12/8極bsrm定子繞組開路故障的容錯(cuò)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯(cuò)控制方法，該方法通過重構(gòu)電壓矢量表，在某一定子齒出現(xiàn)開路故障時(shí)，開通相鄰齒極進(jìn)行補(bǔ)償，并運(yùn)用直接轉(zhuǎn)矩控制和直接懸浮力控制思想進(jìn)行懸浮力和轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償控制。本發(fā)明使得無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)在發(fā)生開路故障時(shí)仍能正常運(yùn)行和穩(wěn)定懸浮，同時(shí)與傳統(tǒng)的無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)開路故障容錯(cuò)控制策略相比，能有效地改善傳統(tǒng)策略中電流換相造成的懸浮力波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的問題。
【專利說明】
12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯(cuò)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明屬于無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)(Bearinless Switched Reluctance Motor，簡 稱BSRM)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了 12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯(cuò)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、低成本、耐高溫、高容錯(cuò)性和高速適應(yīng)性 等特點(diǎn)，在航空航天、軍事、民用等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。集磁軸承和電機(jī)功能于一體的 無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)在實(shí)現(xiàn)懸浮運(yùn)行的同時(shí)，體積和重量大為減小，提高了功率密度。由于 集旋轉(zhuǎn)和懸浮的雙重功能于一身，BSRM的高速適應(yīng)性得到進(jìn)一步提高，在航空航天和軍事 領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用優(yōu)勢。
[0003] 對于傳統(tǒng)的12/8極單繞組BSRM開路容錯(cuò)控制方法，在實(shí)際運(yùn)用中會(huì)在電流換相造 成懸浮力缺失，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生懸浮力波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的問題。無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)由 于沒有機(jī)械軸承，如果容錯(cuò)控制策略在實(shí)際發(fā)生故障中無法控制轉(zhuǎn)矩和懸浮力的脈動(dòng)，嚴(yán) 重時(shí)將造成電機(jī)無法提供足夠的轉(zhuǎn)矩以及懸浮失穩(wěn)，這對于高速運(yùn)行中的電機(jī)而言是相當(dāng) 危險(xiǎn)的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述【背景技術(shù)】提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供12/8極BSRM定子繞組開 路故障的容錯(cuò)控制方法，基于直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，簡稱DTC)和直接懸 浮力控制(Direct Force Control，簡稱DFC)，實(shí)現(xiàn)12/8極BSRM在發(fā)生定子繞組開路故障時(shí) 能實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行，并減小傳統(tǒng)容錯(cuò)策略帶來的懸浮力波動(dòng)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等問題，實(shí)現(xiàn)在容錯(cuò) 狀態(tài)下對電機(jī)更穩(wěn)定的控制。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0006] 12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯(cuò)控制方法，根據(jù)電機(jī)的負(fù)載環(huán)境，對應(yīng)有2種 控制策略:適用于徑向負(fù)載大的控制策略、適用于轉(zhuǎn)矩負(fù)載大的控制策略;設(shè)發(fā)生開路故障 的定子繞組稱為故障相，則其余兩相未發(fā)生開路故障的定子繞組稱為正常相，在兩正常相 之中選擇一相對故障相進(jìn)行補(bǔ)償，則該相稱為補(bǔ)償相；當(dāng)采用適用于徑向負(fù)載大的控制策 略時(shí)，若電機(jī)的某相定子繞組發(fā)生開路故障，通過重建各相的電壓矢量，在該故障相正常工 作時(shí)提供懸浮力的區(qū)間內(nèi)，選擇兩正常相中電感較大的一相作為補(bǔ)償相，補(bǔ)償故障相缺失 的懸浮力；當(dāng)采用適用于轉(zhuǎn)矩負(fù)載大的控制策略時(shí)，若電機(jī)的某相定子繞組發(fā)生開路故障， 通過重建各相的電壓矢量，在該故障相正常工作時(shí)提供懸浮力的區(qū)間內(nèi)，選擇兩正常相中 轉(zhuǎn)矩方向與故障相的轉(zhuǎn)矩方向相同的一相作為補(bǔ)償相;在重建各相電壓矢量時(shí)，為了保證 新構(gòu)建的電壓矢量滿足原控制策略對于磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制要求，因此需要滿足2條重建原 貝1J:避免補(bǔ)償相的基本電壓矢量在補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)被改變、避免故障相的基本電壓矢量在補(bǔ)償 區(qū)間內(nèi)被改變。
[0007] 進(jìn)一步地，若電機(jī)的某相定子繞組的某個(gè)齒極發(fā)生開路故障，在其余兩正常相中 選擇電感較大的一相作為補(bǔ)償相，并通過重構(gòu)各相電壓矢量，在該補(bǔ)償相中，選擇與故障相 故障齒極相鄰的齒極、與該相鄰齒極徑向相對的齒極組成一對補(bǔ)償齒極組，對故障相進(jìn)行 補(bǔ)償。
[0008] 進(jìn)一步地，為了避免補(bǔ)償相的基本電壓矢量在補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)被改變，因此選擇的一 對補(bǔ)償齒極組的電壓矢量符號必須相反。
[0009] 進(jìn)一步地，為了避免故障相的基本電壓矢量在補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)被改變，因此故障相中 未發(fā)生開路故障的齒極的電壓矢量和仍為原控制策略中該相的基本電壓矢量。
[0010] 進(jìn)一步地，若電機(jī)的某相定子繞組的某個(gè)齒極發(fā)生開路故障，通過重構(gòu)各相電壓 矢量，關(guān)斷與該故障相故障齒極徑向相對的齒極。
[0011]采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果：
[0012] (1)本發(fā)明使得12/8極BSRM在某一定子齒開路的情況下仍然能容錯(cuò)運(yùn)行，并且有 效地減少了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和懸浮力波動(dòng)，使電機(jī)的容錯(cuò)運(yùn)行更加穩(wěn)定；
[0013] (2)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在開路容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)對轉(zhuǎn)矩和懸浮力的直接控制，簡化了控制算 法，加快了系統(tǒng)響應(yīng)，提升了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
【附圖說明】
[0014] 圖1是12/8極BSRM的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明中單繞組BSRM位置角定義示意圖。
[0016]圖3是本發(fā)明中懸浮力補(bǔ)償策略下的補(bǔ)償相選擇示意圖。
[0017] 圖4是本發(fā)明中轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償策略下的補(bǔ)償相選擇示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019] 此處以12/8極BSRM中的定子A1齒開路故障為例，圖1為12/8極BSRM的結(jié)構(gòu)示意圖。 同時(shí)根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)所采用的定義方式，將轉(zhuǎn)子位置角的零度定義在定子和轉(zhuǎn)子齒極軸線 重合處，此時(shí)繞組電感值最大，如圖2所示。
[0020]表 1
[0022]如表1所示本發(fā)明的A相繞組補(bǔ)償后不平衡電壓符號表，其中ΘΑ代表A相位置角， FAa、FAf!表不A相在α、β方向所產(chǎn)生的懸浮力。該表結(jié)合傳統(tǒng)控制策略中懸浮力補(bǔ)償方式以及 BSRM的DTC&DFC控制思想并重構(gòu)電壓矢量表所得到。由于本發(fā)明提出的開路容錯(cuò)控制策略 考慮了兩種負(fù)載環(huán)境，下面將分別說明。
[0023] 1、適用于徑向負(fù)載大的場合
[0024]根據(jù)傳統(tǒng)BSRM開路容錯(cuò)控制策略的懸浮力補(bǔ)償思路，對DTC&DFC控制策略下的開 路故障采用相鄰相補(bǔ)償懸浮力。如圖3所示，Α相正常工作時(shí)提供懸浮力的區(qū)間為0^(-7.5°，7.5°)，其中區(qū)間Θ e (-7.5°，0)內(nèi)B相電感比C相大，故B相可提供更大的懸浮力，反之 在區(qū)間0^(〇,7.5°)內(nèi)(：相可提供更大的懸浮力。那么，考慮懸浮力補(bǔ)償能力，選擇8相和(：相 分別補(bǔ)償Θ e (-7 · 5°，0)和Θ e (〇，7 · 5°)內(nèi)A相缺失的懸浮力。
[0025] 由于懸浮力補(bǔ)償?shù)男枰?，補(bǔ)償相和故障相的電壓矢量選取相較正常工作時(shí)皆發(fā)生 了變化，本發(fā)明的開路容錯(cuò)控制策略需要對電壓矢量進(jìn)行重分配，為了保持新構(gòu)建的矢量 表滿足原策略中對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制要求，提出下列兩條重分配原則：
[0026] (a)避免補(bǔ)償相的基本電壓矢量在補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)被改變；
[0027] 其中，補(bǔ)償相基本電壓矢量要求為0時(shí)，補(bǔ)償齒極組分別為"0"與"+"或"0"與， 會(huì)造成補(bǔ)償相的基本電壓矢量變?yōu)?+"或。故補(bǔ)償齒極組選取一 "+" 一 ，保證不干擾 原基本電壓矢量的符號。
[0028] (b)避免故障相的基本電壓矢量在補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)被改變。
[0029] 其中，故障相基本電壓矢量要求為0時(shí)，因 A1開路導(dǎo)致A相只剩3個(gè)齒極，會(huì)造成A相 基本電壓矢量符號與A3的相同，且不為0。故可選擇將A3矢量置0,或者改變A2或A4的矢量使 剩余的三個(gè)齒極矢量和仍為所需的基本電壓矢量。
[0030] 在θε (-7.5°，0)區(qū)間內(nèi)由B3繼承A1的電壓矢量，θε (〇,7.5°)區(qū)間內(nèi)由C1繼承A1 的電壓矢量，實(shí)現(xiàn)懸浮力補(bǔ)償?shù)氖噶啃枨蟆Ｆ渲?，表示原來的矢量符號為補(bǔ)償時(shí) 為滿足重分配的原則而將矢量符號改為"0"。
[0031]為了克服補(bǔ)償效果不理想和補(bǔ)償電流過大的現(xiàn)象，在懸浮力補(bǔ)償策略中考慮將A3 齒極斷開，形成對稱的開路故障。這是為了防止A3齒的持續(xù)開通將會(huì)使補(bǔ)償相不得不施加 更大的電流，以產(chǎn)生足夠的懸浮力。同時(shí)由于Β3繞組較Μ繞組補(bǔ)償能力更強(qiáng)，C1繞組較C4繞 組補(bǔ)償能力更強(qiáng)，故本文以Β3、Β1齒極組和C1、C3齒極組對Α相懸浮力進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，即在Θ e (-7.5°，0)內(nèi)由B3、B1兩個(gè)齒極繞組電流提供α方向上的懸浮力，Θ e (〇，7.5°)內(nèi)由Cl、C3 兩個(gè)齒極繞組電流提供α方向的懸浮力。
[0032] 2、適用于轉(zhuǎn)矩負(fù)載大的場合
[0033]在優(yōu)先考慮徑向負(fù)載的補(bǔ)償策略中，Β相和C相分別補(bǔ)償θε(-7.5°，0)和θε(〇， 7.5°)內(nèi)A相缺失的懸浮力，在這兩個(gè)區(qū)間內(nèi)補(bǔ)償相與故障相處于轉(zhuǎn)矩符號不同的區(qū)域，如Θ e (-7.5°，0)內(nèi)A相提供正轉(zhuǎn)矩，B相提供負(fù)轉(zhuǎn)矩。故補(bǔ)償懸浮力的同時(shí)不可避免地犧牲了轉(zhuǎn) 矩，對直接轉(zhuǎn)矩控制造成負(fù)面影響。
[0034]如圖4所示，區(qū)間陽（-7.5°，〇)內(nèi)(：相轉(zhuǎn)矩符號與八相相同，區(qū)間0^(〇,7.5°)內(nèi)財(cái)目 轉(zhuǎn)矩符號與A相相同，所以選擇這種補(bǔ)償方式可在補(bǔ)償懸浮力的同時(shí)保證轉(zhuǎn)矩控制受到的 干擾降低。由于只是對調(diào)了B、C相的補(bǔ)償區(qū)間，上節(jié)中的矢量表依然適用。
[0035]以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是 按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍 之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯(cuò)控制方法，其特征在于，根據(jù)電機(jī)的負(fù)載環(huán)境， 對應(yīng)有2種控制策略:適用于徑向負(fù)載大的控制策略、適用于轉(zhuǎn)矩負(fù)載大的控制策略;設(shè)發(fā) 生開路故障的定子繞組稱為故障相，則其余兩相未發(fā)生開路故障的定子繞組稱為正常相， 在兩正常相之中選擇一相對故障相進(jìn)行補(bǔ)償，則該相稱為補(bǔ)償相；當(dāng)采用適用于徑向負(fù)載 大的控制策略時(shí)，若電機(jī)的某相定子繞組發(fā)生開路故障，通過重建各相的電壓矢量，在該故 障相正常工作時(shí)提供懸浮力的區(qū)間內(nèi)，選擇兩正常相中電感較大的一相作為補(bǔ)償相，補(bǔ)償 故障相缺失的懸浮力；當(dāng)采用適用于轉(zhuǎn)矩負(fù)載大的控制策略時(shí)，若電機(jī)的某相定子繞組發(fā) 生開路故障，通過重建各相的電壓矢量，在該故障相正常工作時(shí)提供懸浮力的區(qū)間內(nèi)，選擇 兩正常相中轉(zhuǎn)矩方向與故障相的轉(zhuǎn)矩方向相同的一相作為補(bǔ)償相；在重建各相電壓矢量 時(shí)，為了保證新構(gòu)建的電壓矢量滿足原控制策略對于磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制要求，因此需要滿 足2條重建原則:避免補(bǔ)償相的基本電壓矢量在補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)被改變、避免故障相的基本電壓 矢量在補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)被改變。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯(cuò)控制方法，其特征在于:若 電機(jī)的某相定子繞組的某個(gè)齒極發(fā)生開路故障，在其余兩正常相中選擇電感較大的一相作 為補(bǔ)償相，并通過重構(gòu)各相電壓矢量，在該補(bǔ)償相中，選擇與故障相故障齒極相鄰的齒極、 與該相鄰齒極徑向相對的齒極組成一對補(bǔ)償齒極組，對故障相進(jìn)行補(bǔ)償。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯(cuò)控制方法，其特征在于:選 擇的一對補(bǔ)償齒極組的電壓矢量符號必須相反，從而避免補(bǔ)償相的基本電壓矢量在補(bǔ)償區(qū) 間內(nèi)被改變。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯(cuò)控制方法，其特征在于:故 障相中未發(fā)生開路故障的齒極的電壓矢量和仍為原控制策略中該相的基本電壓矢量，從而 避免故障相的基本電壓矢量在補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)被改變。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯(cuò)控制方法，其特征在于:若 電機(jī)的某相定子繞組的某個(gè)齒極發(fā)生開路故障，通過重構(gòu)各相電壓矢量，關(guān)斷與該故障相 故障齒極徑向相對的齒極。
【文檔編號】H02P29/028GK106026853SQ201610457939
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】曹鑫, 劉從宇
【申請人】南京航空航天大學(xué)