一种多模式双通道开关磁阻电机系统的容错控制方法与流程

本发明涉及电机容错控制技术领域，特别涉及一种多模式双通道开关磁阻电机系统的容错控制方法。适用于航空航天、电动汽车、舰船推进系统等对电机的可靠性有较高要求的场合。

背景技术：

开关磁阻电机由于其机构简单坚固的特点，在航空航天、电动汽车和煤矿开采等对于可靠性要求高或者工作环境恶劣的领域获得了广泛的关注和应用。在开关磁阻电机系统中控制器和逆变器是可靠性比较薄弱的环节，可以采用双通道的结构，将开关磁阻电机的绕组分成两组，分别由两套独立的控制器和逆变器来控制。

在传统的双通道开关磁阻电机控制系统中，一旦某一通道的电机发生故障，采用的容错控制方法为：切除发生故障的那一通道的电机，仅使用未发生故障的那一通道的电机来继续运行。该方法虽然可以实现一个通道电机故障后的容错运行，但是将故障的那一通道的电机直接切除，仅使用一通道电机运行的方法会造成故障后输出转矩的大幅缺失，也使得发生故障的那一通道的电机和逆变器变得很冗余，在故障下没有发挥任何作用。

技术实现要素：

针对传统双通道开关磁阻电机容错控制方法，造成故障后电机输出转矩大幅缺失，和故障通道电机和逆变器冗余的缺点，本发明提出了一种多模式双通道开关磁阻电机系统的容错控制方法。

为达到技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种多模式双通道开关磁阻电机系统的容错控制方法，其特征在于，

所述多模式双通道开关磁阻电机系统包括定子，转子，两套绕组和两个标准的三相逆变器；所述定子共有12个定子槽，所述定子槽采用梯形槽结构，所述定子的定子齿采用直齿结构，每个定子齿的弧度为15°；所述转子为一个8极的开关磁阻转子，每个转子极的弧度为15.75°；所述两套绕组都采用集中绕组结构，每套绕组包含六个线圈，第一套绕组的六个线圈被绕在互不相邻的6个定子齿上，第二套绕组的6个线圈被绕在剩余的6个互不相邻的定子齿上；定义第一套绕组中的其中一个线圈为绕组a11，以绕组a11为初始位置，顺时针方向依次摆放的是绕组c21、绕组b11、绕组a22、绕组c11、绕组b22、绕组a12、绕组c22、绕组b12、绕组a21、绕组c12、绕组b21；绕组a11与绕组a12串联形成第一套绕组的a1相，绕组b11与绕组b12串联形成第一套绕组的b1相，绕组c11与绕组c12串联形成第一套绕组的c1相；绕组a21与绕组a22串联形成第二套绕组的a2相，绕组b21与绕组b22串联形成第二套绕组的b2相，绕组c21与绕组c22串联形成第二套绕组的c2相；

所述两套绕组分别采用星形连接方式，第一套绕组的中性点o1和第二套绕组的中性点o2连接在一起；所述两个标准的三相逆变器分别驱动两套绕组，形成一个双通道的开关磁阻电机系统；

所述多模式双通道开关磁阻电机系统可以运行在两种模式，运行模式一为h-桥逆变器驱动的传统三相开关磁阻电机工作模式，该模式下注入电流为方波；运行模式二为双互感耦合型开关磁阻电机工作模式，该模式下注入电流为正弦波；

所述运行模式一的具体工作方式为：

所述运行模式一为h-桥逆变器驱动的传统三相开关磁阻电机工作模式，采用方波电流注入，在方波电流驱动方式下，所述双通道开关磁阻电机可以视为一个传统的三相开关磁阻电机，所述第一套绕组的a1相和第二套绕组的a2相共同组成电机的a相，由四个开关器件组成的h桥逆变电路来驱动；

所述运行模式二的具体工作方式为：

所述运行模式二为双互感耦合型开关磁阻电机模式，采用正弦电流驱动，所述第一套绕组中性点o1和所述第二套绕组中性点o2的电流都为零，此时所述多模式双通道开关磁阻电机相当于两个互感耦合型开关磁阻电机的叠加；

所述多模式双通道开关磁阻电机的容错控制方法为：当多模式双通道开关磁阻电机系统发生逆变器故障，某一逆变器开关器件发生故障时，所述多模式双通道开关磁阻电机系统选择所述运行模式一来进行容错控制；当多模式双通道开关磁阻电机系统发生一相开路故障时，选择所述运行模式二来进行容错控制。

进一步，当多模式双通道开关磁阻电机系统发生逆变器故障，某一逆变器开关器件发生故障时，所述多模式双通道开关磁阻电机系统选择所述运行模式一来进行容错控制的具体方法为：

根据磁共能法可以求得电机的电磁转矩表达式为：

其中，te为电磁转矩，w为电机的磁共能，θ为电机的转子位置角；

磁共能的表达式如下：

其中，i为相电流向量，l(θ)为电感矩阵；

三相开关磁阻电机的电磁转矩表达式为：

其中，ia，ib和ic分别为a、b、c相的电流，la，lb和lc分别为a、b、c相的自感，mab，mac和mbc分别是ab相、ac相和bc相的互感；

当所述多模式双通道开关磁阻电机运行在模式一时，其互感很小可以忽略，因此电机的输出转矩只与电机的自感和a、b、c相电流的平方有关；

当所述多模式双通道开关磁阻电机系统发生某一开关器件故障时，假设为a相驱动h桥电路的开关器件s1发生故障时：通过改变a相电流的方向来进行容错控制，具体方式如下：

当需要给a相通入方波电流时，正常运行情况下的电流流动路径为：开关器件s1->绕组a1->中性点o1->中性点o2->绕组a2->开关器件s8；当开关器件s1发生故障，因为电机的转矩与电流的平方相关，改变电流的方向不会改变输出转矩的大小，因此可以通过改变a相电流的方向，将开关器件s1隔离出去，实现容错控制，此时容错控制下a相电流的流动路径为：开关器件s7->绕组a2->中性点o2->中性点o1->绕组a1->开关器件s2；

进一步，当多模式双通道开关磁阻电机系统发生一相开路故障时，选择所述运行模式二来进行容错控制的具体方法为：

当电机以运行模式二正常运行时，单个通道的互感耦合型开关磁阻电机输出转矩为：

其中，p为电机的极对数，ld和lq分别为d-q轴电感，id和iq分别为d-q轴电流，is为相电流幅值，γ为电流角；

假设所述多模式双通道开关磁阻电机的a1相绕组发生开路故障，为保证第一套绕组中性点o1电流为0，通道1互感耦合型开关磁阻电机的三相容错电流表达式可以表示为：

其中，ia1，ib1和ic1分别为通道1互感耦合型开关磁阻电机的a1、b1、c1相的电流，im是容错电流的幅值，γ1为通道1互感耦合型开关磁阻电机的容错电流角；

此时，通道1互感耦合型开关磁阻电机容错电流在d-q轴的分量可以表示为：

其中，id1为容错电流在d轴下的分量，iq1为容错电流在q轴下的分量；

通道1互感耦合型开关磁阻电机产生的电磁转矩为：

当ld>lq，γ1为–π/4时，通道1互感耦合型开关磁阻电机获得最大的输出转矩te1，其表达式为：

可以看出，此时通道1互感耦合型开关磁阻电机的输出转矩中含有2次和4次谐波的转矩脉动。当通道1和通道2的互感耦合型开关磁阻电机同时正常运行时的总的输出转矩为：

其中，te∑为总的输出转矩；

为保证故障前后的输出转矩不变，则故障后通道2互感耦合型开关磁阻电机的输出转矩te2应该为：

假设故障前后通道1互感耦合型开关磁阻电机相电流的幅值与正常工作时一致，is＝im，通道2互感耦合型开关磁阻电机的输出转矩te2可以化简为：

则通道2互感耦合型开关磁阻电机的相电流幅值is’可以表示为：

通道2互感耦合型开关磁阻电机的容错电流表达式为：

其中，ia2，ib2和ic2分别为通道2互感耦合型开关磁阻电机的a2、b2、c2相的电流。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明给出的多模式双通道开关磁阻电机系统，具有两种运行模式，可以分别实现对逆变器开关故障和电机开路故障的容错控制，具有很强的容错性能。

2、本发明所提出的多模式双通道开关磁阻电机系统的容错控制方法，区别于传统双通道开关磁阻电机中将发生故障的那一通道切除的做法，而是通过容错算法，充分利用了系统故障后剩余的控制自由度，实现了容错控制，提升了多模式双通道开关磁阻电机系统故障后的输出转矩能力。

3、本发明所提出的多模式双通道开关磁阻电机系统的容错控制方法，在应对开关器件故障时，选择运行模式一h-桥逆变器驱动的传统三相开关磁阻电机工作模式来进行容错控制，可以保证故障前后的输出转矩完全不变，且在一个逆变器上部或下部开关管全部失效的情况下仍能保持电机稳定运行。

4、本发明实所提出的多模式双通道开关磁阻电机系统的容错控制方法，在应对一相开路故障时，选择运行模式二(双互感耦合型电机模式)来进行容错控制，充分利用故障通道的互感耦合型开关磁阻电机来提供输出转矩，并利用正常通道的互感耦合型开关磁阻电机来消除故障通道电机产生的脉动，可以有效保证故障后多模式双通道开关磁阻电机系统的输出转矩能力不变，且能有效抑制故障后产生的转矩脉动。

附图说明

图1：多模式双通道开关磁阻电机的截面图(a)运行模式一，(b)运行模式二；

图2：多模式双通道开关磁阻电机系统的驱动电路拓扑图；

图3：多模式双通道开关磁阻电机的磁链分布图(a)运行模式一，(b)运行模式二；

图4：多模式双通道开关磁阻电机系统运行模式一下的电流流向图(a)正常运行(b)开关器件s1故障时的容错运行；

图5：多模式双通道开关磁阻电机系统运行模式一下的电流波形和转矩波形(a)正常运行(b)开关器件s1故障时的容错运行；

图6：多模式双通道开关磁阻电机系统运行模式二下的电流波形和转矩波形(a)正常运行(b)绕组a1开路故障时的容错运行；

图7：多模式双通道开关磁阻电机系统运行模式二下正常运行、故障运行、容错运行时的输出转矩波形图。

具体实施方式

下面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详细、完整的描述。

一种多模式双通道开关磁阻电机系统的容错控制方法，其特征在于，包括定子，转子，两套绕组和两个标准的三相逆变器。

所述多模式双通道开关磁阻电机的截面图如图1所示。

所述定子共有12个定子槽，所述定子槽采用梯形槽结构，所述定子的定子齿采用直齿结构，每个定子齿的弧度为15°。

所述转子为一个8极的开关磁阻转子，每个转子极的弧度为15.75°。

所述两套绕组都采用集中绕组结构，每套绕组包含六个线圈，第一套绕组的六个线圈被绕在互不相邻的6个定子齿上，第二套绕组的6个线圈被绕在剩余的6个互不相邻的定子齿上；定义第一套绕组中的其中一个线圈为绕组a11，以绕组a11为初始位置，顺时针方向依次摆放的是绕组c21、绕组b11、绕组a22、绕组c11、绕组b22、绕组a12、绕组c22、绕组b12、绕组a21、绕组c12、绕组b21；绕组a11与绕组a12串联形成第一套绕组的a1相，绕组b11与绕组b12串联形成第一套绕组的b1相，绕组c11与绕组c12串联形成第一套绕组的c1相；绕组a21与绕组a22串联形成第二套绕组的a2相，绕组b21与绕组b22串联形成第二套绕组的b2相，绕组c21与绕组c22串联形成第二套绕组的c2相。

所述两套绕组分别采用星形连接方式，第一套绕组的中性点o1和第二套绕组的中性点o2连接在一起；所述两个标准的三相逆变器分别驱动两套绕组，形成一个双通道的开关磁阻电机系统，如图2所示。

所述多模式双通道开关磁阻电机系统可以运行在两种模式，运行模式一为h-桥逆变器驱动的传统三相开关磁阻电机工作模式，运行模式二为双互感耦合型开关磁阻电机模式：

(1)所述运行模式一的具体工作方式为：

所述运行模式一为h-桥逆变器驱动的传统三相开关磁阻电机工作模式，采用方波电流驱动，在方波电流驱动方式下，所述双通道开关磁阻电机可以视为一个传统的三相开关磁阻电机，所述第一套绕组的a1相和第二套绕组的a2相共同组成电机的a相，由四个开关器件组成的h桥逆变电路来驱动，所述多模式双通道开关磁阻电机系统以运行模式一运行时，电机的截面图如图1(a)所示，此时电机的磁链分布图如图3(a)所示。

(2)所述运行模式二的具体工作方式为：

所述运行模式二为双互感耦合型开关磁阻电机，采用正弦电流驱动，所述第一套绕组中性点o1和所述第二套绕组中性点o2的电流都为零，此时所述多模式双通道开关磁阻电机相当于两个互感耦合型开关磁阻电机的叠加。所述双通道开关磁阻电机系统以运行模式二运行时，电机的截面图如图1(b)所示，此时电机的磁链分布图如图3(b)所示；

所述多模式双通道开关磁阻电机的容错控制方法为：当多模式双通道开关磁阻电机系统发生逆变器故障，某一逆变器开关器件发生故障时，所述多模式双通道开关磁阻电机系统选择所述运行模式一来进行容错控制；当多模式双通道开关磁阻电机系统发生一相开路故障时，选择所述运行模式二来进行容错控制：

(1)当电机系统发生开关器件故障时：

所述多模式双通道开关磁阻电机系统以运行模式一进行容错控制，容错控制的具体方法为：

根据磁共能法可以求得电机的电磁转矩表达式为：

其中，te为电磁转矩，w为电机的磁共能，θ为电机的转子位置角；

磁共能的表达式如下：

其中，i为相电流向量，l(θ)为电感矩阵；

三相开关磁阻电机的电磁转矩表达式为：

其中，ia，ib和ic分别为a、b、c相的电流，la，lb和lc分别为a、b、c相的自感，mab，mac和mbc分别是ab相、ac相和bc相的互感；

当所述多模式双通道开关磁阻电机运行在模式一时，其互感很小可以忽略，因此电机的输出转矩只与电机的自感和a、b、c相电流的平方有关；

当所述多模式双通道开关磁阻电机系统发生某一开关器件故障时，假设为a相驱动h桥电路的开关器件s1发生故障时：通过改变a相电流的方向来进行容错控制，具体方式如下：

当需要给a相通入方波电流时，正常运行情况下的电流流动路径为：开关器件s1->绕组a1->中性点o1->中性点o2->绕组a2->开关器件s8，如图4(a)所示；当开关器件s1发生故障，因为电机的转矩与电流的平方相关，改变电流的方向不会改变输出转矩的大小，因此可以通过改变a相电流的方向，将开关器件s1隔离出去，实现容错控制，此时容错控制下a相电流的流动路径为：开关器件s7->绕组a2->中性点o2->中性点o1->绕组a1->开关器件s2，如图4(b)所示。

图5给出了所述多模式双通道开关磁阻电机运行在模式一时，正常运行情况下和一个开关器件故障容错运行情况下的电流和转矩波形图。由图可以看出，当发生一个开关器件故障时，所提容错控制方法可以实现所述多模式双通道开关磁阻电机系统的容错控制，且保证故障前后输出转矩不变。

(2)当电机系统发生一相故障时：

所述多模式双通道开关磁阻电机系统以运行模式二进行容错控制，容错控制的具体方法为：

当电机以运行模式二正常运行时，单个通道的互感耦合型开关磁阻电机输出转矩为：

其中，p为电机的极对数，ld和lq分别为d-q轴电感，id和iq分别为d-q轴电流，is为相电流幅值，γ为电流角；

假设所述多模式双通道开关磁阻电机的a1相绕组发生开路故障，为保证第一套绕组中性点o1电流为0，通道1互感耦合型开关磁阻电机的三相容错电流表达式可以表示为：

其中，ia1，ib1和ic1分别为通道1互感耦合型开关磁阻电机的a1、b1、c1相的电流，im是容错电流的幅值，γ1为通道1互感耦合型开关磁阻电机的容错电流角

此时，通道1互感耦合型开关磁阻电机容错电流在d-q轴的分量可以表示为：

其中，id1为容错电流在d轴下的分量，iq1为容错电流在q轴下的分量；

通道1互感耦合型开关磁阻电机产生的电磁转矩为：

当ld>lq，γ1为–π/4时，通道1互感耦合型开关磁阻电机获得最大的输出转矩te1，其表达式为：

可以看出，此时通道1互感耦合型开关磁阻电机的输出转矩中含有2次和4次谐波的转矩脉动。当通道1和通道2的互感耦合型开关磁阻电机同时正常运行时的总的输出转矩为：

其中，te∑为总的输出转矩；

为保证故障前后的输出转矩不变，则故障后通道2互感耦合型开关磁阻电机的输出转矩te2应该为：

假设故障前后通道1互感耦合型开关磁阻电机相电流的幅值不变，is＝im，通道2互感耦合型开关磁阻电机的输出转矩te2可以化简为：

则通道2互感耦合型开关磁阻电机的相电流幅值is’可以表示为：

通道2互感耦合型开关磁阻电机的容错电流表达式为：

其中，ia2，ib2和ic2分别为通道2互感耦合型开关磁阻电机的a2、b2、c2相的电流。

图6给出了所述多模式双通道开关磁阻电机运行在模式二时，正常运行情况下和一相开路故障容错运行情况下的电流和转矩波形图。图7给出了所述多模式双通道开关磁阻电机运行在模式二时，正常运行、故障运行和容错运行情况下输出转矩的比较图，由图7可以看出，在所述多模式双通道开关磁阻电机发生一相开路故障时，所提容错控制算法能够保证故障后电机的平均输出转矩保持不变，且与故障运行时相比，能有效降低转矩脉动。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。