一种具有容错功能的开关磁阻电机的电动阀门装置的制作方法

本发明涉及开关磁阻电机技术领域，特别是涉及一种具有容错功能的开关磁阻电机的电动阀门装置。

背景技术：

目前，电动阀门是现代工业自动化重要的部分，广泛应用于电力、冶金、石油、矿山等领域。在工业应用场合中，必须保证更高的可靠性与安全性，而电动阀门的性能主要决定于电动执行器的运行性能。开关磁阻电机转子既无永磁体也无绕组，具有结构简单、控制灵活、调速性能好、可靠性高，具有一定容错性能，已广泛应用于家用电器、油田矿井、飞机制造、新能源汽车、风力发电装置等诸多领域。

与其他类型电机相比，固有的容错能力是开关磁阻电机突出优势之一，但这并不意味着开关磁阻电机及其控制系统永无故障发生。尤其对于机电系统中较为薄弱环节的功率变换器而言，其故障发生率占整个开关磁阻电机调速系统82.5％。而功率变换器作为系统运行所需能量的提供者与转换者，是开关磁阻电动机调速系统srd正常运行的重要保障，长期故障工作，必将影响电机输出性能，甚至对整个传动系统造成不可修复的不良结果。为了避免故障运行造成的恶性影响，提高该类电机驱动系统的可靠性与容错性，其容错控制方法的研究具有重要研究意义与实际应用价值。

但是，对于目前开关磁阻电机具有的电动阀门装置，用于控制开关磁阻电机的开关，其通常通过复杂的多级传动系统来与开关磁阻电机相连接，因此，现有的电动阀门装置响应慢，可靠性差，容错能力较差。

因此，目前迫切需要开发一种电动阀门装置，其结构设计科学合理，可靠性高，响应速度快，容错性能好，能够方便可靠地与开关磁阻电机连接，保证机械传动的效果。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有容错功能的开关磁阻电机的电动阀门装置，其结构设计科学合理，可靠性高，响应速度快，容错性能好，能够方便可靠地与开关磁阻电机连接，保证机械传动的效果，有利于广泛地推广应用，具有重大的生产实践意义。

为此，本发明提供了一种具有容错功能的开关磁阻电机的电动阀门装置，包括电动阀门、第一法兰、减速器和开关磁阻电机，其中：

电动阀门通过第一法兰与减速器相连接；

减速器通过第二法兰与开关磁阻电机的轴承相连接。

其中，还包括一个电动阀门控制器；

所述电动阀门控制器，分别与减速器和开关磁阻电机相连接，用于根据其内具有的不对称半桥型功率变换器的运行状态，对应对调不对称半桥型功率变换器中具有的斩波功率管qla或常闭功率管qua的功能，实现容错效果。

其中，电动阀门控制器的容错操作具体为：用于当检测获知不对称半桥型功率变换器内具有的任意一个绕组控制电路中的斩波功率管qla或常闭功率管qua发生短路故障时，确定该绕组控制电路所连接的绕组为故障相绕组，并在该故障相绕组的导通期间内，对应对调不对称半桥型功率变换器中具有的斩波功率管qla或常闭功率管qua的功能，实现容错效果。

其中，所述电动阀门控制器具有的不对称半桥型功率变换器，包括多个绕组控制电路，每个绕组控制电路分别与一相电机绕组相对应连接；

每个绕组控制电路包括常闭功率管qua、斩波功率管qla、电感l、二极管vd1和二极管vd2；

在每个绕组控制电路中，所述常闭功率管qua的集电极与直流供电电压us的正极输出端相接，所述常闭功率管qua的发射极与所述电机绕组的一端相连接，所述电机绕组的另一端与斩波功率管qla的集电极相接，所述常闭功率管qua的发射极还与二极管vd2的阴极相接，二极管vd2的阳极与直流供电电压us的负极输出端相接；

所述斩波功率管qla的集电极还与二极管vd1的阳极相接，所述二极管vd1的阴极与直流供电电压us的正极输出端相接；

所述斩波功率管qla的发射极与直流供电电压us的负极输出端相接；

所述常闭功率管qua和所述斩波功率管qla的基极均接地。

其中，所述直流供电电压us的正极输出端和负极输出端之间还并联有一个稳压电容c。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供的一种具有容错功能的开关磁阻电机的电动阀门装置，其结构设计科学合理，可靠性高，响应速度快，容错性能好，能够方便可靠地与开关磁阻电机连接，保证机械传动的效果，有利于广泛地推广应用，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1是本发明提供的一种具有容错功能的开关磁阻电机的电动阀门装置的结构示意图；

图2是本发明提供的一种具有容错功能的开关磁阻电机的电动阀门装置中电动阀门控制器具有的控制系统结构框图；

图3是本发明应用的开关磁阻电机中不对称半桥型功率变换器的拓扑电路结构图；

图4是本发明应用四相开关磁阻电机中不对称半桥型功率变换器的相绕组桥臂上的斩波功率管qla短路故障容错控制前，a相绕组的常闭功率管qua、斩波功率管qla驱动信号对比示意简图；

图5是本发明应用四相开关磁阻电机中不对称半桥型功率变换器的相绕组桥臂上的斩波功率管qla短路故障容错控制后，a相绕组的常闭功率管qua、斩波功率管qla驱动信号对比示意简图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至5，本发明提供了一种具有容错功能的开关磁阻电机的电动阀门装置，包括电动阀门1、第一法兰21、减速器3和开关磁阻电机5，其中：

电动阀门1通过第一法兰21与减速器3相连接；

减速器3通过第二法兰22与开关磁阻电机5的轴承相连接。

在本发明中，具体实现上，还包括一个电动阀门控制器4，所述电动阀门控制器4具有容错功能，分别与减速器3和开关磁阻电机5相连接，用于根据其内具有的不对称半桥型功率变换器的运行状态，对应对调不对称半桥型功率变换器中具有的斩波功率管qla或常闭功率管qua的功能，实现容错效果。

具体实现上，电动阀门控制器4的容错操作具体为：用于当检测获知不对称半桥型功率变换器内具有的任意一个绕组控制电路中的斩波功率管qla或常闭功率管qua发生短路故障时，确定该绕组控制电路所连接的绕组为故障相绕组，并在该故障相绕组的导通期间内，对应对调不对称半桥型功率变换器中具有的斩波功率管qla或常闭功率管qua的功能，实现容错效果。

需要说明的是，对于本发明，其采用开关磁阻电机作为电动阀门的动力电机，其控制器具有容错功能。这种装置主要包括：开关磁阻电机、电动阀门控制器、减速器和电动阀门。开关磁阻电机的轴承连接第二法兰，并由第二法兰与减速器一端相连接，减速器的另一端通过第一法兰与电动阀门连接。阀门控制器包括dsp控制部分和驱动功率放大部分。电动阀门控制器与减速器连接，开关磁阻电机与电动阀门控制器相连接。当电动阀门控制器中不对称半桥功率变换器的常闭功率管发生短路故障，该驱动系统能够立即对调同一桥臂上的常闭功率管与斩波功率管的功能，实现容错效果，同时具有结构简单、响应快、经济性良好的优点。

具体实现上，电动阀门控制器4包括数字信号处理器dsp和驱动功率放大部分，其具有的控制系统结构如图2所示。

其中，驱动功率放大部分包括主驱动电路、信号隔离驱动电路、电压采样电路、电流采样以及保护电路。

数字信号处理器dsp，具体可以为德州仪器ti公司生产的型号为tms320lf2407数字信号处理器，具体可以包括dsp外围电路、电流信号的检测电路、位置检测电路以及显示和按键驱动电路。

数字信号处理器dsp连接信号隔离驱动电路；

信号隔离驱动电路连接主驱动电路，并为主驱动电路提供开关信号，来决定迪纳基绕组的导通与关断状态；

主驱动电路，与不对称半桥型功率变换器相连接，用于驱动不对称半桥型功率变换器。

电压采样电路连接主驱动电路，同时又连接数字信号处理器dsp。

具体实现上，电流采样可以使用霍尔电流传感器，电机的不对称半桥型功率变换器具有的各相绕组穿过霍尔电流传感器。

具体实现上，对于驱动功率放大部分，其具有的保护电路包括制动电路、过压电路和欠压电路。所述制动电路、过压电路和欠压电路依次相连组成保护电路。

其中，制动电路将电机回馈的能量在制动电阻上消耗，过压电路使当直流电压超过过电压规定值时停止逆变器输出，避免元器件烧毁，欠压电路在检测到直流电压出现规定时间以上的电压过低现象时，使系统停止工作，避免出现因控制电路电压不足而造成的误动作。

具体实现上，dsp外围电路是通过数字信号处理器dsp的外部存储器接口模块emif连接用户扩展的外存储器，通过数字信号处理器dsp的jtag接口连接外部仿真器。

具体实现上，电流信号的检测电路是将电机绕组经过霍尔电流传感器，霍尔电流传感器连接电阻，再连接至数字信号处理器dsp的a/d转换通道，进行采样保持。

对于本发明，具体实现上，位置检测电路是通过光电编码器获取电机转子位置信号，具体为：位置检测电路是利用光电编码器检测开关磁阻电机的转子位置，光电编码器与电机转子轴连接在一起，光电编码器输出的脉冲信号传入dsp控制器的捕获引脚cap/qep，dsp再根据光电编码器输出的脉冲数值获得转子具体位置，输出脉宽调制控制信号以控制开关磁阻电机各相绕组电流的导通与关断时间。

对于本发明，位置检测采用光电式编码器，包括红外发光二极管、红外光敏二极管、辅助电路、遮光盘。遮光盘与电机同步旋转，通过遮光盘的遮光、透光，使光敏元件产生导通与关断。开关磁阻电机位置检测信号为数字信号，转子每转过一个步进角，位置检测信号应相应变化，dsp控制器据此发生相应相绕组的通断命令。对于四相8/6极开关磁阻电机而言，在一个转子极距角60°内，共有4个步进角，位置检测信号应相应变化4次，当转过一个转子极距角后，位置信号又回到起始位置。在电机定子上安装的两个相距15°的光敏传感元件输入电路整形处理，输出两路相位差15°的方波信号。tms320lf2407的两个捕获单元cap1、cap2分别检测这两路信号，当捕获输入引脚上检测到一个电平调变时，定时器t1或t2的值被捕获并存储在相应的两级深fifo堆栈中。位置信号的上下沿跳变均引起捕获中断，即产生一次捕捉中断，cap的中断服务程序根据转子的瞬时位置信号，由开关磁阻电机换相逻辑，确定电机对应绕组关断与导通。

具体实现上，故障显示部分由led数码显示单元构成，并与dsp芯片的spi接口相连。

具体实现上，数字信号处理器dsp通过i/o端口作为按键检测引脚，连接键盘输入单元。

在本发明中，具体实现上，电动阀门控制器4具有的不对称半桥型功率变换器，参见图2、图3所示，包括多个绕组控制电路，每个绕组控制电路分别与一相电机绕组(不限于图3所示的四相绕组：a相绕组、b相绕组、c相绕组和d相绕组)相对应连接；

每个绕组控制电路包括常闭功率管qua、斩波功率管qla、电感l、二极管vd1和二极管vd2；

在每个绕组控制电路中，所述常闭功率管qua的集电极与直流供电电压us的正极输出端相接，所述常闭功率管qua的发射极与所述电机绕组的一端相连接，所述电机绕组的另一端与斩波功率管qla的集电极相接，所述常闭功率管qua的发射极还与二极管vd2的阴极相接，二极管vd2的阳极与直流供电电压us的负极输出端相接；

所述斩波功率管qla的集电极还与二极管vd1的阳极相接，所述二极管vd1的阴极与直流供电电压us的正极输出端相接；

所述斩波功率管qla的发射极与直流供电电压us的负极输出端相接；

所述常闭功率管qua和所述斩波功率管qla的基极均接地。

对于电动阀门控制器4，其实时检测不对称半桥型功率变换器的工作状态；当检测获知任意一个绕组控制电路中的斩波功率管qla或常闭功率管qua发生短路故障时，确定该绕组控制电路所连接的绕组为故障相绕组，并在该故障相绕组的导通期间内，对应对调不对称半桥型功率变换器中具有的斩波功率管qla或常闭功率管qua的功能(即为容错处理操作)，实现容错效果。

例如，具体可以为：具体实现上，当检测获知任意一个绕组控制电路中的斩波功率管qla发生短路故障时，将发送给斩波功率管qla和常闭功率管qua的驱动信号(即开关信号)互相对调，即将斩波功率管的工作状态设置为常闭合状态(即代替常闭功率管保持恒通状态)，将常闭功率管的工作状态设置为斩波状态(即常闭功率管代替斩波功率管完成斩波功能)。

因此，对于本发明，可以实现发生短路故障的故障相绕组中斩波功率管qla和常闭功率管qua的功能对调，实现良好的容错控制，保证了该相绕组的正常运行，从而保证不对称半桥型功率变换器的正常运行。

需要说明的是，二极管vd1和二极管vd2作为续流二极管使用，在电路中起到续流的作用。

需要说明的是，对于开关磁阻电机中不对称半桥型功率变换器的每相绕组，都有预设固定的导通期间，即电流导通该相绕组的期间。

具体实现上，所述直流供电电压us的正极输出端和负极输出端之间还并联有一个稳压电容c。

具体实现上，可以通过现有开关磁阻电机驱动系统中的故障诊断模块(或者故障诊断装置)来检测不对称半桥型功率变换器的工作状态，并获知具体的故障相和故障元件，即可以获知常闭功率管qua或斩波功率管qla是否发生了短路故障。

具体实现上，对于不对称半桥型功率变换器，其中的功率管可以选取日本富士公司生产的型号为exb841的快速型igbt(绝缘栅双极型晶体管)专用驱动模块。

对于本发明，其利用开关磁阻电机容错驱动系统，来进行电动阀门的调节，可以为：以开关磁阻电机的定子电流为直接控制对象，其核心是控制相绕组电流跟随给定电流，电机每旋转一步即向计数器发生一个位置反馈脉冲，处理器根据步进计数器的步数值在存储器中查询相应步的导通相绕组的电流给定值，经过d/a转换并分别与霍尔电流传感器测得的相绕组电流信号相比较，电流差值送入dsp控制器，用以控制功率变换器，使其输出脉宽被调制的功率开关信号，从而使实际输出电流按给定电流值变化，采用高频率全控型电力电子器件igbt保证输出电流接近理想值，从而实现电机精准位置控制与运行。

需要说明的是，不对称半桥型功率变换器中主开关的功率管，经常会因为过热、高频动作、恶劣工作环境等因素的影响，发生短路的故障，因此，严重影响到整个不对称半桥型功率变换器的正常运行，给用户带来经济损失。当检测获知任意一个绕组控制电路中的斩波功率管qla或常闭功率管qua发生短路故障时，确定该绕组控制电路所连接的绕组为故障相绕组。在故障诊断部分诊断出故障详情后，在故障相绕组的导通期间内，对应执行预设的容错处理操作。

图3与图4中的二极管vd1和二极管vd2作为续流二极管使用，在电路中起到续流的作用。对于开关磁阻电机中不对称半桥型功率变换器的每相绕组，都有预设固定的导通期间，即电流导通该相绕组的期间。

对于本发明，其采用的电动阀门控制器，当检测获知任意一个绕组控制电路中的斩波功率管qla发生短路故障时，对应执行的预设的容错处理操作具体为：将发送给斩波功率管qla和常闭功率管qua的驱动信号(即开关信号)互相对调，即将斩波功率管的工作状态设置为常闭合状态(即代替常闭功率管保持恒通状态)，将常闭功率管的工作状态设置为斩波状态(即常闭功率管代替斩波功率管完成斩波功能)。可以实现发生短路故障的故障相绕组中斩波功率管qla和常闭功率管qua的功能对调，实现良好的容错控制，保证了该相绕组的正常运行，从而保证不对称半桥型功率变换器的正常运行。

需要说明的是，在一个绕组控制电路中，如果故障相绕组的桥臂下方的斩波功率管发生短路故障，那么该斩波功率管处于恒通状态，无法实现脉冲宽度调制(pwm)斩波功能，因此，该斩波功率管的短路故障实质为：在故障相绕组的导通期间，斩波功率管由正常状态下进行“不断闭合与断开”动作，变成在故障状态下进行“常闭合”操作。但是，由于该故障相绕组的桥臂上方的常闭功率管可在控制器的开关信号驱动下实施“不断闭合与断开”动作。因此，可将斩波功率管与常闭功率管的工作状态对调，即在故障相绕组的导通期间，将故障相绕组对应的斩波功率管驱动信号与常闭功率管驱动信号互换，因此使得斩波功率管代替常闭功率管保持恒通状态，常闭功率管代替斩波功率管来完成斩波功能。

对于本发明，其可以利用开关磁阻电机容错驱动系统，来进行电动阀门自动调节，具体为：以开关磁阻电机定子电流为控制对象，电机采用电流矢量增量运动模式，模拟步进电机的运动控制模式，以获得微小的电机定位精度来调节电动阀门的角度。开关磁阻电机连接单级减速器的一端，单级减速器的另一端连接电动阀门，三者构成结构简单、性能优越、具有一定容错能力的高精度微调电动阀门装置。电流信号检测电路通过霍尔电流传感器采集电流实时信号，并将采集的电流实时信号送入控制器中的故障检测部分，经过故障诊断后由故障显示装置表现出故障详情，dsp控制器根据故障详情启动相应容错控制方案。当不对称半桥功率变换器某相桥臂上的斩波功率管发生短路故障时，dsp控制器立即对调常闭功率管与斩波功率管的工作状态，即在故障相导通期间常闭功率管不断闭合与断开完成斩波功能，而斩波功率管始终处于闭合状态，实现容错控制。

对于本发明，具体实现上，数字信号处理器dsp发出pwm脉冲信号，将pwm信号输入信号隔离驱动电路，信号隔离驱动电路连接驱动电路，为驱动电路提供开关信号决定电机绕组的导通与关断状态。同时，如果驱动电路发生故障，故障信号将通过信号隔离驱动传送至dsp，dsp检测到故障信号及时中断电机绕组电流。

对于本发明，具体实现上，电压采样电路连接驱动电路，同时电压采样电路连接dsp。其作用是对驱动电路中线电压进行采样，将过压或欠压信号输入dsp，如检测到过压或欠压信号发出制动信号，输入信号隔离驱动电路及时关断电机绕组电流。电流采样使用霍尔电流传感器，电机绕组穿过霍尔电流传感器。

需要说明的是，对于本发明，与现有技术相比，采用开关磁阻电机作为动力源电机，以电机的定子电流为直接控制对象，利用全数字控制器实现阀门电动装置的精准定位精度，且具有一定容错性能。在薄弱功率变换器的斩波功率主开关发生短路故障时，电动阀门控制器通过对调常闭功率管与斩波功率管的功能，即在故障相导通期间，使常闭功率管不断闭合与断开完成斩波功能，斩波功率管一直处于常闭状态，达到良好的容错效果。当不对称半桥型功率变换器桥臂上的斩波开关器件出现短路故障时，电动阀门可以根据故障检测装置(在现有开关磁阻电机驱动系统中)显示的故障详情，立即对调斩波开关器件与常闭合开关器件功能，即在故障相导通期间常闭合开关器件完成斩波功能，而斩波开关器件完成常闭合功能。

对于本发明，与现有技术相比，其采用开关磁阻电机作为动力源电机，以电机定子电流为直接控制对象，且其驱动系统具有一定容错能力，利用全数字控制器实现阀门电动装置的精确可靠定位，保证了系统具有较高的可靠性与容错性，且省去了复杂的机械传动装置，经由电机轴输出直接用简易的减速传动，便可替代现有技术的多级复杂传动系统，实现阀门的调节和定位。实际运行表明，本发明提供的电动阀门装置具有结构简单、响应速度快、容错性能好、可靠性高等优点。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种具有容错功能的开关磁阻电机的电动阀门装置，其结构设计科学合理，可靠性高，响应速度快，容错性能好，能够方便可靠地与开关磁阻电机连接，保证机械传动的效果，有利于广泛地推广应用，具有重大的生产实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。