一种四相无刷直流电机容错功率变换器及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种四相无刷直流电机容错功率变换器及控制方法，包括五个逆变桥臂、六个双向晶闸管和十个熔断器，四相绕组组成相互隔离的两通道后分别接在四个桥臂的中点，第五桥臂为冗余桥臂，仅在容错运行时工作。各桥臂上每个功率管都串联有熔断器，可保护系统不被短路故障烧坏并在发生短路故障时将短路故障转化为开路故障进行容错。每个桥臂的中点和第五桥臂的中点连接有双向晶闸管，用于实现功率管故障容错；绕组中性点和和第五桥臂的中点也连接有双向晶闸管，用于实现绕组故障容错。本发明的技术适用于四相永磁无刷直流电机和双凸极电机，能实现功率管和绕组的开路和短路故障容错。
【专利说明】一种四相无刷直流电机容错功率变换器及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种四相无刷直流电机容错功率变换器及控制方法，属于容错电机控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]传统的三相永磁无刷直流电机和三相双凸极电机能以三相方波电流进行驱动，具有起动转矩大、功率密度高、调速性能好等优点，应用前景越来越广泛。具有四相冗余绕组的无刷直流电机通过采用多相绕组，在出现单相或多相故障后仍可以实现一定的输出，具有较高的容错能力，非常适合应用于特种车辆、航空航天等对电机驱动性能的可靠性要求较高的场合。
[0003]永磁无刷直流电机和双凸极电机可能出现的故障类型较多，按照故障位置可分为功率管故障和绕组故障；按照故障类型可分为短路故障和开路故障。目前国内外对开路故障(又称为缺相故障)的容错研究较多，例如赵品志等在《中国电机工程学报》2011年第25期发表的论文“五相永磁同步电动机单相开路故障的容错控制策略”。由于短路故障会引起绕组内部产生很大的短路电流，这种短路电流又会导致电机过热而烧坏，因此发明一种既能实现开路故障容错、又能实现短路故障容错的功率变换器具有很高的实用价值。
[0004]目前已有的技术中，公开的中国发明专利:一种用于开关磁阻电机的容错功率变换器，申请号:200810156543.7,公布了一种用于开关磁阻电机的容错功率变换器，由并联于第一、第二母线之间的三相相同的主开关管冗余不对称半桥电路和一个电源、一个储能电容组成，适用于开关磁阻电机。公开的中国发明专利:基于多神经网络逆模型的多相电机容错控制方法及系统，申请号:201210005220.4，采用神经网络技术来分别获取电机正常和故障状态逆模型，在正常及故障下由电流检测磁链观测逆模型切换模块选择相应的逆模型及电流变换器，在开路后将神经网络逆输出的定子d，q轴电流变换成四相参考电流用于控制正弦波驱动的电机。公开的中国发明专利:具有高容错能力的四相六桥臂逆变器，申请号:201310025041.1，公开了具有高容错能力的四相六桥臂逆变器，包括四相半桥拓扑结构，每个桥臂输出端连接一相绕组，互差90°机械角度的两相绕组作为一组，每组增加一个桥臂，增加的两个桥臂共同控制相绕组的电流零序分量，两桥臂的输出电流支路上均串联一个双向导通二极管，用于故障隔离。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】的缺陷，提供一种能实现功率管和绕组的开路和短路故障容错的四相无刷直流电机容错功率变换器。
[0006]本发明另一目的是提供该容错功率变换器的控制方法，该方法可以实现功率管故障的隔离和容错，还可以防止因短路电流过大而产生绕组高温烧坏和转矩脉动。
[0007]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种四相无刷直流电机容错功率变换器，包括第一桥臂(I)、第二桥臂(2)、第三桥臂(3)、第四桥臂(4)、第五桥臂(5)、六个双向晶闸管和十个熔断器:
所述第一桥臂(I)主要由第一功率管(Tl)和第二功率管(T2)串联组成，第一功率管(Tl)和第二功率管(T2)分别串联有第一熔断器(Fl)和第二熔断器(F2);第二桥臂(2)主要由第三功率管(T3 )和第四功率管(T4)串联组成，第三功率管(T3 )和第四功率管(T4)分别串联有第三熔断器(F3)和第四熔断器(F4);第三桥臂(3)主要由第五功率管(T5)和第六功率管(T6)串联组成，第五功率管(T5)和第六功率管(T6)分别串联有第五熔断器(F5)和第六熔断器(F6);第四桥臂(4)主要由第七功率管(T7)和第八功率管(T8)串联组成，第七功率管(T7)和第八功率管(T8)分别串联有第七熔断器(F7)和第八熔断器(F8);第五桥臂(5)由第九功率管(T9)和第十功率管(TlO)串联组成，第九功率管(T9)和第十功率管(TlO)分别串联有第九熔断器(F9)和第十熔断器(F10);所述桥臂的正极接在一起，负极接在一起，桥臂上的每个功率管都并联有体二极管；
各桥臂与四相电枢绕组连接:四相电枢绕组的A相电枢绕组、B相电枢绕组、C相电枢绕组和D相电枢绕组相位依次相差90°电角度，A相电枢绕组和C相电枢绕组反向串联后分别接第一桥臂(I)和第二桥臂(2 )的中点，A相电枢绕组和C相电枢绕组的连接点通过第一双向晶闸管(TRl)接在第五桥臂(5 )的中点；B相电枢绕组和D相电枢绕组反向串联分别接第三桥臂(3 )和第四桥臂(4)的中点，B相电枢绕组和D相电枢绕组的连接点通过第二双向晶闸管(TR2)接在第五桥臂(5)的中点；第一桥臂(I)、第二桥臂(2)、第三桥臂(3)和第四桥臂(4)的中点分别通过第三双向晶闸管(TR3)、第四双向晶闸管(TR4)、第五双向晶闸管(TR5)和第六双向晶闸管(TR6)接在第五桥臂(5)的中点。
[0008]上述的四相无刷直流电机容错功率变换器的控制方法，该方法中:
当第一?第四桥臂之一的功率管出现开路故障时，控制该桥臂与第五桥臂(5)连接的双向晶闸管导通，并将所述故障桥臂的控制信号用于控制第五桥臂(5)上的功率管，系统实现容错控制；
当第一?第四桥臂之一的功率管出现短路故障时，该功率管串联的熔断器将因过流而熔断，该功率管的短路故障被自动转化为开路故障，并通过上述的功率管开路故障容错方法进行容错控制；
当四相电枢绕组中一相电枢绕组出现开路故障时，控制该故障相与第五桥臂(5)连接的双向晶闸管导通，并将所述故障相连接桥臂上的控制信号用于控制第五桥臂(5)上的功率管，系统实现容错控制；
当四相电枢绕组中一相电枢绕组出现短路故障时，连接该故障相的熔断器将因过流发热而熔断，电枢绕组的短路故障被自动转化为开路故障，并通过上述的绕组开路故障容错方法进行容错控制。
[0009]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
本发明采用的技术方案与上述文献皆不相同。首先，在总体上本发明采用四相五桥臂的架构，第五桥臂为冗余桥臂，仅在容错运行时工作，不用于控制各相绕组的电流零序分量；其次，本发明每个功率管串联有熔断器，可保护系统不被短路故障烧坏；再次，本发明在处理短路故障时，是将短路故障转化为开路故障，并进行容错控制的；另外，本发明的技术既能实现功率管故障的容错，又能实现绕组开路故障的容错；最后，本发明的技术适用于各相绕组之间相位差为90°电角度的四相无刷直流电机，包括永磁无刷直流电机和双凸极电机。
[0010]目前 申请人:经国内外检索，尚未检索到本发明所涉及的四相无刷直流电机容错功率变换器及控制方法。
[0011]1.发明的四相无刷直流电机容错功率变换器配合四相无刷直流电机，比传统的三相电机具有更多的冗余相绕组，当其中一相出现故障时，其余三相仍然可以出力，具有较高的容错能力；
2.发明的四相无刷直流电机容错功率变换器具备两个互相隔离的通道，其中一个通道出现故障不会对另一个通道构成威胁。
[0012]3.发明的四相无刷直流电机容错功率变换器既可以实现功率管故障的隔离和容错，又可以实现绕组故障的隔离和容错。
[0013]4.发明的四相无刷直流电机容错功率变换器每个功率管都串联有熔断器，可以将短路故障及时隔离为开路故障，既能防止电源因桥臂上下直通而损坏，有可以实现功率管故障的隔离和容错，还可以防止因短路电流过大而产生绕组高温烧坏和转矩脉动。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明四相无刷直流电机容错功率变换器拓扑；
图2是本发明的四相无刷直流电机容错功率变换器正常工作状态的简化图；
图3是本发明四相无刷直流电机容错功率变换器出现功率管故障时的控制原理图；
图4是本发明四相无刷直流电机容错功率变换器出现绕组故障时的控制原理图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1所示的四相无刷直流电机容错功率变换器拓扑，第一桥臂(I)、第二桥臂(2)、第三桥臂(3)、第四桥臂(5)、六个双向晶闸管、十个熔断器和连接所述桥臂的四相电枢绕组。
[0016]第一桥臂(I)主要由第一功率管(Tl)和第二功率管(T2)串联组成，第一功率管(Tl)和第二功率管(T2)分别还串联有第一熔断器(Fl)和第二熔断器(F2)；
第二桥臂(2)主要由第三功率管(T3)和第四功率管(T4)串联组成，第三功率管(T3)和第四功率管(T4)分别串联有第三熔断器(F3)和第四熔断器(F4)；
第三桥臂(3)主要由第五功率管(T5)和第六功率管(T6)串联组成，第五功率管(T5)和第六功率管(T6 )分别串联有第五熔断器(F5 )和第六熔断器(F6 );
第四桥臂(4)主要由第七功率管(T7)和第八功率管(T8)串联组成，第七功率管(T7)和第八功率管(T8)分别串联有第七熔断器(F7)和第八熔断器(F8)；
第五桥臂(5)由第九功率管(T9)和第十功率管(TlO)串联组成，第九功率管(T9)和第十功率管(TlO)分别串联有第九熔断器(F9)和第十熔断器(FlO)；
第一至第五桥臂的两个功率管都分别并联一个体二极管。
[0017]该变换器与四相无刷直流电机的连接关系如下:四相无刷直流电机的A相电枢绕组、B相电枢绕组、C相电枢绕组和D相电枢绕组相位依次相差90°电角度，A相电枢绕组和C相电枢绕组反向串联后分别接第一桥臂(I)和第二桥臂(2 )的中点，A相电枢绕组和C相电枢绕组的连接点通过第一双向晶闸管(TRl)接在第五桥臂(5 )的中点；B相电枢绕组和D相电枢绕组反向串联后分别接第三桥臂(3 )和第四桥臂(4)的中点，B相电枢绕组和D相电枢绕组的连接点通过第二双向晶闸管(TR2)接在第五桥臂(5)的中点；第一桥臂(I)、第二桥臂(2)、第三桥臂(3)和第四桥臂(4)的中点分别通过第三双向晶闸管(TR3)、第四双向晶闸管(TR4)、第五双向晶闸管(TR5)和第六双向晶闸管(TR6)接在第五桥臂(5)的中点。
[0018]图2所示的四相无刷直流电机容错功率变换器正常工作状态的简化图。
[0019]图2中，四相无刷直流电机的A相电枢绕组、B相电枢绕组、C相电枢绕组和D相电枢绕组相位依次相差90°电角度，A相电枢绕组和C相电枢绕组反向串联组成一个通道，B相电枢绕组和D相电枢绕组反向串联成一个通道，两个通道互相隔离，当其中一个通道出现故障时，另一个通道可以运行，系统本身具有一定的容错能力。
[0020]图3是本发明四相无刷直流电机容错功率变换器出现功率管故障时的控制原理图。
[0021]当某个桥臂上的功率管出现开路故障时，控制器控制该桥臂与第五桥臂(5)连接的双向晶闸管导通，并将故障桥臂的控制信号用于控制第五桥臂(5)上的功率管，系统实现容错控制。以第一功率管(Tl)或第二功率管(T2)出现开路故障为例，控制器控制第一桥臂(I)与第五桥臂(5)连接的第三双向晶闸管(TR3)导通，并将第一功率管(Tl)和第二功率管(T2)的控制信号用于分别控制第九功率管(T9)和第十功率管(TlO)。
[0022]当某个桥臂上的功率管出现短路故障时，其串联的熔断器将因过流而熔断，功率管的短路故障被自动转化为开路故障，并通过本发明的开路故障容错方法进行容错控制。以第一功率管(Tl)或第二功率管(T2)出现短路故障为例，串联的第一熔断器(Fl)或第二熔断器(F2)熔断器将因过流而熔断，功率管的短路故障被自动转化为开路故障，并利用功率管开路故障容错控制方法进行容错控制。
[0023]图4是本发明四相无刷直流电机容错功率变换器出现绕组故障时的控制原理图。
[0024]图4中，当某相电枢绕组出现开路故障时，控制该故障相与第五桥臂(5)连接的双向晶闸管导通，并将所述故障相连接桥臂上的控制信号用于控制第五桥臂(5)上的功率管，系统实现容错控制。以A相电枢绕组出现开路故障为例，控制器控制A相绕组与第五桥臂
(5)连接的第一双向晶闸管(TRl)导通，并将连接A相的第一桥臂(I)上的第一功率管(Tl)和第二功率管(T2)的控制信号用于分别控制第九功率管(T9)和第十功率管(T10)，系统实现容错控制。
[0025]当某相电枢绕组出现短路故障时，连接该故障相的熔断器将因过流发热而熔断，电枢绕组的短路故障被自动转化为开路故障，并通过本发明的开路故障容错方法进行容错控制。以A相电枢绕组出现短路故障为例，A相电枢绕组连接的第一桥臂(I)上的第一熔断器(Fl)或第二熔断器(F2)将因过流而熔断，A相电枢绕组的短路故障被自动转化为开路故障，并通过绕组短路故障容错方法进行容错控制。
[0026]本发明的四相无刷直流电机容错功率变换器及控制方法适用于四相无刷直流电机、四相双凸极无刷直流电机。
[0027]需要指出的是，以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种四相无刷直流电机容错功率变换器，包括第一桥臂(I)、第二桥臂(2)、第三桥臂(3)、第四桥臂(4)、第五桥臂(5)、六个双向晶闸管和十个熔断器，其特征在于: 所述第一桥臂(I)主要由第一功率管(Tl)和第二功率管(T2)串联组成，第一功率管(Tl)和第二功率管(T2)分别串联有第一熔断器(Fl)和第二熔断器(F2);第二桥臂(2)主要由第三功率管(T3 )和第四功率管(T4 )串联组成，第三功率管(T3 )和第四功率管(T4 )分别串联有第三熔断器(F3)和第四熔断器(F4);第三桥臂(3)主要由第五功率管(T5)和第六功率管(T6)串联组成，第五功率管(T5)和第六功率管(T6)分别串联有第五熔断器(F5)和第六熔断器(F6);第四桥臂(4)主要由第七功率管(T7)和第八功率管(T8)串联组成，第七功率管(T7 )和第八功率管(T8 )分别串联有第七熔断器(F7 )和第八熔断器(F8 );第五桥臂(5)由第九功率管(T9)和第十功率管(TlO)串联组成，第九功率管(T9)和第十功率管(TlO)分别串联有第九熔断器(F9)和第十熔断器(FlO);所述桥臂的正极接在一起，负极接在一起，桥臂上的每个功率管都并联有体二极管； 各桥臂与四相电枢绕组连接:四相电枢绕组的A相电枢绕组、B相电枢绕组、C相电枢绕组和D相电枢绕组相位依次相差90°电角度，A相电枢绕组和C相电枢绕组反向串联后分别接第一桥臂(I)和第二桥臂(2 )的中点，A相电枢绕组和C相电枢绕组的连接点通过第一双向晶闸管(TRl)接在第五桥臂(5 )的中点；B相电枢绕组和D相电枢绕组反向串联分别接第三桥臂(3 )和第四桥臂(4)的中点，B相电枢绕组和D相电枢绕组的连接点通过第二双向晶闸管(TR2)接在第五桥臂(5)的中点；第一桥臂(I)、第二桥臂(2)、第三桥臂(3)和第四桥臂(4)的中点分别通过第三双向晶闸管(TR3)、第四双向晶闸管(TR4)、第五双向晶闸管(TR5)和第六双向晶闸管(TR6)接在第五桥臂(5)的中点。
2.权利要求1所述的四相无刷直流电机容错功率变换器的控制方法，其特征在于: 当第一?第四桥臂之一的功率管出现开路故障时，控制该桥臂与第五桥臂(5)连接的双向晶闸管导通，并将所述故障桥臂的控制信号用于控制第五桥臂(5)上的功率管，系统实现容错控制； 当第一?第四桥臂之一的功率管出现短路故障时，该功率管串联的熔断器将因过流而熔断，该功率管的短路故障被自动转化为开路故障，并通过上述的功率管开路故障容错方法进行容错控制； 当四相电枢绕组中一相电枢绕组出现开路故障时，控制该故障相与第五桥臂(5)连接的双向晶闸管导通，并将所述故障相连接桥臂上的控制信号用于控制第五桥臂(5)上的功率管，系统实现容错控制； 当四相电枢绕组中一相电枢绕组出现短路故障时，连接该故障相的熔断器将因过流发热而熔断，电枢绕组的短路故障被自动转化为开路故障，并通过上述的绕组开路故障容错方法进行容错控制。
【文档编号】H02P6/00GK103812319SQ201410063547
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】周波, 史立伟, 魏佳丹, 赵星 申请人:南京航空航天大学