12/8极BSRM定子绕组开路故障的容错控制方法

技术领域

本发明属于无轴承开关磁阻电机(Bearinless Switched Reluctance Motor，简称BSRM)控制技术领域，特别涉及了12/8极BSRM定子绕组开路故障的容错控制方法。

背景技术

开关磁阻电机具有结构简单、工作可靠、低成本、耐高温、高容错性和高速适应性等特点，在航空航天、军事、民用等领域得到了广泛地应用。集磁轴承和电机功能于一体的无轴承开关磁阻电机在实现悬浮运行的同时，体积和重量大为减小，提高了功率密度。由于集旋转和悬浮的双重功能于一身，BSRM的高速适应性得到进一步提高，在航空航天和军事领域具有更好的应用优势。

对于传统的12/8极单绕组BSRM开路容错控制方法，在实际运用中会在电流换相造成悬浮力缺失，同时也会产生悬浮力波动和转矩脉动较大的问题。无轴承开关磁阻电机由于没有机械轴承，如果容错控制策略在实际发生故障中无法控制转矩和悬浮力的脉动，严重时将造成电机无法提供足够的转矩以及悬浮失稳，这对于高速运行中的电机而言是相当危险的。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供12/8极BSRM定子绕组开路故障的容错控制方法，基于直接转矩控制(Direct Torque Control，简称DTC)和直接悬浮力控制(Direct Force Control，简称DFC)，实现12/8极BSRM在发生定子绕组开路故障时能实现容错运行，并减小传统容错策略带来的悬浮力波动、转矩脉动大等问题，实现在容错状态下对电机更稳定的控制。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

12/8极BSRM定子绕组开路故障的容错控制方法，根据电机的负载环境，对应有2种控制策略：适用于径向负载大的控制策略、适用于转矩负载大的控制 策略；设发生开路故障的定子绕组称为故障相，则其余两相未发生开路故障的定子绕组称为正常相，在两正常相之中选择一相对故障相进行补偿，则该相称为补偿相；当采用适用于径向负载大的控制策略时，若电机的某相定子绕组发生开路故障，通过重建各相的电压矢量，在该故障相正常工作时提供悬浮力的区间内，选择两正常相中电感较大的一相作为补偿相，补偿故障相缺失的悬浮力；当采用适用于转矩负载大的控制策略时，若电机的某相定子绕组发生开路故障，通过重建各相的电压矢量，在该故障相正常工作时提供悬浮力的区间内，选择两正常相中转矩方向与故障相的转矩方向相同的一相作为补偿相；在重建各相电压矢量时，为了保证新构建的电压矢量满足原控制策略对于磁链和转矩的控制要求，因此需要满足2条重建原则：避免补偿相的基本电压矢量在补偿区间内被改变、避免故障相的基本电压矢量在补偿区间内被改变。

进一步地，若电机的某相定子绕组的某个齿极发生开路故障，在其余两正常相中选择电感较大的一相作为补偿相，并通过重构各相电压矢量，在该补偿相中，选择与故障相故障齿极相邻的齿极、与该相邻齿极径向相对的齿极组成一对补偿齿极组，对故障相进行补偿。

进一步地，为了避免补偿相的基本电压矢量在补偿区间内被改变，因此选择的一对补偿齿极组的电压矢量符号必须相反。

进一步地，为了避免故障相的基本电压矢量在补偿区间内被改变，因此故障相中未发生开路故障的齿极的电压矢量和仍为原控制策略中该相的基本电压矢量。

进一步地，若电机的某相定子绕组的某个齿极发生开路故障，通过重构各相电压矢量，关断与该故障相故障齿极径向相对的齿极。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明使得12/8极BSRM在某一定子齿开路的情况下仍然能容错运行，并且有效地减少了转矩脉动和悬浮力波动，使电机的容错运 行更加稳定；

(2)本发明实现了在开路容错运行时对转矩和悬浮力的直接控制，简化了控制算法，加快了系统响应，提升了系统的动态性能。

附图说明

图1是12/8极BSRM的结构示意图。

图2是本发明中单绕组BSRM位置角定义示意图。

图3是本发明中悬浮力补偿策略下的补偿相选择示意图。

图4是本发明中转矩补偿策略下的补偿相选择示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

此处以12/8极BSRM中的定子A1齿开路故障为例，图1为12/8极BSRM的结构示意图。同时根据国内外文献所采用的定义方式，将转子位置角的零度定义在定子和转子齿极轴线重合处，此时绕组电感值最大，如图2所示。

表1

如表1所示本发明的A相绕组补偿后不平衡电压符号表，其中θ_A代表A相位置角，F_Aα、F_Aβ表示A相在α、β方向所产生的悬浮力。该表结合传统控制策略中悬浮力补偿方式以及BSRM的DTC&DFC控制思想并重构电压矢量表所得到。由于本发明提出的开路容错控制策略考虑了两种负载环境，下面将分别说明。

1、适用于径向负载大的场合

根据传统BSRM开路容错控制策略的悬浮力补偿思路，对DTC&DFC控制策略下的开路故障采用相邻相补偿悬浮力。如图3所示，A相正常工作时提供悬浮力的区间为θ∈(-7.5°，7.5°)，其中区间θ∈(-7.5°，0)内B相电感比C相大，故B相可提供更大的悬浮力，反之在区间θ∈(0，7.5°)内C相可提供更大的悬浮力。那么，考虑悬浮力补偿能力，选择B相和C相分别补偿θ∈(-7.5°，0)和θ∈(0，7.5°)内A相缺失的悬浮力。

由于悬浮力补偿的需要，补偿相和故障相的电压矢量选取相较正常工作时皆发生了变化，本发明的开路容错控制策略需要对电压矢量进行重分配，为了保持新构建的矢量表满足原策略中对磁链和转矩的控制要求，提出下列两条重分配原则：

(a)避免补偿相的基本电压矢量在补偿区间内被改变；

其中，补偿相基本电压矢量要求为0时，补偿齿极组分别为“0”与“+”或“0”与“-”，会造成补偿相的基本电压矢量变为“+”或“-”。故补偿齿极组选取一“+”一“-”，保证不干扰原基本电压矢量的符号。

(b)避免故障相的基本电压矢量在补偿区间内被改变。

其中，故障相基本电压矢量要求为0时，因A1开路导致A相只剩3个齿极，会造成A相基本电压矢量符号与A3的相同，且不为0。故可选择将A3矢量置0，或者改变A2或A4的矢量使剩余的三个齿极矢量和仍为所需的基本电压矢量。

在θ∈(-7.5°，0)区间内由B3继承A1的电压矢量，θ∈(0，7.5°)区间内由C1 继承A1的电压矢量，实现悬浮力补偿的矢量需求。其中，“-/0”表示原来的矢量符号为“-”，补偿时为满足重分配的原则而将矢量符号改为“0”。

为了克服补偿效果不理想和补偿电流过大的现象，在悬浮力补偿策略中考虑将A3齿极断开，形成对称的开路故障。这是为了防止A3齿的持续开通将会使补偿相不得不施加更大的电流，以产生足够的悬浮力。同时由于B3绕组较B4绕组补偿能力更强，C1绕组较C4绕组补偿能力更强，故本文以B3、B1齿极组和C1、C3齿极组对A相悬浮力进行补偿。同时，即在θ∈(-7.5°，0)内由B3、B1两个齿极绕组电流提供α方向上的悬浮力，θ∈(0，7.5°)内由C1、C3两个齿极绕组电流提供α方向的悬浮力。

2、适用于转矩负载大的场合

在优先考虑径向负载的补偿策略中，B相和C相分别补偿θ∈(-7.5°，0)和θ∈(0，7.5°)内A相缺失的悬浮力，在这两个区间内补偿相与故障相处于转矩符号不同的区域，如θ∈(-7.5°，0)内A相提供正转矩，B相提供负转矩。故补偿悬浮力的同时不可避免地牺牲了转矩，对直接转矩控制造成负面影响。

如图4所示，区间θ∈(-7.5°，0)内C相转矩符号与A相相同，区间θ∈(0，7.5°)内B相转矩符号与A相相同，所以选择这种补偿方式可在补偿悬浮力的同时保证转矩控制受到的干扰降低。由于只是对调了B、C相的补偿区间，上节中的矢量表依然适用。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。