CN116846290A - 一种基于三相四桥臂逆变器的双凸极磁阻电机容错控制方法 - Google Patents
一种基于三相四桥臂逆变器的双凸极磁阻电机容错控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于三相四桥臂逆变器的双凸极磁阻电机容错控制方法，主要涉及了双凸极磁阻电机控制领域，该方法可实现逆变器开关发生开路故障时的容错控制。控制系统主要包括双凸极磁阻电机、逆变器、直流电源和传感器。其中逆变器采用的三相四桥臂逆变器拓扑，该拓扑结构相较于开绕组逆变器拓扑所需开关器件更少，减小了开关损耗，降低了成本。而四桥臂逆变器功率开关在长久使用或者特殊场合使用情况下易发生开路故障，导致输出效率大大降低，甚至对电机造成损害。为了应对这种情况，本发明提出的容错控制方法可应对在功率开关器件发生开路故障时，在线切换电机的控制模式，实现带直流偏置的矢量控制、正极性电流斩波控制、负极性电流斩波控制和传统的矢量控制四种控制模式的切换，使逆变器发生开路故障时保持电机平稳运行。本发明提高了双凸极磁阻电机在航空航天、汽车等重要场合下的可靠性。
Description
技术领域
本发明基于双凸极磁阻电机控制领域，特别涉及了一种基于三相四桥臂逆变器的双凸极磁阻电机容错控制方法。
背景技术
相比于传统的感应电机和永磁同步电机，双凸极磁阻电机有着结构简单可靠，调速范围广，成本低等优点。由于控制电路中元器件的长久使用会出现老化的问题，电机就会因器件发生故障出现电机失控的现象。双凸极磁阻电机控制系统中最容易出现故障的就是逆变器拓扑当中的功率开关器件，功率开关器件发生故障时，会出现母线电流过大、缺相、开关顺序紊乱、电流发生畸变等现象，这会对电机控制系统造成破环。
近年来，电机的容错控制受到了越来越多的关注，当电机逆变器的某个功率开关器件或某一个桥臂发生开路故障时，会使电机输出效率大大降低，可能会导致电机相电流失衡，甚至损坏电机。对于电机的逆变器拓扑，三相四桥臂逆变器拓扑具有开关器件少、控制灵活的优点，因此，在基于三相四桥臂逆变器拓扑上实现双凸极磁阻电机的容错控制是非常必要的。
发明内容
本发明研究的目的是在于解决双凸极磁阻电机在逆变器出现单个开关器件或者单个桥臂发生开路时，基于逆变器拓扑和电机控制相互配合作用下，实现开路故障时的容错控制，保证电机在开路故障时能实现平稳过渡，确保电机的正常运行。
本发明的技术方案如下：首先提出了一种双凸极磁阻电机发生开路故障时的容错控制方法，其中控制系统主要由双凸极磁阻电机、直流电源和四桥臂逆变器构成。对于双凸极磁阻电机，三相四桥臂逆变器拓扑在不改变硬件的前提下，可实现带直流偏置的矢量控制、正极性电流斩波控制、负极性电流斩波控制和传统的矢量控制。
1、在电机正常运行下，四桥臂逆变器当中第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂都参与电机的控制，不同于传统的三桥臂两电平逆变器电压矢量状态只有8种，其开关状态矢量的选取和作用时间的计算较为简单，而对于四桥臂两电平逆变器，由于增加了一个桥臂，电压状态基本矢量有16种，这16个空间矢量在αβγ坐标系下构成了一个六棱柱，该六棱柱由6个三棱柱构成，每个三棱柱又可分为4个四面体，由此实现空间矢量脉宽调制(SVPWM)。在此控制模式下三相电流中包含有正弦交流分量和直流偏置分量。
2、当前三个桥臂下开关管发生开路故障时，可将控制方式切换为正极性电流斩波控制。在此控制模式下，只需要前三个桥臂的上开关管和第四个桥臂的下开关管参与工作，其它开关管保持断开状态。
3、当前三个桥臂上开关管发生开路故障时，可将控制方式切换为负极性电流斩波控制。在此控制模式下，只需要前三个桥臂的下开关管和第四个桥臂的上开关管参与工作，其它开关管保持断开状态。
4、当第四个桥臂某个开关管发生开路或整个桥臂发生开路时，可将控制模式切换为传统的矢量控制。在该控制模式下可以通过坐标变换、电流和转速的闭环控制等过程对电流进行精确的调控，由于第四个桥臂不参与电机控制，逆变器无法提供零序电流所需的零序通道，因此该控制模式下三相电流中不存在直流偏置分量。
有益效果：
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明提出了一种在线切换不同控制模式下的双凸极磁阻电机的控制，主要可以应用于双凸极磁阻电机的容错控制。具体表现为当该电机的四桥臂逆变器发生开关器件的开路故障时，可以通过软件在线实现不同模式的平滑切换，这样可以确保电机发生开路故障时能正常运行，避免电机失控。而双凸极磁阻电机多应用于航空航天、电动汽车等重要场合，本发明提高该电机在这些场合的可靠性，对于双凸极磁阻电机应对于不同场合的稳定运行有着重要意义。
附图说明
图1为本发明所述的基于三相四桥臂逆变器的双凸极磁阻电机的控制系统结构示意图；
图2为本发明所述的双凸极磁阻电机示意图；
图3为本发明所述的三相四桥臂逆变器拓扑结构示意图；
图4为本发明所述的带直流偏置的矢量控制模式下的三相电流示意图；
图5为本发明所述的正极性电流斩波控制模式下的三相电流示意图；
图6为本发明所述的负极性电流斩波控制模式下的三相电流示意图；
图7为本发明所述的传统的矢量控制模式下的三相电流波形示意图；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
本发明基于一种三相四桥臂逆变器拓扑，公开了一种双凸极磁阻电机的容错控制，参考图1，该控制系统主要由双凸极磁阻电机、三相四桥臂逆变器、SVPWM模块、PI控制器模块、坐标变换模块、位置检测模块和电流检测模块构成。本发明是基于一台12/10的双凸极磁阻电机来进行的，三相四桥臂逆变器主要由1个直流电源、8个IGBT和8个续流二极管构成。位置检测模块主要用来确定电机转子位置，电流检测模块主要用来测量电机的三相电流，而SVPWM模块、PI控制器模块和坐标变换模块通过软件程序来实现。
对于本发明所使用的双凸极磁阻电机，参考图2，本发明所采用的是一台12/10双凸极磁阻电机，其中定子采用12个凸极齿，转子采用10个凸极齿，定子和转子均为双凸极结构，且转子上无永磁体和线圈。该电机结构简单、鲁棒性好，散热方便。
参考图3，三相四桥臂逆变器结构较为简单，其中正极输入端和负极输出端用于连接直流电源，逆变器的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂连接在正负极之间，从前三个桥臂中点引出的A、B、C三相绕组采用星形连接，第四桥臂的中点与三相绕组星形连接的中性点相连接，而每个桥臂都由上、下两个开关管及两个续流二极管构成。
该电机正常运行时采用带直流偏置的矢量控制模式，本发明采用空间型SVPWM控制来实现电机的矢量控制，具体运行过程为：三相四桥臂逆变器的空间矢量在αβγ坐标系下构成了一个由六个三棱柱构成的六棱柱，首先需要判断参考电压所在的三棱柱；然后判断参考电压所在四面体，确定合成参考电压所需的基本矢量；最后计算每个基本矢量作用时间，进而计算出每相桥臂的作用时间和占空比。经过空间矢量脉宽调制后，将固定占空比的开关信号给到8个IGBT，从而得到所需的输出电压，驱动电机正常运行。带直流偏置的矢量控制模式下的相电流主要由两个部分构成，正弦交流量和直流偏置量，其中交流量用来产生有效的电磁转矩，直流量用以产生励磁磁场，为了能得到更好的输出性能，其中交流量幅值设置为直流量的1.414倍。
图4为带直流偏置的矢量控制模式下的三相电流波形示意图。
参考图3，将三相四桥臂逆变器分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个部分。当部分Ⅱ数量中任意开关发生开路故障时，可利用开关V1、V3、V5和V8来实现正极性斩波控制，具体工作原理为：以A相斩波为例，其斩波过程分为增磁、续流、退磁三个过程，在增磁模式下，上下两个开关管V1和V8都开通，此时电机定子绕组相电压为Us，绕组中电流正向上升；在零电压续流模式下，上管V1关断而下管V8开通，开关管V8和二极管VD2构成回路，此时电机定子绕组相电压为0，绕组中电流在回路中续流并逐渐下降；在退磁模式下，上下两个开关管V1和V8均关断，此时电机定子绕组相电压为-Us，绕组中电流经二极管VD2和VD7流回电源。
图5为本发明所述的正极性电流斩波控制模式下的三相电流示意图。
参考图3，当部分Ⅰ数量中任意开关发生开路故障时，可利用开关V2、V4、V6和V7来实现负极性斩波控制，具体工作原理为：同样以A相斩波为例，在增磁模式下，上下两个开关管V2和V7都开通，此时电机定子绕组相电压为-Us，绕组中电流反向上升；在零电压续流模式下，上管V7关断而下管V2开通，开关管V2和二极管VD8构成回路，此时电机定子绕组相电压为0，绕组中电流在回路中续流并逐渐下降；在退磁模式下，上下两个开关管V2和V7均关断，此时电机定子绕组相电压为Us，绕组中电流经二极管VD1和VD8流回电源。
图6为本发明所述的负极性电流斩波控制模式下的三相电流示意图。
参考图3，当部分Ⅲ中任意数量开关发生开路故障时，此时可将控制模式调整为传统的矢量控制模式。该控制模式下，只有逆变器前三个桥臂参与电压矢量的合成。在此控制策略下，交轴电流iq用来产生有效的电磁转矩，而直轴电流id用来提供所需的励磁磁场，这样可以在只使用6个IGBT的情况下实现对电机的有效控制。
图7为本发明所述的传统的矢量控制模式下的三相电流波形示意图。
对于传统的矢量控制模式下的电机控制，其控制过程相对简单，相比于电流斩波控制，具有电机运行噪音小，控制平稳的优点，而相比于带直流偏置的矢量控制，由于电机控制时励磁磁场依赖于直轴电流id的变化，其输出性能不如带直流偏置的矢量控制模式。
基于三相四桥臂逆变器以及双凸极磁阻电机控制的灵活性，本发明所提出的一种基于三相四桥臂逆变器的双凸极磁阻电机容错控制方法，通过切换逆变器功率开关的开断，实现了不同控制模式的切换，实现了开路故障下的容错控制，这对保证该电机在某些要求高容错控制的场合提供了技术上的支持。
上述具体的实施例对本发明的原理和实施方式做了详细说明，但本发明并不限于上述特定的实施例，本领域内技术人员可在其知识范围内，依据本发明的思想，在具体的实施方式上做出相应的改变。
Claims (5)
1.一种基于三相四桥臂逆变器的双凸极磁阻电机容错控制方法，针对双凸极磁阻电机，通过三相四桥臂逆变器控制系统实现一种容错控制方法。其中三相四桥臂逆变器拓扑包括四个桥臂，每个桥臂有两个功率开关和两个续流二极管，分别为V1～V8和VD1～VD8，而电机绕组包括A、B、C三相，并采用星形连接方式，在其中性点处连接第四个桥臂。该控制系统控制灵活，能通过开关器件的开通与关断实现不同的控制模式，这就可以应对逆变器中开关器件发生开路时通过模式切换来保障电机的正常运行。
2.根据权利要求1所述的三相四桥臂逆变器容错控制，其特征在于，当电机正常运行时，采用带直流偏置的矢量控制模式，此时逆变器四个桥臂都参与电机的控制，前三个桥臂采用星形连接的方式，将第四个桥臂接到中性点上，为零序电流提供了所需的零序通道，实现对电机的有效控制。
3.根据权利要求1所述的三相四桥臂逆变器容错控制，其特征在于，当逆变器中前三个桥臂下开关管任意数量的IGBT发生开路故障时，可将控制模式切换为正极性电流斩波控制，即利用前三个桥臂的上开关管V1、V3、V5和第四个桥臂的下开关管V8以及各自的续流二极管可实现正极性电流斩波控制。
4.根据权利要求1所述的三相四桥臂逆变器容错控制，其特征在于，当逆变器中前三个桥臂上开关管任意数量的IGBT发生开路故障时，可将控制模式切换为负极性电流斩波控制，即利用前三个桥臂的下开关管V2、V4、V6和第四个桥臂的上开关管V7以及各自的续流二极管可实现负极性电流斩波控制。
5.根据权利要求1所述的三相四桥臂逆变器容错控制，其特征在于，当逆变器第四个桥臂开关器件V7、V8发生开路故障时，由于电机控制的零序电流所需的通道被破坏，此时可用前三个桥臂实现传统的矢量控制，在该控制模式下，电机的三相电流经过坐标变换为交轴电流和直轴电流，交轴电流用于产生有效的电磁转矩，直轴电流用于产生所需的励磁磁场，并通过PI控制器对其进行精确的调控，可在逆变器第四桥臂发生开路故障时保证电机的正常运行。
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| CN202310827135.4A CN116846290A (zh) | 2023-07-07 | 2023-07-07 | 一种基于三相四桥臂逆变器的双凸极磁阻电机容错控制方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN119051531A (zh) * | 2024-09-12 | 2024-11-29 | 淄博京科电气有限公司 | 一种四线开关磁阻电机控制系统 |
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2023
- 2023-07-07 CN CN202310827135.4A patent/CN116846290A/zh active Pending
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