一种基于裂相抽头具有容错功能的开关磁阻电机系统及其故障诊断方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于裂相抽头具有容错功能的开关磁阻电机系统及其故障诊断方法。
【背景技术】
[0002]开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)是20世纪80年代发展起来的一种新的微型电机，作为一种结构简单、鲁棒性好、价格便宜的新型调速系统，问世不久便引起了各国电气传动界的广泛重视，成为80年代最热门的调速电动机之一。近几十年来，开关磁阻电机发展迅速，得到了越来越多的关注，并且已经在电动汽车、家用电器、航空、通用工业等领域中得到了不同程度的应用。如图1所示，该系统由双凸极式磁阻电机、功率变换器、位置传感器、电流传感器和控制器组成，是机电一体化的调速驱动装置。它具有结构简单、造价低廉、机体坚固、可靠性高、调速范围广等优点，在工业应用中受到青睐。
[0003]开关磁阻电机系统(Switched Reluctance Motor Drive，SRD)中，开关磁阻电机是该系统中实现机电能量装换的部件，也是SRD有别于其他电机系统的主要标志。功率变换器向SRM提供运转所需要的能量，由蓄电池或者交流电整流后得到的直流电供电，该模块采用的是不对称半桥型功率变换器结构，由于其各相绕组之间相互独立、容错性能好、稳定性强的特点而广泛应用。位置检测模块是用来检测SRM转子的位置；电流检测模块则是用于检测SRM绕组中的各相电流；控制器模块是系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反馈信号、位置传感器和电流传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SRM运行状态的控制。
[0004]开关磁阻电机由于其定转子的特殊结构以及各相控制的独立性，而具备高可靠性，特别适合一些环境恶劣、要求连续工作的应用场合，比如航空启动/发电系统、车载电车制动系统、矿井提升机等。功率变换器作为系统控制中的中枢执行机构，是系统中最容易出现故障的薄弱环节。功率变换器故障将破坏驱动系统运行的平衡状态，产生无法抑制的转矩缺口甚至制动转矩，长期故障运行将导致整个系统的损坏。因此，对系统中功率变换器实施故障诊断是非常必要的。
[0005]为了提高开关磁阻电机的故障诊断和故障容错能力，包括电流频谱分析法、模糊推理方法、模式识别方法和神经网络方法等在内的许多基于软件和硬件的有效控制策略已经被采用。然而，硬件的改进在提高故障容错能力的同时，由于改变了电机系统的结构而使得一些应用领域受到限制；对于软件方面的改善，电机结构不变的前提下，却增加了控制的难度。因此，我们需要的故障诊断和故障容错策略应该尽可能的满足下面的几个条件:
[0006](I)不改变或者尽可能小的改变传统的开关磁阻电机驱动拓扑；
[0007](2)在极端故障状况下，也能保证电机故障容错运行；
[0008](3)模块化结构设计。
【发明内容】
[0009]为了满足上面提到的几个条件，在传统的开关磁阻电机驱动拓扑的基础上，本发明提出了一种基于裂相抽头具有容错功能的开关磁阻电机系统及其故障诊断方法。
[0010]该开关磁阻电机系统包括开关磁阻电机、功率变换器、故障容错组件、电流传感器以及控制器；其中:
[0011]所述的开关磁阻电机具有三相定子绕组，每相定子绕组均中间裂相抽头；
[0012]所述的功率变换器用于为开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁；
[0013]所述的电流传感器用于检测三相定子绕组上对应的三相绕组电流；
[0014]所述的故障容错组件用于当开关磁阻电机发生开路或短路故障时实现故障诊断以及容错运行；
[0015]所述的控制器根据三相绕组电流对开关磁阻电机进行故障诊断，并为功率变换器以及故障容错组件中的功率开关器件提供控制信号。
[0016]所述的功率变换器包括一直流母线电容以及三组功率变换单元，所述的功率变换单元包含两个带反并联二极管的开关管S1' S 2以及两个续流二极管D D 2;其中，开关管S1的一端与续流二极管D1的阴极、直流母线电容的一端以及直流电压的正极相连，开关管S1的另一端与对应相定子绕组的一端以及续流二极管02的阴极相连，续流二极管D2的阳极与开关管S2的一端、直流母线电容的另一端以及直流电压的负极相连，开关管S 2的另一端与对应相定子绕组的另一端以及续流二极管D1的阳极相连。
[0017]所述的故障容错组件包括三组故障容错单元，所述的故障容错单元包含两个带反并联二极管的开关管s3?S 4;其中，开关管S 3的一端与直流电压的正极相连，开关管S 3的另一端与开关管&的一端以及对应相定子绕组的中间抽头节点相连，开关管S4的另一端与直流电压的负极相连。
[0018]所述的开关管S1-S 4均采用CooIMOS管或IGBT。
[0019]所述的续流二极管D1' D 2均采用快恢复二极管。
[0020]上述开关磁阻电机系统的故障诊断方法，如下:
[0021]开关磁阻电机正常运行情况下，当任一相定子绕组在其开通区间内绕组电流为零时，则表明该相定子绕组或其对应的功率变换单元存在开路故障；此时，开通对应相故障容错单元中的开关管S3并判断该相绕组电流:
[0022]若该相绕组电流重新出现，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管S1W及与其连接的裂相后的前半部分定子绕组所组成的线路中，且该相在由对应功率变换单元中的开关管SjP二极管D 1、对应故障容错单元中的开关管S3?S 4以及后半部分定子绕组所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；
[0023]若该相绕组电流仍为零，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管S2以及与其连接的裂相后的后半部分定子绕组所组成的线路中，进而开通对应相故障容错单元中的开关管S4，使该相在由对应功率变换单元中的开关管SJP二极管D 2、对应故障容错单元中的开关管S3?S 4以及前半部分定子绕组所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；
[0024]开关磁阻电机正常运行情况下，当任一相定子绕组在电机整个开关循环周期内绕组电流始终大于零，则表明该相定子绕组或其对应的功率变换单元存在短路故障；此时，开通对应相故障容错单元中的开关管S3并判断该相绕组电流:
[0025]若该相绕组电流减至零，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管S1以及与其连接的裂相后的前半部分定子绕组所组成的线路中，且该相在由对应功率变换单元中的开关管SjP二极管D 1、对应故障容错单元中的开关管S3?S 4以及后半部分定子绕组所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；
[0026]若该相绕组电流仍始终大于零，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管S2以及与其连接的裂相后的后半部分定子绕组所组成的线路中，进而开通对应相故障容错单元中的开关管S4，使该相在由对应功率变换单元中的开关管S1和二极管D2、对应故障容错单元中的开关管S3?S 4以及前半部分定子绕组所组成的不对称半桥拓扑下容错运行。
[0027]由此可见，本发明通过对SRM在传统控制策略下的故障分析和故障容错运行，讨论了在不同控制策略下该基于裂相抽头的开关磁阻电机故障诊断与容错拓扑能够有效保证电机发生故障时的容错运行。本发明综合考虑硬件和软件的改善，具有结构模块化和控制容易的优点，通过将传统的不对称半桥和逆变桥并行连接，实现了当绕组和开关管发生开路或者短路故障时仍能保证电机容错运行的功能。
【附图说明