双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法

摘要

本发明公开了双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法，属于开关磁阻电机容错控制的技术领域。本发明采用直接转矩和直接悬浮力相结合的控制方式，实现双绕组BSRM在一套悬浮绕组开路故障时的容错运行：根据转矩滞环信号和磁链滞环信号选取各相主绕组基本电压矢量；选取补偿相中与故障相悬浮绕组同向的悬浮绕组作为补偿悬浮绕组，选取故障相悬浮绕组的电压矢量作为补偿悬浮绕组的电压矢量，根据悬浮力滞环信号选取故障相另一套悬浮绕组的电压矢量。方法简单、可靠，提高了电机安全性，拓宽了无轴承开关磁阻电机在各领域尤其是航空航天方面的应用范围，实现了悬浮绕组开路故障下双绕组无轴承开关磁阻电机的可靠运行。

权利要求

1.双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法，其特征在于，采用直接转矩和直接悬浮力相结合的控制方式，实现双绕组BSRM在一套悬浮绕组开路故障时的容错运行，具体为：直接转矩控制：根据转矩滞环信号和磁链滞环信号选取各相主绕组基本电压矢量；

直接悬浮力控制：选取补偿相中与故障相悬浮绕组同向的悬浮绕组作为补偿悬浮绕组，选取故障相悬浮绕组的电压矢量作为补偿悬浮绕组的电压矢量，根据悬浮力滞环信号选取故障相另一套悬浮绕组的电压矢量。

2.根据权利要求1所述双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法，其特征在于，根据转矩滞环信号和磁链滞环信号选取各相主绕组基本电压矢量的方法为：在当前转矩小于给定转矩时，选择超前于当前磁链角的电压矢量作为该相主绕组基本电压矢量；

在当前转矩大于给定转矩时，选择滞后于当前磁链角的电压矢量作为该相主绕组基本电压矢量。

3.根据权利要求1或2所述双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法，其特征在于，选取补偿相中与故障相悬浮绕组同向的悬浮绕组作为补偿悬浮绕组的方法为：根据故障相转子位置角所属悬浮区间选取故障相相邻两相中电感值最大的一相作为补偿相，在故障相α方向悬浮绕组故障时选取补偿相α方向悬浮绕组作为补偿悬浮绕组，在故障相β方向悬浮绕组故障时选取补偿相β方向悬浮绕组作为补偿悬浮绕组。

4.根据权利要求3所述双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法，其特征在于，根据悬浮力滞环信号选取故障相另一套悬浮绕组的电压矢量的方法为：在故障相另一套悬浮绕组产生的悬浮力小于给定悬浮力时，选取向故障相另一套悬浮绕组施加正向电压的电压矢量；

在故障相另一套悬浮绕组产生的悬浮力大于给定悬浮力时，选取向故障相另一套悬浮绕组施加反向电压的电压矢量；

故障相另一套悬浮绕组产生的悬浮力在给定环宽内时，选取向故障相另一套悬浮绕组施加电压为0的电压矢量。

5.根据权利要求1所述双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法，其特征在于，所述容错补偿方法适用于12/8极双绕组BSRM以及其它定转子极数搭配的双绕组BSRM。

说明书

双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法

技术领域

[0001] 本发明公开了双绕组BSRM(Bearinless Switched Reluctance Motor，无轴承开关磁阻电机)悬浮绕组开路故障的容错补偿方法，属于开关磁阻电机容错控制的技术领域。

背景技术

[0002] 无轴承开关磁阻电机是20世纪末发展起来的一种新型磁悬浮电机，若要实现其连续旋转和稳定悬浮，关键是对转矩和悬浮力的控制。

[0003] 目前无轴承开关磁阻电机主要有最小磁势、独立控制及平均悬浮力控制策略。无轴承开关磁阻电机的悬浮技术已日趋成熟，对其控制策略的研究成了当前的热点。对于无轴承开关磁阻电机来说，电磁转矩与悬浮力存在着强耦合，因此需要借助复杂的数学模型来设计准确的控制算法。这样的控制算法过度依赖数学模型，导致控制系统复杂，且动态响应较慢，转矩和悬浮力脉动大，限制了无轴承开关磁阻电机的性能。而无轴承开关磁阻电机的直接转矩控制和直接悬浮力控制策略不仅不依赖数学模型，动态响应更快，还有效地降低了转矩脉动与悬浮力脉动，故而基于直接转矩控制和直接悬浮力控制研究故障容错运行控制策略，为双绕组无轴承开关磁阻电机的可靠性研究提供参考。本发明旨在提出一种结合了直接转矩和直接悬浮力的容错补偿方法，以实现双绕组BSRM在某一套悬浮绕组开路故障时仍可容错运行。

发明内容

[0004] 本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法，实现了悬浮绕组开路故障下双绕组无轴承开关磁阻电机的可靠运行，解决了借助数学模型实现容错控制的方案复杂、动态响应较慢、转矩脉动大、悬浮力存在换相缺失的技术问题。

[0005] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

[0006] 双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法，采用直接转矩(Direct Torque Control，DTC)和直接悬浮力(Direct Force Control，DFC)相结合的控制方式，实现双绕组BSRM在一套悬浮绕组开路故障时的容错运行，具体为：

[0007] 直接转矩控制：根据转矩滞环信号和磁链滞环信号选取各相主绕组基本电压矢量；

[0008] 直接悬浮力控制：选取补偿相中与故障相悬浮绕组同向的悬浮绕组作为补偿悬浮绕组，选取故障相悬浮绕组的电压矢量作为补偿悬浮绕组的电压矢量，根据悬浮力滞环信号选取故障相另一套悬浮绕组的电压矢量。

[0009] 进一步的，所述双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法，根据转矩滞环信号和磁链滞环信号选取各相主绕组基本电压矢量的方法为：

[0010] 在当前转矩小于给定转矩时，选择超前于当前磁链角的电压矢量作为该相主绕组基本电压矢量；

[0011] 在当前转矩大于给定转矩时，选择滞后于当前磁链角的电压矢量作为该相主绕组基本电压矢量。

[0012] 再进一步的，所述双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法，选取补偿相中与故障相悬浮绕组同向的悬浮绕组作为补偿悬浮绕组的方法为：根据故障相转子位置角所属故障相悬浮区间选取故障相相邻两相中电感值最大的一相作为补偿相，在故障相α方向悬浮绕组故障时选取补偿相α方向悬浮绕组作为补偿悬浮绕组，在故障相β方向悬浮绕组故障时选取补偿相β方向悬浮绕组作为补偿悬浮绕组。

[0013] 更进一步的，所述双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法，根据悬浮力滞环信号选取故障相另一套悬浮绕组的电压矢量的方法为：

[0014] 在故障相另一套悬浮绕组产生的悬浮力小于给定悬浮力时，选取向故障相另一套悬浮绕组施加正向电压的电压矢量；

[0015] 在故障相另一套悬浮绕组产生的悬浮力大于给定悬浮力时，选取向故障相另一套悬浮绕组施加反向电压的电压矢量；

[0016] 故障相另一套悬浮绕组产生的悬浮力在给定环宽内时，选取向故障相另一套悬浮绕组施加电压为0的电压矢量。

[0017] 作为所述双绕组BSRM悬浮绕组开路故障的容错补偿方法的进一步优化方案，容错补偿方法适用于12/8极双绕组BSRM以及其它定转子极数搭配的双绕组BSRM。

[0018] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

[0019] (1)双绕组无轴承开关磁阻电机的直接转矩控制和直接悬浮力控制策略不依赖数学模型，动态响应更快；避免了传统控制方法的复杂性、动态响应较慢、转矩脉动大、悬浮力存在换相缺失等问题，提高了无轴承开关磁阻电机的性能。

[0020] (2)基于直接转矩和直接悬浮力控制思想研究绕组开路故障，提出悬浮力补偿方法，该方法简单、可靠，提高了电机安全性，拓宽了无轴承开关磁阻电机在各领域尤其是航空航天方面的应用范围，加快了无轴承开关磁阻电机实用化的进程。

附图说明

[0021] 图1为12/8极双绕组无轴承开关磁阻电机悬浮原理图。

[0022] 图2为三相绕组电感曲线图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

[0024] 如图1所示，本发明以12/8极双绕组无轴承开关磁阻电机为研究对象，该电机绕组分为A、B、C三相，每相由径向相对的四个齿极组成。与普通开关磁阻电机不同的是，为了实现转子悬浮，电机上绕有两套绕组，分别为主绕组Nm及悬浮绕组Ns。以A相为例，主绕组Nma由四个齿极上的线圈正向串联而成，悬浮绕组Nsa1由α方向径向相对的两个齿极上的绕组反向串联而成，Nsa2由β方向径向相对的两个齿极上的绕组反向串联而成。当绕组中通入电流之后，主绕组产生驱动电机旋转所需的转矩，并提供偏置磁场；悬浮绕组产生悬浮磁场，与主绕组电流产生的偏置磁场叠加后产生不平衡径向磁拉力以使转子悬浮。

[0025] 一种基于12/8极双绕组无轴承开关磁阻电机直接转矩控制和直接悬浮力控制的容错补偿方法，以12/8极双绕组无轴承开关磁阻电机A相α方向悬浮绕组开路故障为例，由于α方向径向相对的两个齿极上的绕组反向串联而成，此时两个绕组中电流均为零，α方向悬浮力为零。β方向的一套绕组单独控制，所以悬浮力不受影响。

[0026] 根据图2所示的绕组电感曲线图可知，当θ∈[-7.5°,7.5°]时A相电感幅值较大，可以提供较大的悬浮力。如果此时A相一套悬浮绕组开路无法提供悬浮力，则必须选择开通相邻两相悬浮绕组来补偿悬浮力。其中θ∈[-7.5°,0]时，C相电感呈现下降趋势，产生负转矩；但是C相电感幅值大于B相，因而相对于B相而言C相可以产生较大的悬浮力，因此选取C相作为补偿相。反之在区间θ∈[0,7.5°]内选择电感幅值较大的B相作为悬浮力补偿相。

[0027] 直接转矩和直接悬浮力控制方法以转矩和悬浮力为控制对象，首先根据转矩滞环信号和磁链滞环信号选择基本电压矢量(即为等效电压矢量)。增大转矩(当前转矩小于给定转矩时)，则选择超前于当前磁链角的电压矢量；反之(当前转矩小于给定转矩时)，选择滞后于当前磁链角的电压矢量。由选取的基本电压矢量可得知三相主绕组基本电压矢量符号：“+”表示主绕组两端承受正向电压，主绕组电流增大；“0”表示主绕组两端电压为零，主绕组自然续流；“-”表示主绕组两端承受反向电压，主绕组中电流减小。其次依据转子位置角，选择位置角处于[-7.5°,7.5°]的一相提供悬浮力。以故障相悬浮绕组的电压矢量为补偿悬浮绕组的电压矢量，根据悬浮力滞环信号选取故障相另一套悬浮绕组合理的电压矢量：若要增大某方向的悬浮力(故障相另一套悬浮绕组产生的悬浮力小于给定悬浮力时)，选取电压矢量“+”；若要减小某方向的悬浮力(故障相另一套悬浮绕组产生的悬浮力大于给定悬浮力时)，选取电压矢量“-”；若此时故障相另一套悬浮绕组产生的悬浮力在给定环宽内，选取电压矢量“0”。位置角不处于[-7.5°,7.5°]的其余相悬浮绕组压矢量均取零矢量。结合转矩和悬浮力的电压选取原则，制定相应的电压矢量表。

[0028] 双绕组无轴承开关磁阻电机主绕组和悬浮绕组分别单独控制，主绕组产生驱动电机旋转所需的转矩，并提供偏置磁场；悬浮绕组产生悬浮磁场，与主绕组电流产生的偏置磁场叠加后产生不平衡径向磁拉力以使转子悬浮。因此，当悬浮绕组开路故障后，对转矩的影响可以通过对主绕组的控制进行补偿，主绕组的基本电压矢量仍可通过原有的转矩和磁链滞环控制进行选择。依据补偿悬浮绕组的选取原则选取合适的补偿悬浮绕组后，补偿悬浮绕组电压矢量选取仍通过原有的悬浮力滞环信号进行选择。以A相为例，假设A相α方向的一套悬浮绕组开路，A相主绕组电压矢量同正常情况。当A相转子位置角处于[-7.5°,7.5°]时，根据α方向的悬浮力滞环信号选取A相α方向的悬浮绕组电压矢量，但此时悬浮绕组开路，电流始终为零，无法正常提供悬浮力。考虑电感分布规律进行悬浮力补偿，若A相转子位置角度处于[-7.5°,0°]，选取C相作为补偿相，根据悬浮力滞环信号选取C相α方向悬浮绕组的电压矢量；反之，若A相转子位置角度处于[0°,7.5°]，选取B相作为补偿相，根据悬浮力滞环信号给B相α方向悬浮绕组的电压矢量。表1列出了详细的A相悬浮绕组开路补偿电压矢量选择表。

[0029] 以上以A相α方向悬浮绕组开路为例，若β方向或者其他相悬浮绕组开路，此方法仍然适用，依次类推相应的补偿相即可。

[0030]

[0031] 表1

[0032] 综上所述，本发明具有以下有益效果：

[0033] (1)双绕组无轴承开关磁阻电机的直接转矩控制和直接悬浮力控制策略不依赖数学模型，动态响应更快；避免了传统控制方法的复杂性、动态响应较慢、转矩脉动大、悬浮力存在换相缺失等问题，提高了无轴承开关磁阻电机的性能。

[0034] (2)基于直接转矩和直接悬浮力控制思想研究绕组开路故障，提出悬浮力补偿方法，该方法简单、可靠，提高了电机安全性，拓宽了无轴承开关磁阻电机在各领域尤其是航空航天方面的应用范围，加快了无轴承开关磁阻电机实用化的进程。