一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，由双三相永磁同步电机，具有故障隔离和容错功能的硬件驱动电路，以及新型的容错控制策略组成，当双三相永磁同步电机的任意一相发生故障时，系统能够及时切除故障相，并能根据故障前的电机运行状态，选择容错控制策略，实现双三相永磁同步电机的容错控制功能。该容错控制系统具有硬件结构简单，可靠性高，鲁棒性强，能够根据系统故障前的电机运行状态，选择最佳的容错控制策略，实现故障容错后系统的优越控制性能等特点。
【专利说明】一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电气传动领域，尤其是一种一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统。
【背景技术】
[0002]三相交流驱动系统一直在传统传动系统中占有绝对的优势。但是近几年来，由于一些特殊的应用场合如:航空航天，电动/混合燃料车辆、舰船推进系统等，对调速系统的可靠性和功率范围提出了更高的要求。受制于电力电子器件的电压和功率等级，在大功率场合中常采用电力电子器件的串联、并联的方式来实现多电平大功率的输出，但随之而来的是电力电子器件的均压和均流等问题，影响了调速系统的整体可靠性；与多电平结构相对应的是多相结构，通过增加电机的相数来提高电机的功率，实现低压大功率调速。
[0003]相比与传统的三电机，多相电机具有如下的优点:
[0004]I)在供电电压幅值受限制的场合，可以采用多相电机实现低压大功率传动；
[0005]2)多相电机随着相数的增加，电机的输出转矩更加平衡，脉动更小，可以大大提高传动系统的动态和稳态性能；
[0006]2)系统的可靠性更高，具有较强的容错运行能力；多相电机传动系统中，随着相数的增多，当多相电机中的某一相绕组或几相绕组发生短路或开路故障时，或者电力电子变换器中的某一相或几相发生短路或开路故障时，通过容错控制，切除故障相，多相电机仍可运行。
[0007]与感应式电机相比，永磁同步电机具有高转矩/惯量比、高功率密度、高效率等优点。永磁同步电机转子采用永磁体，无励磁电路，转子无励磁损耗和铁损，简化了转子的结构，减小了电机的转动惯量，电机的效率和功率因数较高。随着稀土永磁材料性能的不断提高，永磁同步电机控制技术的不断成熟，永磁同步电机已广泛应用于数控机床，航空航天设备等高精度控制领域。
[0008]双三相永磁同步电机将多相电机技术应用于永磁同步电机,使得双三相永磁同步电机不仅具有永磁同步电机的特点，同时继承了多相电机的优点，将两者进行了很好的融
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[0009]对于多相电机的容错控制技术，国内外学者已经进行了一定的研究，Yifan Zhao在它的博士论文中对六相感应电机一相绕组开路时的数学模型进行了深入的分析；法国研究人员Fnaiech，M A, Betin, F对六相感应电机一相开路时采用模糊控制或者滑模变结构的控制策略进行控制，来简化由于一相绕组开路故障所造成的参数变化对系统动态响应的影响。Faa-Jeng Lin则通过TSKF模糊控制算法和FNN对双三相永磁同步电机在一相绕组开路的控制策略进行了研究；国内学者对双三相永磁同步电机的容错控制算法也进行了一定研究，提出了 一些改进的控制算法。但是这些控制硬件电路较为复杂，容错的控制策略对于系统的数学模型较为复杂，并且对参数的依赖性较大。
【发明内容】
[0010]本实用新型要解决上述现有技术的缺点，提供一种容错控制简单优化的一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统。
[0011]本实用新型解决其技术问题采用的技术方案:这种一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，由双三相永磁同步电机，具有故障隔离和容错功能的硬件驱动电路，以及新型的容错控制策略组成，当双三相永磁同步电机的任意一相发生故障时，系统能够及时切除故障相，并能根据故障前的电机运行状态，选择容错控制策略，实现双三相永磁同步电机的容错控制功能。该容错控制系统具有硬件结构简单，可靠性高，鲁棒性强，能够根据系统故障前的电机运行状态，选择最佳的容错控制策略，实现故障容错后系统的优越控制性能等特点。
[0012]双三相永磁同步电机的绕组依次为A、B、C和a、b、C，硬件驱动电路由六个桥臂组成，每一个桥臂的组成自上而下分别为一个快速熔断器、两个全控型功率开关器件和一个常闭继电器，其中常闭继电器的一端与功率开关器件的中点相连接，另一端与双三相永磁同步电机的对应绕组相连接。
[0013]所述双三相永磁同步电机中的两套绕组的中性点ol和02隔离。其中作为非对称结构形式的两套绕组ABC和abc，两套绕组相差30度电角度。而作为对称结构形式的两套绕组ABC和abc，两套绕组相差60度电角度。
[0014]在一相开路时，剩余的五相绕组可以等效为非对称的双中性点隔离的五相永磁同步电机，对于该非对称的双中性点隔离的五相永磁同步电机的动态数学模型采用在旋转d-q和自然坐标混合坐标系下进行建模分析，对于正常的三相绕组采用d_q坐标系下进行建模分析，对于发生故障的那一套绕组，在自然坐标系下将剩余两相等效为单相永磁同步电机，并在此混合坐标下建立非对称五相永磁同步电机的动态数学模型。
[0015]在电机正常工作时，对绕组ABC和abc采用双d-q坐标变换的控制算法；在任意一相发生故障时，当负载转矩小于等于额定转矩的50%时，通过将与该套绕组相连接的三个常闭继电器打开，将整套故障绕组切除出去，对正常的三相绕组采用三相永磁同步电机的矢量控制算法进行容错，保证系统的转矩平稳性；在任意一相发生故障时，当负载转矩大于额定转矩的50%时，通过将与该相绕组相连接的那一个常闭继电器打开，将故障相切除出去，其它不作任何变化；对正常的三相绕组采用三相永磁同步电机的矢量控制算法进行容错，对于发生故障的那一套绕组，剩余两相可以等效为单相永磁同步电机，即将剩余的五相绕组等效为一个三相永磁同步电机的和一个单相永磁同步电机，实现容错控制，提高容错的转矩输出能力。
[0016]实用新型有益的效果是:本实用新型与现有的技术相比，容错控制的硬件电路更加简单，双三相永磁同步电机的故障前和故障后的切换也变的更加简单和优化；故障后的容错控制策略更加简便有效；整个容错控制系统具有更加优越的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1双三相永磁同步电机非对称结构形式的绕组结构图；
[0018]图2双三相永磁同步电机对称结构形式的绕组结构图；
[0019]图3 —相开路时双三相永磁同步电机非对称结构形式的的绕组结构图；[0020]图4 一相开路时双三相永磁同步电机对称结构形式的的绕组结构图；
[0021]图5具有容错功能的双三相永磁同步电机硬件控制系统；
[0022]图6正常工作时双三相永磁同步电机的控制系统框图；
[0023]图7 —相开路时双三相永磁同步电机的控制系统框图；【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0025]一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，由双三相永磁同步电机，具有故障隔离和容错功能的硬件驱动电路，以及新型的容错控制策略组成。其中具有容错功能的双三相永磁同步电机硬件控制系统如图5所示；其特征在于该硬件系统由六个桥臂组成，以A相桥臂为例，每一个桥臂的组成自上而下分别为一个快速熔断器FTF_A、两个全控型功率开关器件S1、S2，和一个常闭继电器KA，其中常闭继电器KA的一端与功率开关器件的中点相连接，另一端与双三相永磁同步电机的A相绕组相连接。其余5相绕组的连接方式与A相绕组相同。
[0026]双三相永磁同步电机的绕组依次为A、B、C和a、b、C，两套绕组的中性点ol和o2隔离；图1所示的两套绕组ABC和abc为非对称结构形式,两套绕组相差30度电角度。图2所示的两套绕组ABC和abc为对称结构形式，两套绕组相差60度电角度。
[0027]一、对于电气传动控制系统，故障的类型主要有功率开关器件的短路和开路以及电机相绕组的匝间短路和开路这四种情况。如图5所示以c相为例，对上述四种情况进行分析，当c相功率开关器件Sll和S12发生短路故障时，FTF_c将快速熔断，保护功率器件，同时将封锁Sll和S12开关管的驱动信号，并打开常闭继电器Kc隔离故障相c相；当c相功率开关器件Sll或S12发生开路故障时，封锁Sll和S12开关管的驱动信号，并打开常闭继电器Kc隔离故障相c相；当c相绕组发生匝间短路故障时，封锁Sll和S12开关管的驱动信号，并打开常闭继电器Kc隔离故障相c相；当c相绕组发生开路故障时，封锁Sll和S12开关管的驱动信号，并打开常闭继电器Kc隔离故障相c相。
[0028]由上可知，c相绕组无论发生上述四种故障情况的哪一种，最终都将通过继电器Kc将该故障相隔离出来，从而保证了当系统发生故障时，能够隔离故障，进行容错控制，防止故障的漫延。从电机容错控制的角度讲，这四种故障最终都等效为一相绕组的开路故障问题。因此下面将对双三相永磁同步电机的正常运行时以及一相开路故障时的数学模型和容错控制策略进行分析。
[0029]二、正常工作时，如图1、2所示，双三相永磁同步电机在双d-q坐标系下的动态数学模型如下:
[0030]电压方程为:
【权利要求】
1.一种一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，由双三相永磁同步电机，具有故障隔离和容错功能的硬件驱动电路，以及新型的容错控制策略组成，其特征是:所述双三相永磁同步电机的绕组依次为A、B、C和a、b、c，硬件驱动电路由六个桥臂组成，每一个桥臂的组成自上而下分别为一个快速熔断器、两个全控型功率开关器件和一个常闭继电器，其中常闭继电器的一端与功率开关器件的中点相连接，另一端与双三相永磁同步电机的对应绕组相连接。
2.根据权利要求1所述的一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，其特征是:所述双三相永磁同步电机中的两套绕组的中性点ol和o2隔离。
3.根据权利要求2所述的一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，其特征是:所述双三相永磁同步电机中的两套绕组ABC和abc为非对称结构形式，两套绕组相差30度电角度。
4.根据权利要求2所述的一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，其特征是:所述双三相永磁同步电机中的两套绕组ABC和abc为对称结构形式，两套绕组相差60度电角度。
【文档编号】H02P21/00GK203554341SQ201320634207
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月14日 优先权日:2013年10月14日
【发明者】王海兵, 寿金乔, 张政毓, 程俊 申请人:杭州锐方科技有限公司