故障检测与定位。

6.根据权利要求1所述一种无刷直流电机容错逆变器的拓扑重构方法，其特征在于，步骤(3)只单独隔离有故障的功率场效应管。