本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种两相电机容错系统及控制方法。
背景技术：
：容错技术广泛应用于航空航天和工业领域，其中电机容错控制技术是目前研究的一个热点。常见的容错技术主要有：硬件容错技术、功能容错技术、软件容错技术、鲁棒容错技术和重构容错控制技术等。其中，重构容错技术的核心是：利用故障检测和诊断机构，可以对实时工作系统进行不间断的故障检测和估计，由故障诊断机构根据检测和估计信号诊断故障原因，再利用设计的容错控制策略动态地重新构造控制器。这样，系统在新的控制器下仍然保证一定的系统功能和控制效果，因此需要设计一种具有重构容错能力的电机驱动系统。技术实现要素：本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种两相电机容错系统及控制方法，能够保证两相电机驱动系统在逆变器发生故障时具有持续稳定工作的能力。为了实现上述目的，本发明两相电机容错系统包括打开公共点形成电流输入端a、b与电流输出端m、n的开绕组电机m，所述电流输入端a与电流输出端n分别设置在电枢绕组a的两端，电流输入端b与电流输出端m分别设置在电枢绕组b的两端；电流输入端a、b与电流输出端m、n分别连接逆变器工作桥臂bra、brb、brm、brn；逆变器工作桥臂bra、brb与并联的逆变器容错桥臂bf1组成逆变器i，逆变器工作桥臂brm、brn与并联的逆变器容错桥臂bf2组成逆变器ii；所述电枢绕组a的电流输入端a分为两路，一路通过快速熔断保险丝fa与逆变器桥臂bra的中点na相连，另一路通过双向晶闸管tra与逆变器容错桥臂bf1的中点nf1相连；电枢绕组a的电流输出端n分为两路，一路通过快速熔断保险丝fn与逆变器桥臂brn的中点nn相连，另一路通过双向晶闸管trn与逆变器容错桥臂bf2的中点nf2相连；所述电枢绕组b的电流输入端b分为两路，一路通过快速熔断保险丝fb与逆变器桥臂brb的中点nb相连，另一路通过双向晶闸管trb与逆变器容错桥臂bf1的中点nf1相连；电枢绕组b的电流输出端m分为两路，一路通过快速熔断保险丝fm与逆变器桥臂brm的中点nm相连，另一路通过双向晶闸管trm与逆变器容错桥臂bf2的中点nf2相连；所述的逆变器工作桥臂bra、brb、brm、brn以及逆变器容错桥臂bf1、bf2上分别设置有两个功率开关管，各个功率开关管以及双向晶闸管tra、trb、trm、trn分别连接控制器。电流输入端a、b所连接逆变器工作桥臂bra、brb与逆变器容错桥臂bf1上的功率开关管及双向晶闸管tra、trb连接控制器con1，电流输出端m、n所连接逆变器工作桥臂brm、brn与逆变器容错桥臂bf2上的功率开关管及双向晶闸管trm、trn连接控制器con2。控制器con1通过电流传感器检测电流输入端a、b的电流。控制器con2通过电流传感器检测电流输出端m、n的电流。逆变器工作桥臂bra、brb、brm、brn上的两个功率开关管分别串联一个熔断保险丝。逆变器工作桥臂bra、brb、brm、brn与逆变器容错桥臂bf1、bf2上的功率开关管采用igbt或mosfet。逆变器工作桥臂bra、brb、brm、brn与逆变器容错桥臂bf1、bf2上的功率开关管并联一个反向二极管。所述的开绕组电机m采用公共连接点打开的两相异步电机、两相同步电机、两相永磁同步电机、两相永磁无刷直流电机、两相开关磁阻电机、两相磁阻电机或者两相步进电机。本发明两相电机容错系统的控制方法，包括以下步骤：1)检测电机定子三相绕组相电流ia，ib，ic和相电压va，vb，vc；根据检测结果判断电机系统故障状态标志f：2)当电机系统正常健康工作时，f＝0，双向晶闸管tra、trb、trm、trn的触发端电压信号tra＝trb＝trm＝trn＝0，四个逆变器工作桥臂bra、brb、brm、brn处于工作状态，逆变器容错桥臂bf1、bf2处于不工作状态，系统工作在两相电机矢量控制方式下；逆变器各桥臂中点输出电流为：式中，is为参考电流幅值，ina、inn、inb、inm为系统四个逆变器工作桥臂中点流到电机的电流，inf1、inf2为系统两个逆变器容错桥臂中点流到电机的电流，θ为电机转子角度；此时，逆变器各桥臂输出到电机两相定子绕组的有效相电压为：式中，vm为输出电压幅值，vna-nn为逆变器工作桥臂bra中点na与逆变器工作桥臂brn的中点nn之间的输出电压，vnb-nm为逆变器工作桥臂brb中点nb与逆变器工作桥臂brm的中点nm之间的输出电压；3)当电机系统逆变器桥臂bra故障时，故障包括桥臂短路或开路，此时，f＝1，tra＝1，trb＝trm＝trn＝0，三个逆变器工作桥臂brb、brm、brn处于工作状态，逆变器容错桥臂bf1处于工作状态，其他桥臂不工作；系统工作在两相电机矢量控制方式下；逆变器各桥臂中点输出电流为：此时，逆变器各桥臂输出到电机两相定子绕组的有效相电压为：4)当电机系统逆变器工作桥臂brb故障时，故障包括桥臂短路或开路，此时，f＝2，trb＝2，tra＝trm＝trn＝0，三个逆变器工作桥臂bra、brm、brn处于工作状态，逆变器容错桥臂bf1处于工作状态，其他桥臂不工作；系统工作在两相电机矢量控制方式下；逆变器各桥臂中点输出电流为：此时，逆变器各桥臂输出到电机两相定子绕组的有效相电压为：5)当电机系统逆变器工作桥臂brm故障时，故障包括桥臂短路或开路，此时，f＝3，trm＝1，tra＝trb＝trn＝0，三个逆变器工作桥臂bra、brb、brn处于工作状态，逆变器容错桥臂bf2处于工作状态，其他桥臂不工作；系统工作在两相电机矢量控制方式下；逆变器各桥臂中点输出电流为：此时，逆变器各桥臂输出到电机两相定子绕组的有效相电压为：6)当电机系统逆变器工作桥臂brn故障时，故障包括桥臂短路或开路；此时，f＝4，trn＝1，tra＝trb＝trm＝0，三个逆变器工作桥臂bra、brb、brm处于工作状态，逆变器容错桥臂bf2处于工作状态，其他桥臂不工作，系统工作在两相电机矢量控制方式下；逆变器各桥臂中点输出电流为：此时，逆变器各桥臂输出到电机两相定子绕组的有效相电压为：7)当电机系统逆变器工作桥臂bra、brb同时故障时，故障包括桥臂短路或开路，此时，f＝5，tra＝trb＝1，trm＝trn＝0，两个逆变器工作桥臂brm、brn处于工作状态，逆变器容错桥臂bf1处于工作状态，其他桥臂不工作，系统工作在两相电机矢量控制方式下；逆变器各桥臂中点输出电流为：此时，逆变器各桥臂输出到电机两相定子绕组的有效相电压为：8)当电机系统逆变器桥臂brm、brn同时故障时，故障包括桥臂短路或开路；此时，f＝6，tra＝trb＝0，trm＝trn＝1；两个逆变器工作桥臂bra、brb处于工作状态，逆变器容错桥臂bf2处于工作状态，其他桥臂不工作；系统工作在两相电机矢量控制方式下；逆变器各桥臂中点输出电流为：此时，逆变器各桥臂输出到电机两相定子绕组的有效相电压为：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通常的开关故障包括开关开路和开关短路两种，在逆变器i和逆变器ii中出现任意一个、两个或三个桥臂故障时，该故障桥臂将由对应的逆变器容错桥臂替代，系统仍然能够正常工作；当逆变器i和逆变器ii中出现全部四个桥臂故障时，由于故障桥臂数目超出了本系统容错机制的设计范围，系统将无法工作。本发明在常规两相电机基础上，通过逆变器与电机耦合在一起，构造出具有结构容错特性的电机驱动系统。利用常规的八开关逆变器并辅助两个容错开关桥臂的方式，所提出的两相电机容错驱动系统在逆变器开关故障时能够快速移除故障点，甚至在多故障点发生的情况下改变系统拓扑结构，使得系统在新拓扑结构下仍然能够持续安全可靠的运行，有效保证了工业生产过程的持续可靠运行。此外，本发明具有很强的通用性，适用于多种类型的两相电机。进一步的，本发明开绕组电机m采用公共连接点打开的两相电机，可以是两相异步电机、两相同步电机、两相永磁同步电机、两相永磁无刷直流电机、两相开关磁阻电机、两相磁阻电机或者两相步进电机等。附图说明图1两相电机八开关逆变器驱动系统图；图2两相电机六开关逆变器驱动系统图；图3两相电机容错逆变器驱动系统图；图4健康工作状态下两相电机容错逆变器驱动系统图；图5系统逆变器组任意一个功率开关桥臂故障情况的系统拓扑图；图6系统变器器二个功率开关桥臂故障情况的系统拓扑图；图7系统逆变器三个功率开关桥臂故障情况的系统拓扑图；图8两相电机八开逆变器模式下的空间矢量电压分布图；图9两相电机六开关逆变器模式下的空间矢量电压分布图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图3，本发明包括第一、二、三、四逆变器工作桥臂bra，brb，brm，brn、第一、二逆变器容错桥臂bf1，bf2、第一、二、三、四快速熔断保险丝fa，fb，fm，fn、第一、二、三、四、五、六双向晶闸管tra，trb，trm，trn；第一、二、三、四逆变器工作桥臂bra，brb，brm，brn与第一、二逆变器容错桥臂bf1，bf2共计六个开关桥臂，它们并联后与公共直流电源相接；公共直流电源为这六桥臂同时供电，其正极为vdc，负极为gnd。第一逆变器桥臂bra由第一熔断保险丝f1，第一、二功率开关管(s1，s2)组成，和第二熔断保险丝f2串联组成，该桥臂中点na为第一、二功率开关管(s1，s2)连接处；第二逆变器桥臂brb由第三熔断保险丝f3，第三、四功率开关管(s3，s4)组成，和第四熔断保险丝f4串联组成，该桥臂中点nb为第三、四功率开关管(s3，s4)连接处；第三逆变器桥臂brm由第五熔断保险丝f5，第五、六功率开关管(s5，s6)组成，和第六熔断保险丝f6串联组成，该桥臂中点nm为第五、六功率开关管(s5，s6)连接处；第四逆变器桥臂brn由第七熔断保险丝f7，第七、八功率开关管(s7，s8)组成，和第八熔断保险丝f8串联组成，该桥臂中点nn为第七、八功率开关管(s7，s8)连接处；第一逆变器容错桥臂bf1由第九、十功率开关管(t1，t2)串联组成，该容错桥臂中点nf1为第九、十功率开关管(t1，t2)连接处；第二逆变器容错桥臂bf2由第十一、十二功率开关管(t3，t4)串联组成，该容错桥臂中点nf2为第十一、十二功率开关管(t3，t4)连接处。第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、十一、十二功率开关管s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7，s8，t1，t2，t3，t4均采用igbt或mosfet等常规的功率开关器件。电机m的第一电枢绕组a的一个端口a分为两路，一路通过第一快速熔断保险丝fa与第一逆变器桥臂bra的中点na相连，另一路通过第一双向晶闸管tra与第一逆变器容错桥臂bf1的中点nf1相连；电机第一电枢绕组a的另外一个端口m也分为两路，一路通过第六快速熔断保险丝fm与第六逆变器桥臂brm的中点nm相连，另一路通过第四双向晶闸管tr4与第二逆变器容错桥臂bf2的中点nf2相连；电机m的第二电枢绕组b的一个端口b分为两路，一路通过第一快速熔断保险丝fb与第一逆变器桥臂brb的中点nb相连，另一路通过第一双向晶闸管trb与第一逆变器容错桥臂bf1的中点nf1相连；电机第二电枢绕组b的另外一个端口n也分为两路，一路通过第六快速熔断保险丝fn与第六逆变器桥臂brn的中点nn相连，另一路通过第四双向晶闸管trn与第二逆变器容错桥臂bf2的中点nf2相连；本发明总体的工作原理如下：如图4所示，当本发明容错逆变器处于健康状态时，本发明容错逆变器按照常规的两相电机八开关逆变器系统的工作方式运行；通常的开关故障包括开关开路和开关短路两种。当容错逆变器工作桥臂功率开关发生故障，检测电路检测到故障后，由容错机构发出控制信号，快速调整电机控制策略和实现逆变器重构。当逆变器i或ii中出现任意一个工作桥臂故障时，该故障工作桥臂将由容错逆变器桥臂替代，系统仍然工作在常规的两相电机八开关逆变器驱动模式，如图5，图6所示。当逆变器i或ii中出现任意两个工作桥臂同时故障时，该组工作桥臂由对应的容错桥臂替代，系统工作进入常规的两相电机六开关逆变器驱动模式，如图7所示。系统拓扑重构后，电机三相绕组供电电压仍然包括均衡，电机系统仍然可持续工作。当这两组桥臂中全部工作桥臂故障时，故障数目超出了系统容错机制的设计范围，系统将无法工作。系统在健康模式下，整个系统结构工作在两相电机八开关逆变器模式下，在系统故障情况下，根据不同的故障模式，系统重构后其结构重新调整为两相电机六开关逆变器拓扑和新的两相电机八开关逆变器拓扑。图2为两相电机八开关逆变器拓扑结构，里面的八个功率开关具有不同的开关状态组合，不同的开关组合造成了不同的逆变器输出电压。两相电机八开关逆变器可以输出16组空间电压矢量vi，其中四组为零电压矢量v00，剩余的12组为非零电压矢量。具体定义如下：表1正常逆变器输出的空间电压矢量上表中，vi代表空间电压矢量，i为该矢量的空间相位。空间电压矢量二进制表达形式为(sasxsbsy)，其中开关状态信号sa、sx、sb和sy分别代表功率开关s1、s7、s3和s5的触发信号。它们与同一桥臂上的功率开关s2、s8、s4和s6的出发信号是对称的。va和vb分别代表a和b两相绕组的相电压。vs代表输出的电压矢量幅值。容错逆变器在正常工作模式下的空间电压矢量空间分布如图8所示。在两相电机八开关逆变器工作模式下，容错逆变器将根据4种不同的故障模式进行拓扑结构的重构。重构后的逆变器拓扑结构为两相八开关逆变器或两相六开关逆变器。举例说明具体工作原理如下：如图4，当逆变器处于健康工作状态下，所有的双向开关都是断开状态，因此，两个容错开关桥臂处于未激活状态，仅有正常的四个工作桥臂驱动电机。此时，系统工作于常规的两相电机八开关逆变器驱动模式。如图5，当两个逆变器工作桥臂brb和brn同时发生故障时，快速熔断丝fb(f3或f4)和fn(f7或f8)断开，工作桥臂brb和brn退出工作模式，控制器停止功率开关s3、s4、s7、s8的触发脉冲。同时，控制器触发双向晶闸管trb和trn导通，绕组a一端n直接连接到容错桥臂bf2的中点nf2，绕组b一端b直接连接到容错桥臂bf1的中点nf1。此时，容错逆变器其他结构不发生变化。新系统依旧工作在两相电机八开关逆变器模式下。容错逆变器实现了两个工作桥臂brb和brn同时发生故障时的拓扑结构重构，并保证系统的可持续运行能力。当系统不同绕组的两个端口所连接的两个逆变器工作桥臂同时发生故障后，系统都可以按上面类似处理方式进行容错控制。如图6，当同一电机绕组的两个端口所连接的两个逆变器工作桥臂bra和brn同时发生故障时，快速熔断丝fa(f1或f2)和fn(f7或f8)断开，工作桥臂bra和brn退出工作模式，控制器停止功率开关s1、s2、s7和s8的触发脉冲。同时，控制器触发双向晶闸管tra和trn导通，绕组a一端a直接连接到容错桥臂bf1的中点nf1，绕组a一端n直接连接到容错桥臂bf2的中点nf2。这样，绕组a的两个端口a和n分别连接到对应的两个容错桥臂上，其端口电压分别由两个容错桥臂进行控制。此时，容错逆变器其他结构不发生变化。新系统依旧工作在两相电机八开关逆变器模式下。容错逆变器实现了两个工作桥臂brm和brn同时发生故障时的拓扑结构重构，并保证系统的可持续运行能力。当系统任何一个电机绕组所连接的两个工作桥臂同时发生故障后，系统都可以按上面类似处理方式进行容错控制。当三个逆变器工作桥臂brb、brm和bm同时发生故障时，快速熔断丝fb(f3或f4)、fm(f5或f6)和fn(f7或f8)断开，工作桥臂brb、brm和brn退出工作模式，控制器停止功率开关s3、s4、s5、s6、s7和s8的触发脉冲。同时，控制器触发双向晶闸管trb、trm和trn导通，绕组a一端n直接连接到容错桥臂bf2的中点nf2，绕组b一端b直接连接到容错桥臂bf1的中点nf1，绕组b一端m直接连接到容错桥臂bf2的中点nf2。这样，绕组a和b出现一个公共连接点，该点连接到容错桥臂bf2的中点nf2，其端口电压由容错桥臂bf2进行控制。此时，容错逆变器其他结构不发生变化。新系统工作在两相电机六开关逆变器模式下。容错逆变器实现了三个工作桥臂brb、brm和brn同时发生故障时的拓扑结构重构，并保证系统的可持续运行能力。当系统任何三个工作桥臂发生故障后，系统都可以按上面类似处理方式进行容错控制。在系统工作桥臂故障状态下，本发明逆变器可以重构为两相电机六开关逆变器拓扑结构。此时，逆变器输出空间电压矢量vi有7组，其中1组为零电压矢量v00，剩余的6组为非零电压矢量。具体定义如下：表2桥臂故障后重构逆变器输出的空间电压矢量序号n矢量vi矢量(s1s2s3)电压va电压vb电压vs相位0v00(000)(111)000/1v0(010)0vdcvdc0°2v45(110)vdcvdc1.414vdc45°3v90(100)vdc0vdc90°4v180(011)-vdc0vdc180°5v225(001)-vdc-vdc1.414vdc225°6v270(101)0-vdcvdc270°上表中，开关状态信号中的s1，s2，s3代表容错逆变器重构后的三个顺序桥臂的上功率开关的状态信号，其值为0或1。与表1比较，重构后的逆变器少了两个电压矢量v135和v335。功率开关信号按照两相六开关拓扑结构工作。容错逆变器在桥臂故障模式下的空间电压矢量空间分布如下图9所示。本发明容错系统的具体控制方法为：a、利用电流传感器检测定子三相绕组电流ia，ib，ic和电压va，vb，vc。根据它们判断电机系统故障状态标志f：b、当电机系统正常健康工作时，f＝0。四个双向晶闸管tra、trb、trm、trn的触发端电压信号为tra＝trb＝trm＝trn＝0。容错逆变器仅四个工作桥臂bra、brb、brm、brn处于工作状态，容错桥臂bf1、bf2处于不工作状态。系统工作在两相电机矢量控制方式下。逆变器各桥臂中点输出电流为：式中，is为参考电流幅值，ina、inn、inb、inm为系统逆变器四个工作桥臂中点流到电机的电流，if1、if2为系统逆变器两个容错桥臂中点流到电机的电流，θ为电机转子角度。此时，逆变器各桥臂输出到电机绕组的有效相电压为：式中，vm为输出电压幅值，vna-nn为逆变器桥臂bra中点na与桥臂brn的中点nn之间的输出电压，vnb-nm为逆变器桥臂brb中点nb与桥臂brm的中点nm之间的输出电压。c、当电机系统逆变器桥臂bra故障时，故障包括桥臂短路或开路。此时，f＝1，tra＝1，trb＝trm＝trn＝0。容错逆变器仅三个工作桥臂brb、brm、brn处于工作状态，容错桥臂bf1处于工作状态，其他桥臂不工作。系统工作在两相电机矢量控制方式下。逆变器各桥臂中点输出电流为：此时，逆变器各桥臂输出到电机绕组的有效相电压为：d、当电机系统逆变器桥臂brb故障时，故障包括桥臂短路或开路。此时，f＝2，trb＝2，tra＝trm＝trn＝0。容错逆变器仅三个工作桥臂bra、brm、brn处于工作状态，容错桥臂bf1处于工作状态，其他桥臂不工作。系统工作在两相电机矢量控制方式下。逆变器各桥臂中点输出电流为：此时，逆变器各桥臂输出到电机绕组的有效相电压为：e、当电机系统逆变器桥臂brm故障时，故障包括桥臂短路或开路。此时，f＝3，trm＝1，tra＝trb＝trn＝0。容错逆变器仅三个工作桥臂bra、brb、brn处于工作状态，容错桥臂bf2处于工作状态，其他桥臂不工作。系统工作在两相电机矢量控制方式下。逆变器各桥臂中点输出电流为：此时，逆变器各桥臂输出到电机绕组的有效相电压为：f、当电机系统逆变器桥臂brn故障时，故障包括桥臂短路或开路。此时，f＝4，trn＝1，tra＝trb＝trm＝0。容错逆变器仅三个工作桥臂bra、brb、brm处于工作状态，容错桥臂bf2处于工作状态，其他桥臂不工作。系统工作在两相电机矢量控制方式下。逆变器各桥臂中点输出电流为：此时，逆变器各桥臂输出到电机绕组的有效相电压为：g、当电机系统逆变器桥臂bra、brb同时故障时，故障包括桥臂短路或开路。此时，f＝5，tra＝trb＝1，trm＝trn＝0。容错逆变器仅两个工作桥臂brm、brn处于工作状态，容错桥臂bf1处于工作状态，其他桥臂不工作。系统工作在两相电机矢量控制方式下。逆变器各桥臂中点输出电流为：此时，逆变器各桥臂输出到电机绕组的有效相电压为：h、当电机系统逆变器桥臂brm、brn同时故障时，故障包括桥臂短路或开路。此时，f＝6，tra＝trb＝0，trm＝trn＝1。容错逆变器仅两个工作桥臂bra、brb处于工作状态，容错桥臂bf2处于工作状态，其他桥臂不工作。系统工作在两相电机矢量控制方式下。逆变器各桥臂中点输出电流为：此时，逆变器各桥臂输出到电机绕组的有效相电压为：当前第1页12