一种电励磁双凸极电机开路故障容错驱动系统
阅读说明：本技术 一种电励磁双凸极电机开路故障容错驱动系统 (Open-circuit fault-tolerant driving system of electro-magnetic doubly salient motor ) 是由 赵佳琪 周波 王开淼 徐旸 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电励磁双凸极电机开路故障容错驱动系统,涉及电励磁双凸极电机领域,该系统将电励磁双凸极电机的三相绕组以开绕组形式连接在四桥臂变换器驱动电路上、励磁绕组连接在不对称半桥变换器上,控制器结合位置信息和电感曲线变化规律、控制四桥臂变换器驱动电路中的开关管的导通和关断调整三相绕组的相电流的方向,不仅能驱动电励磁双凸极电机工作在正常运行模式下,且在发电运行时可以做到各相独立控制,而且不增加双向开关管与分裂电容,仅靠四桥臂变换器驱动电路就可以实现三相DSEM驱动系统任意单管故障、单桥臂故障与单相故障下的容错运行,不增加额外的器件成本,且保持控制系统体积较小,提高了系统运行可靠性。(The invention discloses an open-circuit fault-tolerant driving system of an electro-magnetic doubly salient motor, which relates to the field of the electro-magnetic doubly salient motor, and is characterized in that a three-phase winding of the electro-magnetic doubly salient motor is connected on a four-bridge arm converter driving circuit in an open winding mode, an excitation winding is connected on an asymmetric half-bridge converter, a controller controls the on and off of a switching tube in the four-bridge arm converter driving circuit to adjust the direction of phase current of the three-phase winding by combining position information and an inductance curve change rule, so that the electro-magnetic doubly salient motor can be driven to work in a normal operation mode, each phase can be independently controlled during power generation operation, a bidirectional switching tube and a split capacitor are not increased, and fault-tolerant operation of any single tube fault, single bridge arm fault and single phase fault of the three-phase DSEM driving system can be realized only by the four-bridge arm converter driving circuit, the cost of extra devices is not increased, the volume of the control system is kept small, and the operation reliability of the system is improved.)
技术领域
本发明涉及电励磁双凸极电机领域，尤其是一种电励磁双凸极电机开路故障容错驱动系统。
背景技术
电励磁双凸极电机(DSEM)具有结构简单、励磁可调、容错性能好等优点，是一种新型的无刷直流电机。DSEM驱动系统中变换器是其易发生故障的薄弱环节，本体绕组也可能出现绝缘磨损等机械故障或电气故障，严重时可能造成电机停转。功率器件与绕组的故障主要分为开路故障与短路故障，其中短路故障可能导致变换器桥臂直通、母线或相电流过大，进而烧毁系统部件。通常及时通过熔断器过流保护将该类故障转化为开路故障来处理，因此功率变换器的开路故障是研究的热点。在一些对可靠性要求较高的场合，需要维持电机平稳运行，因此研究DSEM的容错控制具有重要意义，故而目前针对电励磁双凸极电机的容错技术主要集中在电机的失磁故障与电机驱动变换器开路故障容错，主要有以下一些容错技术研究：
失磁故障容错方面，专利号为CN104579067B的中国发明专利(电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统及其控制方法)发明了一种利用三相四桥臂变换器实现失磁发电的方法，将三相绕组的公共点连接到第四桥臂的中点，通过该容错变换器给每相交替通入正向或负向的相电流，实现绕组先励磁后发电的功能。但这种做法中第四桥臂开关管的开关次数是前三个桥臂的三倍，功率器件一旦故障便导致系统发电功率大大减小。专利号为CN109450340A的发明专利(电励磁双凸极电机失磁故障容错发电系统及其控制方法)：提出使用12个功率器件组成的H桥变换器来实现三相独立控制，实现失磁发电，发电效率高，但缺点是功率器件较多、成本较大。
驱动变换器开路故障容错方面，发表于《中国电机工程学报》2008年8月刊28卷24期的《双凸极电机全桥变换器单相开路故障容错方案》在三相全桥变换器基础上，加了三个双向开关管与分裂电容桥臂，故障后重构成四管三相变换器拓扑，并切换到容错控制，维持系统的输出特性。该拓扑增加了器件，增大了控制器体积，系统可靠性降低。专利号为CN105958892B的中国发明专利(四相电励磁双凸极电机变换器容错拓扑结构及容错方法)提出了一种四相电励磁双凸极电机容错型功率变换器拓扑，增加了两个双向开关管，在变换器发生单相开路故障后导通双向开关管，采用容错控制策略，使变换器仍能输出四相相位相差90°的梯形波电流并通入电机各相，电机仍有四相出力，不受开路故障的影响，但改拓扑对于双管及以上开路故障类型的容错型较差。专利号为CN109245660B的中国发明专利(一种四相电励磁双凸极电机容错驱动系统及其动态模型建立方法)采用带有两个双向晶闸管的四相全桥变换器，且带有分裂电容，来实现双管及双相开路故障容错，加了分裂电容后，容错系统体积变大，且故障下同样需要降额运行。
由此可见，目前的针对电励磁双凸极电机的容错技术的研究中针对三相电机的变换器及绕组开路故障容错方案较少，而且这些现有技术大都需要增加多余器件，对电路改变较大，而且增加了电路的复杂性、可靠性较低。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种电励磁双凸极电机开路故障容错驱动系统，本发明的技术方案如下：
一种电励磁双凸极电机开路故障容错驱动系统，在该系统中：主功率电源为四桥臂变换器驱动电路的母线提供电压，电励磁双凸极电机的三相绕组以开绕组形式连接在四桥臂变换器驱动电路上；励磁电源通过不对称半桥变换器连接在电励磁双凸极电机的励磁绕组的两端；负载侧储能电容与负载并联；电流传感器检测电励磁双凸极电机的三相绕组的相电流并将信号传送给控制器，位置传感器检测位置信息并将信号传送给控制器；
当控制器通过三相绕组的相电流未检测到电励磁双凸极电机存在开路故障时，结合位置信息和电感曲线变化规律、控制四桥臂变换器驱动电路中的开关管的导通和关断调整三相绕组的相电流的方向，使得电周期的每个扇区下工作的两个相绕组产生大小相同、方向相反的磁阻转矩以及均为正的励磁转矩，驱动电励磁双凸极电机工作在正常运行模式下；
当控制器通过三相绕组的相电流检测到电励磁双凸极电机存在开路故障时，结合位置信息和电感曲线变化规律、按照开路故障对应的容错控制方式控制四桥臂变换器驱动电路中的开关管的导通和关断调整三相绕组的相电流的方向，使得电周期的每个扇区下工作的相绕组产生的总转矩输出为正，驱动电励磁双凸极电机工作在容错运行模式下。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种电励磁双凸极电机开路故障容错驱动系统，该系统将电励磁双凸极电机的三相绕组以开绕组形式连接在四桥臂变换器驱动电路上、励磁绕组连接在不对称半桥变换器上，控制器结合位置信息和电感曲线变化规律、控制四桥臂变换器驱动电路中的开关管的导通和关断调整三相绕组的相电流的方向，不仅能驱动电励磁双凸极电机工作在正常运行模式下，且在发电运行时可以做到各相独立控制，而且不增加双向开关管与分裂电容，仅靠四桥臂变换器驱动电路就可以实现三相DSEM驱动系统任意单管故障(单桥臂故障)与单相故障下的容错运行，不增加额外的器件成本，且保持控制系统体积较小，提高了系统运行可靠性。适用于电感曲线变化类似的12/8极三相DSEM、18/12极三相DSEM等电动机系统。
附图说明
图1是本申请的电励磁双凸极电机开路故障容错驱动系统的电路结构图。
图2是电励磁双凸极电机在一个电周期内的电感曲线变化规律与相电流、正常运行模式下的各个开关管的导通逻辑之间的对应示意图。
图3是一个仿真实例中第二桥臂开路故障容错下的三相电流仿真波形图。
图4是一个仿真实例中第二桥臂开路故障容错下的转矩仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种电励磁双凸极电机开路故障容错驱动系统，在该系统中，请参考图1所示的电路图，主功率电源Udc为四桥臂变换器驱动电路的母线提供电压，电励磁双凸极电机(DSEM)的三相绕组以开绕组形式连接在四桥臂变换器驱动电路上。励磁电源Uf通过不对称半桥变换器连接在DSEM的励磁绕组的两端。负载侧储能电容与负载并联，起稳压滤波作用。电流传感器检测电励磁双凸极电机的三相绕组的相电流并将信号传送给控制器，位置传感器检测位置信息并将信号传送给控制器。其中控制器主要由DSP与CPLD逻辑综合电路组成，位置传感器可以采用光电编码器实现。
如图1所示，在本申请中，四桥臂变换器驱动电路的第一桥臂包括上桥臂开关管T1和下桥臂开关管T2，第二桥臂包括上桥臂开关管T3和下桥臂开关管T4，第三桥臂包括上桥臂开关管T5和下桥臂开关管T6，第三桥臂包括上桥臂开关管T7和下桥臂开关管T8。
电励磁双凸极电机的A相绕组的两端出线端分别连接第一桥臂和第二桥臂的中间点，B相绕组的两端出线端分别连接第二桥臂和第三桥臂的中间点，C相绕组的两端出线端分别连接第三桥臂和第四桥臂的中间点。且A相绕组与B相绕组的同名端相连，B相绕组与C相绕组的同名端相连，本申请以电流从绕组的同名端流入为正方向。
请结合图2所示的电励磁双凸极电机在一个电周期内的电感曲线变化规律与相电流、正常运行模式下的各个开关管的导通逻辑之间的对应示意图，在图1的拓扑结构中，A相绕组、B相绕组和C相绕组的相位依次相差120°电角度，A相超前B相120°电角度，B相超前C相120°电角度，任意时刻三相绕组的自感与励磁互感值均在变化中，电感曲线变化规律指示任意时刻三相绕组的自感与励磁互感值的变化规律，根据电感曲线变化规律可以将一个电周期划分为三个扇区：
(1)在电角度[0°，120°]区间的第一扇区内(Sector1)，A相绕组的自感La与励磁互感值Laf上升，B相绕组的自感Lb与励磁互感值Lbf保持不变，C相绕组的自感Lc与励磁互感值Lcf下降。
(2)在电角度(120°，240°]区间的第二扇区内(Sector2)，A相绕组的自感La与励磁互感值Laf下降，B相绕组的自感Lb与励磁互感值Lbf上升，C相绕组的自感Lc与励磁互感值Lcf保持不变。
在电角度(240°，360°]区间的第三扇区内(Sector3)，此时A相绕组的自感La与励磁互感值Laf保持不变，B相绕组的自感Lb与励磁互感值Lbf下降，C相绕组的自感Lc与励磁互感值Lcf上升。
由此可见，任意的p相绕组的自感和励磁互感值的变化趋势类似，而且在任意一个扇区内，p相绕组的励磁互感值的变化率的绝对值大于自感的变化率的绝对值，p相绕组表示A相绕组、B相绕组、C相绕组中的任意一相绕组。
电励磁双凸极电机的任意的p相绕组产生的输出转矩Tp为：
ip是p相绕组的相电流且可为正也可为负，if是励磁电流，Lp是p相绕组的自感，Lpf是p相绕组的励磁互感值，θ是转子位置角。Tpr是p相绕组产生的磁阻转矩且与p相绕组的自感的变化规律相关而与ip的正负无关，可为正、可为负、可为0，由此Tpr可为正、可为负、可为0。Tpe是p相绕组产生的励磁转矩且与p相绕组的励磁互感值的变化规律和ip的正负均相关，可为正、可为负、可为0，由此Tpe可为正、可为负、可为0。
由此可见，根据电感曲线变化规律控制三相绕组的相电流的方向可以调整每相绕组产生的输出转矩，从而可以调整每个扇区下的总转矩输出，基于这一原理，本申请可以结合电感曲线变化规律调整开关管的导通策略以实现驱动，具体的，首先设置控制器驱动电励磁双凸极电机工作在正常运行模式下，然后通过三相绕组的相电流利用故障检测方法检测电励磁双凸极电机是否存在开路故障，若检测结果若正常、无开路故障，则继续在正常运行模式下运行；若检测到存在开路故障，则切换到开路故障对应的容错运行模式下。其中，故障检测方法可以采用现有的方法实现，本申请不再展开赘述，不同的开路故障包括故障类型不同和/或故障位置不同，故障类型包括开关管发生开路故障或相绕组发生开路故障，故障位置包括发生开路故障的开关管所在的桥臂或发生开路故障的相绕组的连接位置。
本申请对正常运行模式和不同开路故障对应的容错运行模式的具体驱动方式分别介绍如下：
一、正常运行模式
当控制器通过三相绕组的相电流未检测到电励磁双凸极电机存在开路故障时，结合位置信息和电感曲线变化规律、控制四桥臂变换器驱动电路中的开关管的导通和关断调整三相绕组的相电流的方向，使得电周期的每个扇区下工作的两个相绕组产生大小相同、方向相反的磁阻转矩以及均为正的励磁转矩，驱动电励磁双凸极电机工作在正常运行模式下。
基于图1所示的拓扑结构和图2所示的电感曲线变化规律，具体的：
(1)当根据位置信息确定处于第一扇区内时，控制器控制开关管T1、T7、T4导通斩波，其余开关管保持关断。使得A相绕组通入正向的相电流、B相绕组通入正向的相电流、C相绕组通入负向的相电流。A相绕组和C相绕组均产生正的励磁转矩、B相绕组未产生输出转矩。
(2)当根据位置信息确定处于第二扇区内时，控制器控制开关管T5、T2导通斩波，其余开关管保持关断。使得A相绕组通入负向的相电流、B相绕组通入正向的相电流，A、B相绕组均产生正的励磁转矩。
(3)当根据位置信息确定处于第三扇区内时，控制器控制开关管T3、T8导通斩波，其余开关管保持关断。使得B相绕组通入负向的相电流、C相绕组通入正向的相电流，B、C相绕组均产生正的励磁转矩。
二、容错运行模式
当控制器通过三相绕组的相电流检测到电励磁双凸极电机存在开路故障时，结合位置信息和电感曲线变化规律、按照开路故障对应的容错控制方式控制四桥臂变换器驱动电路中的开关管的导通和关断调整三相绕组的相电流的方向，使得电周期的每个扇区下工作的相绕组产生的总转矩输出为正，驱动电励磁双凸极电机工作在容错运行模式下。
本申请对电励磁双凸极电机出现的开路故障主要分为五类，分别为第一开路故障、第二开路故障、第三开路故障、第四开路故障和第五开路故障。其中，第一开路故障为第一桥臂上的至少一个开关管发生开路故障或者A相绕组发生开路故障。第二开路故障为第二桥臂上的至少一个开关管发生开路故障。第三开路故障为第三桥臂上的至少一个开关管发生开路故障。第四开路故障为第四桥臂上的至少一个开关管发生开路故障或者C相绕组发生开路故障。第五开路故障为B相绕组发生开路故障。一个桥臂上的至少一个开关管表示该桥臂的上桥臂开关管和下桥臂开关管存在单管开路故障或均存在开路故障。
本申请对上述五类开路故障先分成两组分别介绍：
1、当控制器按照第一开路故障对应的容错控制方式，或者，第四开路故障对应的容错控制方式，或者，第五开路故障对应的容错控制方式控制四桥臂变换器驱动电路中的开关管的导通和关断时，电周期的每个扇区下仅有对应的一个相绕组工作且产生的总转矩输出为工作的相绕组的输出转矩。本申请对这三类开路故障分别介绍如下：
1.1、当电励磁双凸极电机存在第一开路故障时，在封锁第一桥臂上的开关管的控制信号的基础上，也即始终保持第一桥臂上的T1和T2处于关断状态，按照第一开路故障对应的容错控制方式控制，包括：
(1)当根据位置信息确定处于第一扇区内时，控制开关管T7、T6导通斩波，其余开关管保持关断，使得B相绕组通入正向的相电流、C相绕组通入负向的相电流。B相绕组的自感与励磁互感值的变化率为0、不产生输出转矩，C相绕组的自感与励磁互感值的变化率均为负，产生正向的励磁转矩和负向的磁阻转矩，且由于C相绕组的励磁互感值的变化率的绝对值大于自感的变化率的绝对值，使得仅有C相绕组工作且总转矩输出|Tce|-|Tcr|为正。
(2)当根据位置信息确定处于第二扇区内时，控制开关管T5、T4导通斩波，其余开关管保持关断，使得仅有B相绕组通入正向的相电流。B相绕组的自感与励磁互感值的变化率均为正，产生正向的励磁转矩和正向的磁阻转矩，使得仅有B相绕组工作且总转矩输出|Tbe|+|Tbr|为正。
(3)当根据位置信息确定处于第三扇区内时，控制开关管T5、T8导通斩波，其余开关管保持关断，使得仅有C相绕组通入正向的相电流。C相绕组的自感与励磁互感值的变化率均为正，产生正向的励磁转矩和正向的磁阻转矩，使得仅有C相绕组工作且总转矩输出|Tce|+|Tcr|为正。
需要说明的是，如上所述，Tpr和Tpe分别可为正、可为负、可为0，因此实际进行求和运算即可，本申请为了更清楚的表明其正负取值的区别，采用绝对值的方式进行表示，比如上式(1)中，|Tce|-|Tcr|表示Tce为正、Tcr为负，而上式(3)中，|Tce|+|Tcr|表示Tce为正、Tcr也为正。
1.2、当电励磁双凸极电机存在第四开路故障时，在封锁第四桥臂上的开关管的控制信号的基础上，按照第四开路故障对应的容错控制方式控制，包括：
(1)当根据位置信息确定处于第一扇区内时，控制开关管T1、T4导通斩波，其余开关管保持关断，使得仅有A相绕组通入正向的相电流。A相绕组的自感与励磁互感值的变化率均为正，产生正向的励磁转矩和正向的磁阻转矩，使得仅有A相绕组工作且总转矩输出为|Tae|+|Tar|为正。
(2)当根据位置信息确定处于第二扇区内时，控制开关管T5、T4导通斩波，其余开关管保持关断，使得仅有B相绕组通入正向的相电流。B相绕组的自感与励磁互感值的变化率均为正，产生正向的励磁转矩和正向的磁阻转矩，使得仅有B相绕组工作且总转矩输出为|Tbe|+|Tbr|为正。
(3)当根据位置信息确定处于第三扇区内时，控制开关管T3、T6导通斩波，其余开关管保持关断，使得仅有B相绕组通入负向的相电流。B相绕组的自感与励磁互感值的变化率均为负，产生正向的励磁转矩和负向的磁阻转矩，且由于B相绕组的励磁互感值的变化率的绝对值大于自感的变化率的绝对值，使得仅有B相绕组工作且总转矩输出|Tbe|-|Tbr|为正。
1.3、当电励磁双凸极电机存在第五开路故障时，A相绕组与C相绕组彻底分离，独立控制，按照第五开路故障对应的容错控制方式控制，包括：
(1)当根据位置信息确定处于第一扇区内时，控制开关管T1、T4导通斩波，其余开关管保持关断，使得仅有A相绕组通入正向的相电流。A相绕组的自感与励磁互感值的变化率均为正，产生正向的励磁转矩和正向的磁阻转矩，使得仅有A相绕组工作且总转矩输出为|Tae|+|Tar|为正。
(2)当根据位置信息确定处于第二扇区内时，控制开关管T3、T2导通斩波，其余开关管保持关断，使得仅有A相绕组通入负向的相电流。A相绕组的自感与励磁互感值的变化率均为负，产生正向的励磁转矩和负向的磁阻转矩，且由于A相绕组的励磁互感值的变化率的绝对值大于自感的变化率的绝对值，使得仅有A相绕组工作且总转矩输出|Tae|-|Tar|为正。
(3)当根据位置信息确定处于第三扇区内时，控制开关管T5、T8导通斩波，其余开关管保持关断，使得仅有C相绕组通入正向的相电流。C相绕组的自感与励磁互感值的变化率均为正，产生正向的励磁转矩和正向的磁阻转矩，使得仅有C相绕组工作且总转矩输出为|Tce|+|Tcr|为正。
2、当控制器按照第二开路故障对应的容错控制方式，或者，第三开路故障对应的容错控制方式控制四桥臂变换器驱动电路中的开关管的导通和关断时，电周期的每个扇区下有对应的两个相绕组工作，工作的两个相绕组产生的磁阻转矩大小相同、方向相反，工作的两个相绕组产生的励磁转矩均为正，由此产生的总转矩输出为工作的两个相绕组的励磁转矩之和。本申请对这两类开路故障分别介绍如下：
2.1、当电励磁双凸极电机存在第二开路故障时，在封锁第二桥臂上的开关管的控制信号的基础上，按照第二开路故障对应的容错控制方式控制，包括：
(1)当根据位置信息确定处于第一扇区内时，控制开关管T1、T7、T6导通斩波，其余开关管保持关断。使得A相绕组通入正向的相电流、C相绕组通入负向的相电流，B相绕组只提供电流流通通路、而不产生输出转矩。工作的A相绕组和C相绕组产生的总转矩输出为|Tae|+|Tce|为正。
(2)当根据位置信息确定处于第二扇区内时，控制开关管T5、T2导通斩波，其余开关管保持关断。使得B相绕组通入正向的相电流，A相绕组通入负向的相电流。工作的A相绕组和B相绕组产生的总转矩输出为|Tae|+|Tbe|为正。
(3)当根据位置信息确定处于第三扇区内时，控制开关管T1、T8导通斩波，其余开关管保持关断。使得A相绕组和C相绕组均通入正向的相电流，B相绕组通入负向的相电流，A相绕组只提供电流流通通路、而不产生输出转矩。工作的B相绕组和C相绕组产生的总转矩输出为|Tbe|+|Tce|为正。
2.2当电励磁双凸极电机存在第三开路故障时，在封锁第三桥臂上的开关管的控制信号的基础上，按照第三开路故障对应的容错控制方式控制，包括：
(1)当根据位置信息确定处于第一扇区内时，控制开关管T1、T7、T4导通斩波，其余开关管保持关断。使得A相绕组通入正向的相电流、C相绕组通入负向的相电流，B相绕组只提供电流流通通路、而不产生输出转矩。工作的A相绕组和C相绕组产生的总转矩输出为|Tae|+|Tce|为正。
(2)当根据位置信息确定处于第二扇区内时，控制器控制开关管T7、T2导通斩波，其余开关管保持关断。使得B相绕组通入正向的相电流，A相绕组通入负向的相电流，C相绕组只提供电流流通通路、而不产生输出转矩。工作的A相绕组和B相绕组产生的总转矩输出为|Tae|+|Tbe|为正；
(3)当根据位置信息确定处于第三扇区内时，控制器控制开关管T3、T8导通斩波，其余开关管保持关断。使得C相绕组通入正向的相电流，B相绕组通入负向的相电流。工作的B相绕组和C相绕组产生的总转矩输出为|Tbe|+|Tce|为正。
基于上述的技术记载，不同运行模式下在电周期的每个扇区下工作的绕组以及对应产生的总转矩输出分别如下表所示：
在一个仿真实验中，第二桥臂开路故障容错下的三相电流仿真波形图如图3所示，仿真条件为母线电压115V、励磁电流5A、电机转速1000r/min，负载转矩为3N·m，由波形可以看出电流导通规律与理论分析相同。图4是第二桥臂开路故障容错下的转矩仿真波形图，容错运行与正常运行相比，均为两相出力，输出转矩平均值几乎相等，且非换相转矩脉动几乎为零。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。