双定子双凸极电机故障容错驱动系统及控制方法
【专利摘要】本发明公开双定子双凸极电机故障容错驱动系统及控制方法，属于双凸极电机控制技术领域。双定子双凸极电机为共轴的两段式转子互错角度的六相双凸极电机，传统采用六桥臂十二开关管作为功率变换器，本发明在桥臂上加上额外的切换开关（K1、K2、K3、K4），出现某一桥臂开关管开路故障时，控制故障桥臂的切换开关，将故障相电机绕组与另一段电机对应的正常变换器桥臂相连，重构容错后的变换器拓扑，并切换至新型容错控制策略，实现五相桥臂容错驱动双定子双凸极电机。本发明可以在系统检测到故障后快速平滑地切换至容错运行状态，并保持电机原有的驱动性能，维持转矩平稳，实现双定子双凸极电机故障后的容错控制。
【专利说明】
双定子双凸极电机故障容错驱动系统及控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种双定子双凸极电机驱动系统故障容错控制的新型拓扑结构及控 制方法，属于电机系统及控制领域。
【背景技术】
[0002 ] 双凸极电机是在开关磁阻电机的基础上发展出来的一种新型电机，该电机与开关 磁阻电机的区别在于定子上增加了永磁体或励磁绕组，转子上同样没有绕组，由于其相对 于开关磁阻电机在一个周期正负半周均能出力，所以电机单位体积的出力大大增加。加上 其同样具有转子上无绕组，结构简单，适合高速运行的优点，因而受到了国内外研究者的广 泛关注。
[0003] 双凸极电机调速系统作为一种新型交流调速系统，尚处于深化研究开发、不断完 善提高的阶段，越来越多的国内外学者开始研究双凸极电机的本体优化以及相应的控制算 法等，其应用领域也在不断拓宽之中，目前双凸极电机在电动汽车驱动系统，风力发电系 统，航空起动/发电系统等领域均有应用，并且随着国家工业的发展，人们对电机的容量、可 靠性及容错性等指标提出了更高的要求，双定子双凸极电机应运而生。相对于传统双凸极 电机，采用双定子的结构，两节电机转子共轴并互错60°电角度，输出转矩相加，可以有效提 高双凸极电机系统的容量和可靠性，同时减小其电动工作时的转矩脉动。
[0004] 由于电机驱动系统中变换器功率器件及其控制、驱动电路是最易发生故障的薄弱 环节，而变换器的故障将导致电机运行的不平衡，影响驱动系统工作的性能，长期运行甚至 导致电机损坏，因此电机驱动系统的故障容错能力至关重要。但是，双定子双凸极电机驱动 系统目前在国内外研究较少，缺少容错控制相关的方案，尤其针对于其传统的六桥臂变换 器控制，亟需一种可靠的故障容错的控制方法，在驱动特性要求较高的场合，发挥该电机具 有容错能力的特点，从而拓宽其应用领域。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的即在双定子双凸极电机与单电源供电的六桥臂变换器拓扑构成的 驱动系统的基本工作原理基础上，提出一种双定子双凸极电机驱动系统的故障容错拓扑结 构。
[0006] 本发明另一目的是提供一种上述驱动系统的容错控制方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 本发明中，双定子双凸极电机为共轴的两段式转子互错角度的六相双凸极电机， 传统采用六桥臂十二开关管作为功率变换器，本发明在桥臂上加上额外的切换开关(心、1( 2、 K3、K4)，出现某一桥臂开关管开路故障时，控制故障桥臂的切换开关，将故障相电机绕组与 另一段电机对应的正常变换器桥臂相连，重构容错后的变换器拓扑，并切换至新型容错控 制策略，实现五相桥臂容错驱动双定子双凸极电机。本发明可以在系统检测到故障后快速 平滑地切换至容错运行状态，并保持电机原有的驱动性能，维持转矩平稳，实现双定子双凸 极电机故障后的容错控制。
[0009] 本发明提出的双定子双凸极电机驱动系统，主要包括双定子双凸极电机、六桥臂 变换器、四个切换开关、直流电源、传感器和控制器，其中传感器包括6个电流传感器、6个电 压传感器和1个位置传感器，双定子12/8极结构双凸极电机定子分为两段，并行放置，两个 定子均具有独立的三相电枢绕组AiBiCi和A 2B2C2，两段电机转子共轴并错开60°电角度，双定 子双凸极电机的绕组ψΑ!相超前A 2相60°电角度，Bi相超前B2相60°电角度，&相超前C2相60° 电角度。六桥臂变换器由IGBT开关管M2连接构成第一桥臂，T3-T4连接构成第二桥臂，T5-Τ 6连接构成第三桥臂，Τ7-Τ8连接构成第四桥臂，T9-T1Q连接构成第五桥臂，Τη-Τ 1:^接构成 第六桥臂，六个桥臂直流侧相互并联连接直流电源，其中第一、第二、第三桥臂构成一个六 开关三相变换器，与双定子双凸极电机的第一段电机三相绕组AiBiCi相连，第四、第五、第六 桥臂构成一个六开关三相变换器，与双定子双凸极电机的第二段电机三相绕组A2B2C2相连， 在第一桥臂和第六桥臂输出端之间连有切换开关Ki，第二桥臂和第四桥臂输出端之间连有 切换开关κ 2,第二桥臂和第五桥臂输出端之间连有切换开关K3,第三桥臂和第六桥臂输出端 之间连有切换开关Κ4;
[0010] 控制器通过传感器分别采集双凸极电机位置信号、各相绕组电流信号、各桥臂下 管电压信号，输出12路控制信号，分别驱动两个六开关三相变换器，用以驱动双定子双凸极 电机，通过检测各桥臂下管电压变化进行故障诊断，再根据故障诊断结果通过I/O 口输出四 路信号，控制四个切换开关，实现IGBT开关故障后的系统容错控制。
[0011] 利用上述驱动系统进行故障容错控制方法，具体步骤如下：
[0012] 控制器检测双定子双凸极电机的六相绕组电流和转子位置信息，并检测各桥臂下 管电压的变化，判断故障所在桥臂，根据双定子双凸极电机相绕组磁链的一个变化周期定 义6个状态，由控制器给出开关切换信号，正常运行时所有切换开关均关断；如果某一相桥 臂一个或两个开关管出现开路故障，以及桥臂保险丝熔断故障均视为该桥臂开路故障，封 锁该故障相桥臂驱动信号，其余五个桥臂及切换开关Ki-K 4的控制过程如下：
[0013] 1)第一桥臂开路故障时，开通Κι，以第六桥臂为公共桥臂;状态1开通Τ6、Τιο、Τη ;状 态2开通T6、T7;状态3开通T3、T7、T12;状态4开通T 3、T8、T9、T12;状态5开通T4、T5、T 8、T9;状态6开 通 T4、T5、TlO、Tll;
[0014] 2)第二桥臂开路故障时，可开通心或心，若开通Κ2,则以第四桥臂为公共桥臂，状态 1 开通 1'1、1'6、1'1〇、1'11;状态2开通1' 1、1'6、17、1'12;状态3开通1'2、17、1' 12;状态4开通1'2、1'9;状态5开 通Τ5、Τ8、Τ9;状态6开通T5、T8、TlQ、Tll;若开通Κ3,则以第五桥臂为公共桥臂，状态1开通Tl、T6、 1' 10、1'11;状态2开通1'1、1'637、1' 12;状态3开通1'2、17、1'9、1'12;状态4开通1' 2、1'8、1'9;状态5开通1'5、 丁8 ;状态6开通1'5、1'1〇、1'11;
[0015] 3)第三桥臂开路故障时，开通Κ4,以第六桥臂为公共桥臂;状态1开通mo;状态2 开通 Ti、T7、T12;状态 3 开通 T2、T3、T7、T12;状态 4 开通 T2、T3、T8、T9;状态 5 开通 T4、Τ8、Τ9、Τη;状态 6 开通 T4、T1Q、T11;
[0016] 4)第四桥臂开路故障时，开通Κ2,以第二桥臂为公共桥臂；状态1开通ThThTio、 1'11;状态2开通1'1、1'3、1'6、1' 12;状态3开通1'2、1'3、1'12;状态4开通1' 2、1'9;状态5开通14、1'5、1'9;状态 6 开通 T4、T5、T10、T11;
[0017] 5)第五桥臂开路故障时，开通Κ3,以第二桥臂为公共桥臂;状态1开通ThT^I^Tn; 状态2开通Ti、T6、T7、T12;状态3开通T2、T3、T7、T 12;状态4开通T2、T3、T8;状态5开通T5、T 8;状态6 开通 Τ4、Τ5、Τ11;
[0018] 6)第六桥臂开路故障时，可开通Κι或Κ4,若开通Κι，则以第一桥臂为公共桥臂，状态 1 开通 1'1、1'6、1'1〇;状态2开通1' 6、17;状态3开通1'2、1'3、17;状态4开通1' 2、1'3、1'8、1'9;状态5开通丁4、 Τ5、Τ8、Τ9;状态6开通Τ!、Τ4、Τ5、Τ 10。；若开通Κ4，则以第三桥臂为公共桥臂，状态1开通Τ!、Τ10; 状态 2 开通 1'1、1'637;状态3开通1'2、1' 3、1'637;状态4开通1'2、1'3、1' 8、1'9;状态5开通14、1'5、1'8、1' 9; 状态6开通Τ4、Τ5、Τ10;
[0019] 以上各状态下只开通相应的开关管，进行电流滞环控制，其余开关管均关断。
[0020] 本发明与现有技术的比较及原理分析如下：
[0021] 本发明针对于某一桥臂上出现开路故障时进行容错控制，对于某一开关管的短路 故障，由于导通逻辑的切换，必然会出现桥臂直通的现象，使母线供电电源短路，母线电流 瞬间会急剧上升，从而触发系统的过流保护，所以短路故障属于恶劣的故障状态，为防止该 瞬间带来的破坏，系统将封锁所有开关管驱动信号。如若在每个桥臂上加上保险丝，短路故 障过流时首先烧断保险丝而还未进入系统过流保护，此时的短路故障也可转化为桥臂开路 故障，所以本发明主要针对功率电路的开路故障进行容错控制。
[0022] 目前，针对于变换器开路故障的诊断，主要有:检测桥臂下管电压变化实现故障诊 断的方法、辅助导通非工作桥臂实现故障诊断的方法、改变电流传感器位置实现故障诊断 的方法等。
[0023] 现以检测桥臂下管电压变化实现故障诊断的方法为例进行分析，该方法相对于以 上其他的故障诊断方法，具有实现简单、快速性更好、切换更平滑的特点，但是需要额外的 六个电压传感器，以通过结合电流信号及电压信号能更快更准地实现故障诊断。现对双定 子双凸极电机的两段电机分别采用相差60°电角度的传统三相三状态换流模式进行控制， 功率变换器的第一、第二、第三桥臂控制第一段电机，第四、第五、第六桥臂控制第二段电 机，此时12开关6桥臂变换器可以视为两个6开关三相变换器，两者故障诊断方式完全相同， 所以只须分析其中一个即可。
[0024]正常工作情况下，以的开通方式作为一个周期的3个状态，现定义 相电流正常为逻辑1，否则为逻辑〇，正常工作时电流状态逻辑为111。
[0025] 因本发明只适用于某一桥臂上出现开路故障(包括一个开关管故障或两个开关管 故障，以及桥臂保险丝熔断的开路故障），而开路故障时表现最为明显的就是故障相电流的 变化，对应的具体故障诊断方案如下：
[0026] (1)若出现某一开关管开路故障，以Ti为例，则状态1的各相电流将变为0,状态2、3 的相电流正常，则此时一个周期电流状态逻辑为011，同样可以得到^故障时为101，T 3故障 时为101，Τ4故障时为110，1'5故障时为110，Τ6故障时为011。所以出现以上电流响应时只能判 断出是哪两个开关管可能出现开路故障，需要通过额外的电压信号来判断具体是哪个开关 管故障。
[0027] 以出现电流状态逻辑011为例，若是?\故障，Τ6正常，则状态1时桥臂1下管的电压信 号应为相反电势之和，比1\正常时的端电压Udc相比小很多，而桥臂3下管电压信号应与 正常时相同，即为0V;若是T 6故障，ΤαΗ常，则状态1时桥臂1下管电压信号应为正常时的Udc， 而桥臂3下管电压信号应为Udc减去相反电势之和，比正常时的0V大很多。出现其他电 流状态逻辑时类似，由于一旦出现故障，相电流为0,不再进行斩波，桥臂下管电压变为恒 定，此时的电压信号易于检测，所以可以根据电流信号与电压信号联合判断出具体为哪个 开关管出现故障。若出现桥臂1和桥臂3的下管电压信号均不正常，则无法通过本发明的容 错方案进行容错。
[0028] (2)若出现某一桥臂上两开关管开路故障，故障时，电流状态逻辑为001，T3、 Τ4故障时，逻辑为100，Τ5、Τ6故障时，逻辑为010。
[0029] 出现以上逻辑时，通过逻辑状态即可判断出是哪个桥臂上两开关管出现故障。若 除该桥臂外无其他开关管故障，则可以实现容错控制，否则无法实现容错控制。
[0030] (3)若电流状态逻辑为000,即出现三个或三个以上开关管故障，则无法通过本发 明的容错方案进行容错。因而，本发明适用于处理单桥臂开路故障情形。
[0031] 以下为本发明故障容错方案分析，根据双定子双凸极电机相绕组磁链的变化，将 一个周期定义为6个状态：
[0032] (1)状态l:Ai相磁增大，相磁链不变，Q相磁链减小，Α2相磁链不变，8 2相磁链减 小，C2相磁链增大。
[0033] (2)状态2 : Ai相磁增大，相磁链不变，Q相磁链减小，Α2相磁链增大，82相磁链不 变，C2相磁链减小。
[0034] (3)状态3: Αι相磁减小，Βι相磁链增大，Ci相磁链不变，A2相磁链增大，B2相磁链不 变，C2相磁链减小。
[0035] (4)状态4 :Ai相磁减小，相磁链增大，Q相磁链不变，A2相磁链减小，82相磁链增 大，C 2相磁链不变。
[0036] (5)状态5 :Ai相磁不变，Bi相磁链减小，Q相磁链增大，A2相磁链减小，82相磁链增 大，C 2相磁链不变。
[0037] (6)状态6 :Ai相磁不变，相磁链减小，Q相磁链增大，A2相磁链不变，82相磁链减 小，C2相磁链增大。
[0038] 以图1的双定子双凸极电机驱动系统拓朴结构为例，现以桥臂6出现开路故障为例 进行分析，桥臂6出现故障后，开通切换开关K 4,相当于电机绕组心相和C2相并联在桥臂3输 出端上，即改为以五桥臂变换器驱动双定子双凸极电机，对应控制策略也发生了一定的变 化，如图2所示，为双定子双凸极电机相绕组磁链模型及传统理想情况下的电流波形，定义 各相绕组上电流方向以从变换器输出端流入三相绕组星形连接中心点为正。
[0039] 对于该种故障采用如下开关模式，状态1开通?^Τπ)，状态2开通1'1、1' 637，状态3开 通 Τ2、Τ3、Τ6、Τ7，状态 4 开通 Τ2、Τ3、Τ8、Τ9，状态 5 开通 Τ4、Τ5、Τ8、Τ9，状态 6 开通 Τ4、Τ5、Τ10。
[0040] 现对每一状态进行分析：
[0041 ]在状态 1，当ΤιΤιο开通时，电流经过Uin+^Ti-Ai-Ci-Cs-i^-TiQ-Uin-，如图3(a) 所示，与正常运行理想电流方向相同，忽略电枢绕组互感，有：
[0042]
(1)
[0043] 其中，Lai、Lcl、Lc2、Lb2分别为Al、Cl、C2、B2相绕组自感，Lalf、Lclf、Lc2f、Lb2f 分别为Al、 &、(：2、Β2相绕组与励磁绕组间互感，ial为流入Ai相的电流，i f为励磁电流，此处if取为定值。
[0044] 基于分段线性电感模型时，Lal+Lcl+Lc2+Lb2为常数，d ( Lalf-Lclf+Lc2f-Lb2f ) /dt同样为 十旦定值，若两段电机完全相同，则可近似认为状态1内，Lal+Lcl = L，Lc2+Lb2 = L，d(Lalf_Lclf )/ dt = k，d(LC2f_Lb2f)/dt = k，则有：
[0045]
(2)
[0046] 在状态1，只需变换器输入端电压足够，对该状态下Ti管或者^管进行电流控制，另 一管可保持常通状态以减小开关损耗，即可获得该状态下理想电流波形。
[0047] 在状态2，稳态时存在两条电流回路，分别为:Uin+-Tl-Al-Cl-T6-Uin-，Uin+-T7 4A 24C24T6-Uin-，如图3 (b)所示，与正常运行理想电流方向相同，该状态下有：
[0048]
[0049]
[0050] 基于分段线性电感模型时，状态2内，仍可假设Lal+Lcl = L，La2+Lc2 = L，
[0051 ] d(Laif-Lcif )/dt = k，d(La2f-LC2f )/dt = k，可以看出其中的L、k与状态1 中的L、k 值应 近似相等，则公式(3)、（4)可简化为：
[0052] (5)
[0053] (6)
[0054] 从公式(2)、（5)、（6)可以看出，两种状态下电流变化率相差很大，需要直接控制电 流的大小相等，使两状态下出力相同，并且由于状态1下的每台电机两个相绕组的端电压相 当于状态2的一半，所以，若母线电压较低，状态1下电流不能达到限定电流时，状态1出力可 能低于其他状态。同时，若要求所有状态下各相出力时电流大小相等，则状态2存在桥臂3电 流大于正常情况下其他桥臂电流的缺陷，由于该状态的存在，为了能实现容错运行，在电流 定额选取开关管时桥臂3的开关管额定容量应大于以正常运行时定额的容量。
[0055] 在状态3,开关管开通后，存在如图3(c)所示的可能电流通路，与期望电流方向相 同，若不对电流加以控制，&相中可能会出现电流流过，可能产生负力矩，并且Μ相电流与& 相电流之和为也相中电流，则Ai相电流会小于出相中电流，造成Ai相出力减小。所以，为了使 各相出力相等，必须控制每相电流大小相等，使得只存在Uin+4T34Bl4Al4T2-Uin-及Uin+ 4T7-A24C24T64Uin-两条通路。在状态3有：
[0056]
(7).
[0057] 若控制：ii = i2或者i3 = i4,则可使：
[0058]
CS)
[0059] 从而，使各相电流出力相等。由于该状态下心相电流为仏相电流与六:相电流之差， 只要也相电流与^相电流不完全相等，&相中就会出现电流，采用电流滞环控制时，相和Μ 相电流必然存在纹波，故该状态下Q相电流最佳情况为在0Α附近波动。由于电流滞环控制 只能限定电流达到限定值之后在限定值周围波动，而不能使原本电流总小于限定值的绕组 电流到达限值，所以必须限定i 3电流，使i3 = i4,才能达到预期电流波形，为了达到理想波 形，一般同时对ii、i2、i3、i4进行电流滞环控制，并给予相同的给定电流。状态3中每台电机 两个相绕组的端电压与状态2相似，同样为状态1的两倍。
[0060] 状态4时电流通路如图3(d)所示，有：
[0061] 11+14= 12+15 (9)
[0062] 需要控制；11 = 12，14=15，否则会因两节电机不完全相同，使得(31相、〇2相中有电流 流过，导致各相绕组电流不相等，并存在小于限定值的相绕组，使该绕组出力减小。此状态 下每台电机两个相绕组的端电压同样为状态1的两倍。
[0063] 状态5与状态3相似，状态6与状态2相似，此处不再作详细分析。
[0064] 不同桥臂故障时，按一定方式容错控制总能划分为以上4种典型的状态，其中，对 电机容错运行性能可能造成影响的状态为状态1和状态3，必须尽量减小状态1和状态3出现 的次数，而状态2又对开关管容量提出了更高的要求，综合考虑得出最佳控制策略，以该策 略容错运行时，存在以下特点：
[0065] (1)运行性能理论上与正常运行时相差不大，可以在某一桥臂出现开路故障时进 行容错，假如变换器输入端电压足够(大于等于两段电机串联运行时能正常工作的电压）， 且能够控制电流大小，则可以使各相电流波形接近于理想电流波形，使输出转矩变化不大， 电机驱动系统性能变化不大。如若变换器输入端电压不够，在能控制电流大小的情况下，一 个周期内有六分之一的时间段电流会偏小，会使输出转矩减小并造成一定的转矩脉动，但 相比于无容错的结构和控制方式，输出转矩大大增加。
[0066] (2)第一桥臂与第四桥臂容错运行时不会作为两相绕组的公共桥臂，通过的最大 电流与正常运行时相等，即该两桥臂上4个开关管容量定额时无需考虑容错情况，其余4个 桥臂8个开关管容量定额需按容错时定额选取。
【附图说明】
[0067] 图1基于六桥臂变换器的双定子双凸极电机故障容错驱动系统结构示意图；
[0068]图2双定子双凸极电机相绕组磁链模型及理想电流波形；
[0069] 图3(a)状态1稳定时电流方向示意图；
[0070] 图3(b)状态2稳定时电流方向示意图；
[0071] 图3(c)状态3稳定时电流方向示意图；
[0072] 图3(d)状态4稳定时电流方向示意图；
[0073] 图4双定子双凸极电机相绕组磁链与位置信号关系示意图；
[0074] 图5 (a)双定子双凸极电机故障容错切换MATLAB仿真六相电流波形；
[0075]图5 (b)双定子双凸极电机故障容错切换MATLAB仿真转矩波形。
【具体实施方式】
[0076] 实施例一：
[0077] 如图1所示，本发明基于六桥臂变换器的双定子双凸极电机故障容错驱动系统，主 要包括双定子双凸极电机、六桥臂变换器、四个切换开关、直流电源、传感器和控制器，其中 传感器包括6个电流传感器、6个电压传感器和1个位置传感器，双定子12/8极结构双凸极电 机定子分为两段，并行放置，两个定子均具有独立的三相电枢绕组AiBiCi和A 2B2C2，两段电机 转子共轴并错开60°电角度，双定子双凸极电机的绕组ψΑ!相超前A 2相60°电角度，Bi相超前 B2相60°电角度，&相超前&相60°电角度。六桥臂变换器由IGBT开关管M2连接构成第一桥 臂，T 3-T4连接构成第二桥臂，T5-T6连接构成第三桥臂，T7-T8连接构成第四桥臂，T 9-T1Q连接 构成第五桥臂，Tn-T12连接构成第六桥臂，六个桥臂直流侧相互并联连接直流电源，其中第 一、第二、第三桥臂构成一个六开关三相变换器，与双定子双凸极电机的第一段电机三相绕 组AiBiCi相连，第四、第五、第六桥臂构成一个六开关三相变换器，与双定子双凸极电机的第 二段电机三相绕组A2B2C2相连，在第一桥臂和第六桥臂输出端之间连有切换开关Κι，第二桥 臂和第四桥臂输出端之间连有切换开关Κ 2,第二桥臂和第五桥臂输出端之间连有切换开关 Κ3，第三桥臂和第六桥臂输出端之间连有切换开关Κ4;
[0078] 控制器通过传感器分别采集双凸极电机位置信号、各相绕组电流信号、各桥臂下 管电压信号，输出12路控制信号，分别驱动两个六开关三相变换器，用以驱动双定子双凸极 电机，通过检测各桥臂下管电压变化进行故障诊断，再根据故障诊断结果通过I/O 口输出四 路信号，控制四个切换开关，用来实现IGBT开关故障后的系统容错控制。
[0079] 实施例二：
[0080]本实例在实施例一的基础上，在六桥臂变换器的六个桥臂分别安装保险丝，短路 故障时熔断保险丝，此时可将桥臂的短路故障也可转化为桥臂开路故障，以便对系统进行 容错控制。
[0081] 实施例三：
[0082] 按如图1所示电路拓扑，用传统的检测各桥臂下管电压变化的方法，分别对变换器 前三个桥臂和后三个桥臂进行故障检测和判断，如表1所示，对第一段电机的三相变换器进 行故障判断的方案:运行时根据各相电流信号判断是否正常运行，若不正常，先检测电流信 号，判断出哪一个状态出现了故障，然后检测故障的状态下各桥臂的电压信号，按表1所给 可以得出具体为哪个开关管故障或哪个桥臂故障。第二段电机的三相变换器故障检测和判 断与第一段相同，即可检测到可进行容错的具体的故障情况。
[0083] 在检测到某一相桥臂出现开路故障(包括一个开关管或二个开关管开路故障情况 形，以及桥臂保险丝熔断的开路故障)时，将每个控制周期分为6个状态，通过位置传感器检 测第一段电机转子位置，可以得到如图4所示位置信号，该6个状态可以用以下逻辑表达式 来表示：（1)状态1 :忍&乃1&/^(2)状态2:冬&4&3 1;(3)状态3:<1&4&忍;(4)状态 4:乃&尽& 3 ;(5)状态5:乃&及;(6)状态6:乃& Α。
[0084] 状态1稳定时电流方向如图3(a)所示;状态2稳定时电流方向如图3(b)所示;状态3 稳定时电流方向如图3 (c)所示;状态4稳定时电流方向如图3 (d)所示。
[0085] 本发明在各个状态下采取表2所示控制方式实现容错控制，即：
[0086] (1)不同的桥臂故障容错时开关管开关方案不同，具体如下：
[0087] 1)桥臂1出现开路故障时，开通Κι，状态1开通16、!'1〇、1'11，状态2开通16、17，状态3开 通 T3、T7、T12，状态 4 开通 T3、T8、T9、T12，状态 5 开通 T4、T5、T8、T9，状态 6 开通 T4、T5、T1Q、Τη。
[0088] 2)桥臂2出现开路故障时，可开通心或心，若开通Κ2,则状态1开通UTkkTu，* 态2开通1' 1、1'6、17、1'12，状态3开通1'2、17、1' 12，状态4开通1'2、1'9，状态5开通1'5、1' 8、1'9，状态6开通 1'5、1'8、1' 1〇、1'11;若开通1(3，则状态1开通1'1、1' 6、1'1()、1'11，状态2开通1'1、1' 6、17、1'12，状态3开通1'2、 T7、T9、T12，状态 4 开通 T2、T8、T9，状态 5 开通 T5、T8，状态 6 开通 Τ5、Τ10、Τη。
[0089] 3)桥臂3出现开路故障时开通Κ4，状态1开通?\、T1Q，状态2开通Ti、Τ7、Τ 12，状态3开通 Τ2、Τ3、Τ7、Τ12，状态 4 开通 Τ2、Τ3、Τ8、Τ9，状态 5 开通 Τ4、Τ8、Τ9、Τη，状态 6 开通 Τ4、Τ10、Τη。
[0090] 4)桥臂4出现开路故障时开通Κ2,状态1开通1'1、1' 6、1'1〇、1'11，状态2开通1'1、1'3、1' 6、1'12， 状态3开通Τ2、Τ3、Τ 12，状态4开通Τ2、Τ9，状态5开通Τ4、Τ5、Τ 9，状态6开通Τ4、T5、T1Q、Τη。
[0091] 5)桥臂5出现开路故障时开通Κ3,状态1开通1'1、14、!' 6、1'11，状态2开通1'1、1'637、1' 12， 状态3开通Τ2、Τ3、Τ7、Τ12，状态4开通Τ 2、Τ3、Τ8，状态5开通Τ5、Τ8，状态6开通Τ4、Τ 5、Τη。
[0092] 6)桥臂6出现开路故障时，可开通心或1(4,若开通h，则状态1开通^、^，状态〗 开通T 6、T7，状态3开通T2、T3、T7，状态4开通T2、T 3、T8、T9，状态5开通T4、T5、T8、T 9，状态6开通Ti、 T4、T5、T10。；若开通K4，则状态1开通?\、T10，状态2开通Τ!、T 6、T7，状态3开通T2、T3、T6、T7，状态4 开通 Τ2、Τ3、Τ8、Τ9，状态 5 开通 Τ4、Τ5、Τ8、Τ9，状态 6 开通 Τ4、Τ5、Τ10。
[0093] (2)在不同桥臂故障容错运行时的不同状态下，以下开关管可保持常通状态，以减 小开关损耗，并减小电流变化率从而减小电流纹波，具体特征如下：
[0094] 1)桥臂1故障开通心时，状态1的Τη可常通，状态2的Τ6或者Τ7可常通（只能为其中之 一），状态3的Τ?2可常通。
[0095] 2)桥臂2出现开路故障开通Κ2时，状态3的Τ7可常通，状态4的Τ2或者Τ 9可常通，状态 5的Ts可常通;开通Κ3时，状态4的Τ9可常通，状态5的Τ 5或者Ts可常通，状态6的Tio可常通。
[0096] 3)桥臂3出现开路故障开通Κ4时，状态1的!^或者T1Q可常通，状态2的T 12可常通，状 态6的Τη可常通。
[0097] 4)桥臂4出现开路故障开通K2时，状态3的T3可常通，状态4的T 2或者T9可常通，状态 5的Τ4可常通。
[0098] 5)桥臂5出现开路故障开通Κ3时，状态4的IV可常通，状态5的1^或者Τ 8可常通，状态 6的Τ4可常通。
[0099] 6)桥臂6出现开路故障开通心时，状态1的1^可常通，状态2的Τ6或者Τ7可常通，状态 3的Τ 2可常通;开通Κ4时，状态1的Τι或者Tio可常通，状态2的Τ6可常通，状态6的Τ5可常通。
[0100] (3)除了以上常通状态的开关管，其余所有状态下所有导通开关管均应采用电流 控制，维持与给定电流相同，以确保没有非期望相电流产生。
[0101] 测试实例一：
[0102] 按实施例一如上策略，采用转速PI控制、电流滞环控制的双定子双凸极电机驱动 系统稳态时故障容错切换时的MATLAB仿真结果，仿真参数如下:变换器给定端电压200V，给 定转速lOOOrpm，励磁电流10A，阻转矩10N · m，开关管开关频率限制为7.5KHz。
[0103] 双定子双凸极电机故障容错切换MATLAB仿真六相电流波形如图5(a);
[0104] 双定子双凸极电机故障容错切换MATLAB仿真转矩波形如图5(b)。
[0105] 仿真波形中前半段为正常工作情况标准角度控制下电流、转矩波形，后半段为故 障容错情况下电流、转矩波形。如图5(a)所示，容错工作情况下，状态切换电流换相时电流 波形会有较小的波动，并且由于各状态下电流变化率不同，以及开关频率的限制，导致电流 斩波的纹波大小不同，但是整体电流波形与正常工作时相差不大。如图5(b)所示，容错工作 下转矩脉动只是略大于正常运行，电机出力基本不变。所以该故障容错控制拓扑结构能够 实现系统从正常到容错运行的平滑切换。
[0106] 本发明适用于基于六桥臂变换器的双定子双凸极电机驱动系统，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，这些改进也应视为本发明的保护范围。
[0107] 表1三相变换器故障诊断方案
[0108]
[0110]表2各桥臂故障容错开关策略
[0111]
[0112]
ο:
【主权项】
1. 一种双定子双凸极电机故障容错驱动系统，主要包括双定子双凸极电机、六桥臂变 换器、直流电源、传感器和控制器，其特征在于:还包括四个切换开关，所述双定子双凸极电 机采用双定子12/8极结构，电机定子分为两段且并行放置，两段电机定子分别具有独立的 三相电枢绕组AiBiCi和A2B2C2，两段电机转子共轴并错开60°电角度;六桥臂变换器的六个桥 臂直流侧相互并联连接直流电源，其中第一、第二、第三桥臂构成一个六开关三相变换器， 与双定子双凸极电机的第一段电机三相绕组AiBiCi相连，第四、第五、第六桥臂构成一个六 开关三相变换器，与双定子双凸极电机的第二段电机三相绕组A 2B2C2相连，在第一桥臂和第 六桥臂输出端之间连有切换开关K 1，第二桥臂和第四桥臂输出端之间连有切换开关K2，第二 桥臂和第五桥臂输出端之间连有切换开关K 3,第三桥臂和第六桥臂输出端之间连有切换开 关Κ4; 控制器通过传感器分别采集双定子双凸极电机位置信号、各相绕组电流信号、六桥臂 变换器各桥臂下管电压信号，输出控制信号，通过驱动两个六开关三相变换器来驱动双定 子双凸极电机，并通过检测各桥臂下管电压变化进行故障诊断，再根据故障诊断结果通过 I/O 口输出四路信号，分别控制四个切换开关，实现IGBT开关管故障的容错控制。2. 根据权利要求1所述双定子双凸极电机故障容错驱动系统，其特征在于:双定子双凸 极电机的绕组中，A1相超前A 2相60°电角度,B1相超前B2相60°电角度,C1相超前C 2相60°电 角度。3. 根据权利要求2所述双定子双凸极电机故障容错驱动系统，其特征在于:所述六桥臂 变换器由IGBT开关管T1-T 2连接构成第一桥臂，T3-T4连接构成第二桥臂，T5-T 6连接构成第三 桥臂，T7-T8连接构成第四桥臂，T9-T iq连接构成第五桥臂，T11-T12连接构成第六桥臂。4. 根据权利要求1所述双定子双凸极电机故障容错驱动系统，其特征在于:六桥臂变换 器的六个桥臂分别安装保险丝，短路故障时熔断保险丝，此时桥臂的短路故障也可转化为 桥臂开路故障。5. 采用权利要求1-4任一所述驱动系统进行故障容错控制方法，其特征在于:包括以下 步骤： 控制器检测双定子双凸极电机的六相绕组电流和转子位置信息，并检测各桥臂下管电 压的变化，判断故障所在桥臂，根据双定子双凸极电机相绕组磁链的一个变化周期定义6个 状态，由控制器给出开关切换信号，正常运行时所有切换开关均关断；如果某一相桥臂一 个或两个开关管出现开路故障，以及桥臂保险丝熔断故障均视为该桥臂开路故障，封锁该 故障相桥臂驱动信号，其余五个桥臂及切换开关K 1-K4的控制过程如下： 1) 第一桥臂开路故障时，开通Ki，以第六桥臂为公共桥臂;状态1开通Τ6、TiQ、Til;状态2 开通Τ6、Τ7;状态3开通1' 3、17、1'12;状态4开通1'3、1'8、1' 9、1'12;状态5开通14、1'5、1'8、1' 9;状态6开通 T4、T5、Tl〇、Tll; 2) 第二桥臂开路故障时，可开通心或心，若开通κ2,则以第四桥臂为公共桥臂，状态1开 通 1'1、1'6、1'1〇、1'11;状态2开通1' 1、1'6、17、1'12;状态3开通1'2、17、1' 12;状态4开通1'2、1'9;状态5开通 Τ5、Τ8、Τ9;状态6开通T5、T8、TlQ、Tll ;若开通Κ3，则以第五桥臂为公共桥臂，状态1开通Tl、T6、 1'10、1'11;状态2开通1' 1、1'637、1'12;状态3开通1'2、17、1' 9、1'12;状态4开通1'2、1'8、1'9;状态5开通1' 5、 T8;状态 6 开通 T5 JkkT11 ; 3) 第三桥臂开路故障时，开通Κ4,以第六桥臂为公共桥臂;状态1开通T1Q;状态2开通 1'1、丁7、1'12;状态3开通1'2、1'337、1' 12;状态4开通1'2、1'3、1'8、1'9;状态5开通14、1' 8、1'9、1'11;状态6开 通 T4、TlO、Tll ; 4) 第四桥臂开路故障时，开通Κ2,以第二桥臂为公共桥臂;状态1开通 2开通T1、T3、T6、T12;状态3开通T 2、T3、T12;状态4开通T2、T9;状态5开通T4、T 5、T9;状态6开通T4、 T5、TlO、Tll ; 5) 第五桥臂开路故障时，开通Κ3,以第二桥臂为公共桥臂;状态1开通Tl、T4、T6、Tll ;状态 2开通T1、T6、Τ7、T12;状态3开通T 2、T3、Τ7、T12;状态4开通T2、T3、T 8;状态5开通T5、T8;状态6开通 T4、T5、Tll; 6) 第六桥臂开路故障时，可开通Ki或Κ4,若开通Ki，则以第一桥臂为公共桥臂，状态1开 通 1'1、1'6、1'1〇;状态2开通1' 6、17;状态3开通1'2、1'3、17;状态4开通1' 2、1'3、1'8、1'9;状态5开通14、1' 5、 T8、T9;状态 6 开通 T1、Τ4、T5、T10; 若开通Κ4,则以第三桥臂为公共桥臂，状态1开通Τι、Τιο;状态2开通Τι、Τ6、Τ7;状态3开通 T2、T3、T6、T7;状态 4 开通 T2、T3、T8、T9;状态 5 开通 Τ4、T5、T8、T9;状态 6 开通 Τ4、T5、T10; 以上各状态下只开通相应的开关管，进行电流滞环控制，其余开关管均关断。6. 根据权利要求5所述容错控制方法，其特征在于： 上述控制过程中，在各桥臂故障时，以下开关管可保持常通状态，无需进行电流控制， 具体如下： 1) 第一桥臂开路故障，开通Ki时，状态1的T11可常通，状态2的T6或者T7可常通，状态3的 Ti2可常通； 2) 第二桥臂开路故障，开通K2时，状态3的T7可常通，状态4的T2或者T 9可常通，状态5的T8 可常通;开通K3时，状态4的T9可常通，状态5的1~5或者T 8可常通，状态6的Tiq可常通； 3 )第三桥臂开路故障，开通Κ4时，状态1的!^或者Tiq可常通，状态2的T12可常通，状态6的 Tn可常通； 4) 第四桥臂开路故障，开通K2时，状态3的T3可常通，状态4的T2或者T 9可常通，状态5的Τ4 可常通； 5) 第五桥臂开路故障，开通K3时，状态4的T3可常通，状态5的1~5或者T 8可常通，状态6的Τ4 可常通； 6) 第六桥臂开路故障，开通心时，状态1的1^可常通，状态2的T6或者T7可常通，状态3的T 2 可常通;开通K4时，状态1的Ti或者Tio可常通，状态2的T6可常通，状态6的T5可常通。7. 根据权利要求5所述容错控制方法，其特征在于： 双定子双凸极电机相绕组磁链的变化一个周期的6个状态分别为： 1) 状态I: A1相磁增大，B1相磁链不变，C1相磁链减小，A2相磁链不变，B 2相磁链减小，(：2相 磁链增大； 2) 状态2: Ai相磁增大，Bi相磁链不变，Ci相磁链减小，A2相磁链增大，B2相磁链不变，C2相 磁链减小； 3) 状态3: Ai相磁减小，Bi相磁链增大，Ci相磁链不变，A2相磁链增大，B2相磁链不变，C2相 磁链减小； 4) 状态4: Ai相磁减小，Bi相磁链增大，Ci相磁链不变，A2相磁链减小，B2相磁链增大，C2相 磁链不变； 5) 状态5: Ai相磁不变，Bi相磁链减小，Ci相磁链增大，A2相磁链减小，B2相磁链增大，C2相 磁链不变； 6) 状态6: A1相磁不变，B1相磁链减小，C1相磁链增大，A2相磁链不变，B 2相磁链减小，(：2相 磁链增大。
【文档编号】H02P23/00GK105897114SQ201610279987
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】张陶晶, 魏佳丹, 周波, 史立伟
【申请人】南京航空航天大学