12/8極bsrm定子繞組開路故障的容錯控制方法
【專利摘要】本發明公開了12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯控制方法，該方法通過重構電壓矢量表，在某一定子齒出現開路故障時，開通相鄰齒極進行補償，并運用直接轉矩控制和直接懸浮力控制思想進行懸浮力和轉矩的補償控制。本發明使得無軸承開關磁阻電機在發生開路故障時仍能正常運行和穩定懸浮，同時與傳統的無軸承開關磁阻電機開路故障容錯控制策略相比，能有效地改善傳統策略中電流換相造成的懸浮力波動和轉矩脈動較大的問題。
【專利說明】
12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯控制方法
技術領域
[0001 ] 本發明屬于無軸承開關磁阻電機(Bearinless Switched Reluctance Motor，簡 稱BSRM)控制技術領域，特別涉及了 12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯控制方法。
【背景技術】
[0002] 開關磁阻電機具有結構簡單、工作可靠、低成本、耐高溫、高容錯性和高速適應性 等特點，在航空航天、軍事、民用等領域得到了廣泛地應用。集磁軸承和電機功能于一體的 無軸承開關磁阻電機在實現懸浮運行的同時，體積和重量大為減小，提高了功率密度。由于 集旋轉和懸浮的雙重功能于一身，BSRM的高速適應性得到進一步提高，在航空航天和軍事 領域具有更好的應用優勢。
[0003] 對于傳統的12/8極單繞組BSRM開路容錯控制方法，在實際運用中會在電流換相造 成懸浮力缺失，同時也會產生懸浮力波動和轉矩脈動較大的問題。無軸承開關磁阻電機由 于沒有機械軸承，如果容錯控制策略在實際發生故障中無法控制轉矩和懸浮力的脈動，嚴 重時將造成電機無法提供足夠的轉矩以及懸浮失穩，這對于高速運行中的電機而言是相當 危險的。
【發明內容】
[0004] 為了解決上述【背景技術】提出的技術問題，本發明旨在提供12/8極BSRM定子繞組開 路故障的容錯控制方法，基于直接轉矩控制(Direct Torque Control，簡稱DTC)和直接懸 浮力控制(Direct Force Control，簡稱DFC)，實現12/8極BSRM在發生定子繞組開路故障時 能實現容錯運行，并減小傳統容錯策略帶來的懸浮力波動、轉矩脈動大等問題，實現在容錯 狀態下對電機更穩定的控制。
[0005] 為了實現上述技術目的，本發明的技術方案為：
[0006] 12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯控制方法，根據電機的負載環境，對應有2種 控制策略:適用于徑向負載大的控制策略、適用于轉矩負載大的控制策略;設發生開路故障 的定子繞組稱為故障相，則其余兩相未發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行補償，則該相稱為補償相；當采用適用于徑向負載大的控制策 略時，若電機的某相定子繞組發生開路故障，通過重建各相的電壓矢量，在該故障相正常工 作時提供懸浮力的區間內，選擇兩正常相中電感較大的一相作為補償相，補償故障相缺失 的懸浮力；當采用適用于轉矩負載大的控制策略時，若電機的某相定子繞組發生開路故障， 通過重建各相的電壓矢量，在該故障相正常工作時提供懸浮力的區間內，選擇兩正常相中 轉矩方向與故障相的轉矩方向相同的一相作為補償相;在重建各相電壓矢量時，為了保證 新構建的電壓矢量滿足原控制策略對于磁鏈和轉矩的控制要求，因此需要滿足2條重建原 貝1J:避免補償相的基本電壓矢量在補償區間內被改變、避免故障相的基本電壓矢量在補償 區間內被改變。
[0007] 進一步地，若電機的某相定子繞組的某個齒極發生開路故障，在其余兩正常相中 選擇電感較大的一相作為補償相，并通過重構各相電壓矢量，在該補償相中，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償齒極組，對故障相進行 補償。
[0008] 進一步地，為了避免補償相的基本電壓矢量在補償區間內被改變，因此選擇的一 對補償齒極組的電壓矢量符號必須相反。
[0009] 進一步地，為了避免故障相的基本電壓矢量在補償區間內被改變，因此故障相中 未發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] 進一步地，若電機的某相定子繞組的某個齒極發生開路故障，通過重構各相電壓 矢量，關斷與該故障相故障齒極徑向相對的齒極。
[0011]采用上述技術方案帶來的有益效果：
[0012] (1)本發明使得12/8極BSRM在某一定子齒開路的情況下仍然能容錯運行，并且有 效地減少了轉矩脈動和懸浮力波動，使電機的容錯運行更加穩定；
[0013] (2)本發明實現了在開路容錯運行時對轉矩和懸浮力的直接控制，簡化了控制算 法，加快了系統響應，提升了系統的動態性能。
【附圖說明】
[0014] 圖1是12/8極BSRM的結構示意圖。
[0015]圖2是本發明中單繞組BSRM位置角定義示意圖。
[0016]圖3是本發明中懸浮力補償策略下的補償相選擇示意圖。
[0017] 圖4是本發明中轉矩補償策略下的補償相選擇示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。
[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的結構示意圖。 同時根據國內外文獻所采用的定義方式，將轉子位置角的零度定義在定子和轉子齒極軸線 重合處，此時繞組電感值最大，如圖2所示。
[0020]表 1
[0022]如表1所示本發明的A相繞組補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方向所產生的懸浮力。該表結合傳統控制策略中懸浮力補償方式以及 BSRM的DTC&DFC控制思想并重構電壓矢量表所得到。由于本發明提出的開路容錯控制策略 考慮了兩種負載環境，下面將分別說明。
[0023] 1、適用于徑向負載大的場合
[0024]根據傳統BSRM開路容錯控制策略的懸浮力補償思路，對DTC&DFC控制策略下的開 路故障采用相鄰相補償懸浮力。如圖3所示，Α相正常工作時提供懸浮力的區間為0^(-7.5°，7.5°)，其中區間Θ e (-7.5°，0)內B相電感比C相大，故B相可提供更大的懸浮力，反之 在區間0^(〇,7.5°)內(：相可提供更大的懸浮力。那么，考慮懸浮力補償能力，選擇8相和(：相 分別補償Θ e (-7 · 5°，0)和Θ e (〇，7 · 5°)內A相缺失的懸浮力。
[0025] 由于懸浮力補償的需要，補償相和故障相的電壓矢量選取相較正常工作時皆發生 了變化，本發明的開路容錯控制策略需要對電壓矢量進行重分配，為了保持新構建的矢量 表滿足原策略中對磁鏈和轉矩的控制要求，提出下列兩條重分配原則：
[0026] (a)避免補償相的基本電壓矢量在補償區間內被改變；
[0027] 其中，補償相基本電壓矢量要求為0時，補償齒極組分別為"0"與"+"或"0"與， 會造成補償相的基本電壓矢量變為"+"或。故補償齒極組選取一 "+" 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償區間內被改變。
[0029] 其中，故障相基本電壓矢量要求為0時，因 A1開路導致A相只剩3個齒極，會造成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 剩余的三個齒極矢量和仍為所需的基本電壓矢量。
[0030] 在θε (-7.5°，0)區間內由B3繼承A1的電壓矢量，θε (〇,7.5°)區間內由C1繼承A1 的電壓矢量，實現懸浮力補償的矢量需求。其中，表示原來的矢量符號為補償時 為滿足重分配的原則而將矢量符號改為"0"。
[0031]為了克服補償效果不理想和補償電流過大的現象，在懸浮力補償策略中考慮將A3 齒極斷開，形成對稱的開路故障。這是為了防止A3齒的持續開通將會使補償相不得不施加 更大的電流，以產生足夠的懸浮力。同時由于Β3繞組較Μ繞組補償能力更強，C1繞組較C4繞 組補償能力更強，故本文以Β3、Β1齒極組和C1、C3齒極組對Α相懸浮力進行補償。同時，即在Θ e (-7.5°，0)內由B3、B1兩個齒極繞組電流提供α方向上的懸浮力，Θ e (〇，7.5°)內由Cl、C3 兩個齒極繞組電流提供α方向的懸浮力。
[0032] 2、適用于轉矩負載大的場合
[0033]在優先考慮徑向負載的補償策略中，Β相和C相分別補償θε(-7.5°，0)和θε(〇， 7.5°)內A相缺失的懸浮力，在這兩個區間內補償相與故障相處于轉矩符號不同的區域，如Θ e (-7.5°，0)內A相提供正轉矩，B相提供負轉矩。故補償懸浮力的同時不可避免地犧牲了轉 矩，對直接轉矩控制造成負面影響。
[0034]如圖4所示，區間陽（-7.5°，〇)內(：相轉矩符號與八相相同，區間0^(〇,7.5°)內財目 轉矩符號與A相相同，所以選擇這種補償方式可在補償懸浮力的同時保證轉矩控制受到的 干擾降低。由于只是對調了B、C相的補償區間，上節中的矢量表依然適用。
[0035]以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是 按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍 之內。
【主權項】
1.12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯控制方法，其特征在于，根據電機的負載環境， 對應有2種控制策略:適用于徑向負載大的控制策略、適用于轉矩負載大的控制策略;設發 生開路故障的定子繞組稱為故障相，則其余兩相未發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行補償，則該相稱為補償相；當采用適用于徑向負載 大的控制策略時，若電機的某相定子繞組發生開路故障，通過重建各相的電壓矢量，在該故 障相正常工作時提供懸浮力的區間內，選擇兩正常相中電感較大的一相作為補償相，補償 故障相缺失的懸浮力；當采用適用于轉矩負載大的控制策略時，若電機的某相定子繞組發 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提供懸浮力的區間內，選擇 兩正常相中轉矩方向與故障相的轉矩方向相同的一相作為補償相；在重建各相電壓矢量 時，為了保證新構建的電壓矢量滿足原控制策略對于磁鏈和轉矩的控制要求，因此需要滿 足2條重建原則:避免補償相的基本電壓矢量在補償區間內被改變、避免故障相的基本電壓 矢量在補償區間內被改變。2. 根據權利要求1所述12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯控制方法，其特征在于:若 電機的某相定子繞組的某個齒極發生開路故障，在其余兩正常相中選擇電感較大的一相作 為補償相，并通過重構各相電壓矢量，在該補償相中，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償齒極組，對故障相進行補償。3. 根據權利要求2所述12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯控制方法，其特征在于:選 擇的一對補償齒極組的電壓矢量符號必須相反，從而避免補償相的基本電壓矢量在補償區 間內被改變。4. 根據權利要求2所述12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯控制方法，其特征在于:故 障相中未發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償區間內被改變。5. 根據權利要求1所述12/8極BSRM定子繞組開路故障的容錯控制方法，其特征在于:若 電機的某相定子繞組的某個齒極發生開路故障，通過重構各相電壓矢量，關斷與該故障相 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
【發明人】曹鑫, 劉從宇
【申請人】南京航空航天大學