双定子双凸极电机故障容错驱动系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开双定子双凸极电机故障容错驱动系统及控制方法，属于双凸极电机控制技术领域。双定子双凸极电机为共轴的两段式转子互错角度的六相双凸极电机，传统采用六桥臂十二开关管作为功率变换器，本发明专利技术在桥臂上加上额外的切换开关（K1、K2、K3、K4），出现某一桥臂开关管开路故障时，控制故障桥臂的切换开关，将故障相电机绕组与另一段电机对应的正常变换器桥臂相连，重构容错后的变换器拓扑，并切换至新型容错控制策略，实现五相桥臂容错驱动双定子双凸极电机。本发明专利技术可以在系统检测到故障后快速平滑地切换至容错运行状态，并保持电机原有的驱动性能，维持转矩平稳，实现双定子双凸极电机故障后的容错控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种双定子双凸极电机驱动系统故障容错控制的新型拓扑结构及控制方法，属于电机系统及控制领域。
技术介绍
双凸极电机是在开关磁阻电机的基础上发展出来的一种新型电机，该电机与开关磁阻电机的区别在于定子上增加了永磁体或励磁绕组，转子上同样没有绕组，由于其相对于开关磁阻电机在一个周期正负半周均能出力，所以电机单位体积的出力大大增加。加上其同样具有转子上无绕组，结构简单，适合高速运行的优点，因而受到了国内外研究者的广泛关注。双凸极电机调速系统作为一种新型交流调速系统，尚处于深化研究开发、不断完善提高的阶段，越来越多的国内外学者开始研究双凸极电机的本体优化以及相应的控制算法等，其应用领域也在不断拓宽之中，目前双凸极电机在电动汽车驱动系统，风力发电系统，航空起动/发电系统等领域均有应用，并且随着国家工业的发展，人们对电机的容量、可靠性及容错性等指标提出了更高的要求，双定子双凸极电机应运而生。相对于传统双凸极电机，采用双定子的结构，两节电机转子共轴并互错60°电角度，输出转矩相加，可以有效提高双凸极电机系统的容量和可靠性，同时减小其电动工作时的转矩脉动。由于电机驱动系统中变换器功率器件及其控制、驱动电路是最易发生故障的薄弱环节，而变换器的故障将导致电机运行的不平衡，影响驱动系统工作的性能，长期运行甚至导致电机损坏，因此电机驱动系统的故障容错能力至关重要。但是，双定子双凸极电机驱动系统目前在国内外研究较少，缺少容错控制相关的方案，尤其针对于其传统的六桥臂变换器控制，亟需一种可靠的故障容错的控制方法，在驱动特性要求较高的场合，发挥该电机具有容错能力的特点，从而拓宽其应用领域。
技术实现思路
本专利技术的目的即在双定子双凸极电机与单电源供电的六桥臂变换器拓扑构成的驱动系统的基本工作原理基础上，提出一种双定子双凸极电机驱动系统的故障容错拓扑结构。本专利技术另一目的是提供一种上述驱动系统的容错控制方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术中，双定子双凸极电机为共轴的两段式转子互错角度的六相双凸极电机，传统采用六桥臂十二开关管作为功率变换器，本专利技术在桥臂上加上额外的切换开关(K1、K2、K3、K4)，出现某一桥臂开关管开路故障时，控制故障桥臂的切换开关，将故障相电机绕组与另一段电机对应的正常变换器桥臂相连，重构容错后的变换器拓扑，并切换至新型容错控制策略，实现五相桥臂容错驱动双定子双凸极电机。本专利技术可以在系统检测到故障后快速平滑地切换至容错运行状态，并保持电机原有的驱动性能，维持转矩平稳，实现双定子双凸极电机故障后的容错控制。本专利技术提出的双定子双凸极电机驱动系统，主要包括双定子双凸极电机、六桥臂变换器、四个切换开关、直流电源、传感器和控制器，其中传感器包括6个电流传感器、6个电压传感器和1个位置传感器，双定子12/8极结构双凸极电机定子分为两段，并行放置，两个定子均具有独立的三相电枢绕组A1B1C1和A2B2C2，两段电机转子共轴并错开60°电角度，双定子双凸极电机的绕组中A1相超前A2相60°电角度，B1相超前B2相60°电角度，C1相超前C2相60°电角度。六桥臂变换器由IGBT开关管T1-T2连接构成第一桥臂，T3-T4连接构成第二桥臂，T5-T6连接构成第三桥臂，T7-T8连接构成第四桥臂，T9-T10连接构成第五桥臂，T11-T12连接构成第六桥臂，六个桥臂直流侧相互并联连接直流电源，其中第一、第二、第三桥臂构成一个六开关三相变换器，与双定子双凸极电机的第一段电机三相绕组A1B1C1相连，第四、第五、第六桥臂构成一个六开关三相变换器，与双定子双凸极电机的第二段电机三相绕组A2B2C2相连，在第一桥臂和第六桥臂输出端之间连有切换开关K1，第二桥臂和第四桥臂输出端之间连有切换开关K2，第二桥臂和第五桥臂输出端之间连有切换开关K3，第三桥臂和第六桥臂输出端之间连有切换开关K4；控制器通过传感器分别采集双凸极电机位置信号、各相绕组电流信号、各桥臂下管电压信号，输出12路控制信号，分别驱动两个六开关三相变换器，用以驱动双定子双凸极电机，通过检测各桥臂下管电压变化进行故障诊断，再根据故障诊断结果通过I/O口输出四路信号，控制四个切换开关，实现IGBT开关故障后的系统容错控制。利用上述驱动系统进行故障容错控制方法，具体步骤如下：控制器检测双定子双凸极电机的六相绕组电流和转子位置信息，并检测各桥臂下管电压的变化，判断故障所在桥臂，根据双定子双凸极电机相绕组磁链的一个变化周期定义6个状态，由控制器给出开关切换信号，正常运行时所有切换开关均关断；如果某一相桥臂一个或两个开关管出现开路故障，以及桥臂保险丝熔断故障均视为该桥臂开路故障，封锁该故障相桥臂驱动信号，其余五个桥臂及切换开关K1-K4的控制过程如下：1)第一桥臂开路故障时，开通K1，以第六桥臂为公共桥臂；状态1开通T6、T10、T11；状态2开通T6、T7；状态3开通T3、T7、T12；状态4开通T3、T8、T9、T12；状态5开通T4、T5、T8、T9；状态6开通T4、T5、T10、T11；2)第二桥臂开路故障时，可开通K2或K3，若开通K2，则以第四桥臂为公共桥臂，状态1开通T1、T6、T10、T11；状态2开通T1、T6、T7、T12；状态3开通T2、T7、T12；状态4开通T2、T9；状态5开通T5、T8、T9；状态6开通T5、T8、T10、T11；若开通K3，则以第五桥臂为公共桥臂，状态1开通T1、T6、T10、T11；状态2开通T1、T6、T7、T12；状态3开通T2、T7、T9、T12；状态4开通T2、T8、T9；状态5开通T5、T8；状态6开通T5、T10、T11；3)第三桥臂开路故障时，开通K4，以第六桥臂为公共桥臂；状态1开通T1、T10；状态2开通T1、T7、T12；状态3开通T2、T3、T7、T12；状态4开通T2、T3、T8、T9；状态5开通T4、T8、T9、T11；状态6开通T4、T10、T11；4)第四桥臂开路故障时，开通K2，以第二桥臂为公共桥臂；状态1开通T1、T6、T10、T11；状态2开通T1、T3、T6、T12；状态3开通T2、T3、T12；状态4开通T2、T9；状态5开通T4、T5、T9；状态6开通T4、T5、T10、T11；5)第五桥臂开路故障时，开通K3，以第二桥臂为公共桥臂；状态1开通T1、T4、T6、T11；状态2开通T1、T6、T7、T12；状态3开通T2、T3、T7、T12；状态4开通T2、T3、T8；状态5开通T5、T8；状态6开通T4、T5、T11；6)第六桥臂开路故障时，可开通K1或K4，若开通K1，则以第一桥臂为公共桥臂，状态1开通T1、T6、T10；状态2开通T6、T7；状态3开通T2、T3、T7；状态4开通T2、T3、T8、T9；状态5开通T4、T5、T8、T9；状态6开通T1、T4、T5、T10。；若开通K4，则以第三桥臂为公共桥臂，状态1开通T1、T10；状态2开通T1、T6、T7；状态3开通T2、T3、T6、T7；状态4开通T2、T3、T8、T9；状态5开通T4、T5、T8、T9；状态6开通T4、T5、T10；以上各状态下只开通相应的开关管，进行电流滞环控制，其余开关管均关断。本专利技术与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双定子双凸极电机故障容错驱动系统，主要包括双定子双凸极电机、六桥臂变换器、直流电源、传感器和控制器，其特征在于：还包括四个切换开关，所述双定子双凸极电机采用双定子12/8极结构，电机定子分为两段且并行放置，两段电机定子分别具有独立的三相电枢绕组A1B1C1和A2B2C2，两段电机转子共轴并错开60°电角度；六桥臂变换器的六个桥臂直流侧相互并联连接直流电源，其中第一、第二、第三桥臂构成一个六开关三相变换器，与双定子双凸极电机的第一段电机三相绕组A1B1C1相连，第四、第五、第六桥臂构成一个六开关三相变换器，与双定子双凸极电机的第二段电机三相绕组A2B2C2相连，在第一桥臂和第六桥臂输出端之间连有切换开关K1，第二桥臂和第四桥臂输出端之间连有切换开关K2，第二桥臂和第五桥臂输出端之间连有切换开关K3，第三桥臂和第六桥臂输出端之间连有切换开关K4；控制器通过传感器分别采集双定子双凸极电机位置信号、各相绕组电流信号、六桥臂变换器各桥臂下管电压信号，输出控制信号，通过驱动两个六开关三相变换器来驱动双定子双凸极电机，并通过检测各桥臂下管电压变化进行故障诊断，再根据故障诊断结果通过I/O口输出四路信号，分别控制四个切换开关，实现IGBT开关管故障的容错控制。...

【技术特征摘要】
1.一种双定子双凸极电机故障容错驱动系统，主要包括双定子双凸极电机、六桥臂变换器、直流电源、传感器和控制器，其特征在于：还包括四个切换开关，所述双定子双凸极电机采用双定子12/8极结构，电机定子分为两段且并行放置，两段电机定子分别具有独立的三相电枢绕组A1B1C1和A2B2C2，两段电机转子共轴并错开60°电角度；六桥臂变换器的六个桥臂直流侧相互并联连接直流电源，其中第一、第二、第三桥臂构成一个六开关三相变换器，与双定子双凸极电机的第一段电机三相绕组A1B1C1相连，第四、第五、第六桥臂构成一个六开关三相变换器，与双定子双凸极电机的第二段电机三相绕组A2B2C2相连，在第一桥臂和第六桥臂输出端之间连有切换开关K1，第二桥臂和第四桥臂输出端之间连有切换开关K2，第二桥臂和第五桥臂输出端之间连有切换开关K3，第三桥臂和第六桥臂输出端之间连有切换开关K4；控制器通过传感器分别采集双定子双凸极电机位置信号、各相绕组电流信号、六桥臂变换器各桥臂下管电压信号，输出控制信号，通过驱动两个六开关三相变换器来驱动双定子双凸极电机，并通过检测各桥臂下管电压变化进行故障诊断，再根据故障诊断结果通过I/O口输出四路信号，分别控制四个切换开关，实现IGBT开关管故障的容错控制。2.根据权利要求1所述双定子双凸极电机故障容错驱动系统，其特征在于：双定子双凸极电机的绕组中，A1相超前A2相60°电角度，B1相超前 B2相60°电角度，C1相超前 C2相60°电角度。3.根据权利要求2所述双定子双凸极电机故障容错驱动系统，其特征在于：所述六桥臂变换器由IGBT开关管T1-T2连接构成第一桥臂，T3-T4连接构成第二桥臂，T5-T6连接构成第三桥臂，T7-T8连接构成第四桥臂，T9-T10连接构成第五桥臂，T11-T12连接构成第六桥臂。4.根据权利要求1所述双定子双凸极电机故障容错驱动系统，其特征在于：六桥臂变换器的六个桥臂分别安装保险丝，短路故障时熔断保险丝，此时桥臂的短路故障也可转化为桥臂开路故障。5.采用权利要求1-4任一所述驱动系统进行故障容错控制方法，其特征在于：包括以下步骤：控制器检测双定子双凸极电机的六相绕组电流和转子位置信息，并检测各桥臂下管电压的变化，判断故障所在桥臂，根据双定子双凸极电机相绕组磁链的一个变化周期定义6个状态，由控制器给出开关切换信号，正常运行时所有切换开关均关断； 如果某一相桥臂一个或两个开关管出现开路故障，以及桥臂保险丝熔断故障均视为该桥臂开路故障，封锁该故障相桥臂驱动信号，其余五个桥臂及切换开关K1-K4的控制过程如下：1）第一桥臂开路故障时，开通K1，以第六桥臂为公共桥臂；状态1开通T6、T10、T11；状态2开通T6、T7；状态3开通T3、T7、T12；状态4开通T3、T8、T9、T12；状态5开通T4、T5、T8、T9；状态6开通T4、T5、T10、T11；2）第二桥臂开路故障时，可开通K2或K3，若开通K2，则以第四桥臂为公共桥臂，状态1开通T1、T6、T10、T11；状态2开通T1、T6、T7、T12；状态3开通T2、T7、T12；状态4开通T2、T9；状态5开通T5、T8、T9；状态6开通T5、T8、T10、T11；若开通K3，则以第五桥臂为公共桥臂，状态1开通T1、T6、T10、T11；状态2开通T1、T6、T7、T12；状态3开通T2、T7、T9、T12；状态4开通T2、T8、T9；状态5开通T5、T8；状态6开通T5、T10、T11；3）第三桥臂开路故...

【专利技术属性】
技术研发人员：张陶晶，魏佳丹，周波，史立伟，
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