基于继电器网络的开关磁阻电机多类型故障容错系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于继电器网络的开关磁阻电机多类型故障容错系统。
【背景技术】
[0002]开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)是上世纪80年代发展起来的一种新型电机。该电机作为一种价格便宜、结构简单、鲁棒性好的新型调速电机，问世不久便引起了各国电气传动界的广泛重视并成为最热门的调速电动机之一。近几十年来，开关磁阻电机得到了越来越多的关注，由于具有结构简单、造价低廉、机体坚固、可靠性高、调速范围广等优点，在工业应用中受到青睐，并且已经在电动汽车、家用电器、通用工业、航空等领域中得到了不同程度的应用和发展。该电机系统包括SRM、位置传感器、电流传感器、功率变换器和控制器，是一种机电一体化的调速装置。
[0003]开关磁阻电机系统(Switched Reluctance Motor Drive，SRD)中，有别于其他电机系统的主要标志是该系统中实现机电能量装换的部件开关磁阻电机。功率变换器一般是由蓄电池或者交流电整流后得到的直流电供电，负责向SRM提供运转所需要的能量，该模块采用的多为不对称半桥型功率变换器结构，由于其各相绕组之间容错性能好、相互独立、稳定性强的优点而得到广泛应用。位置检测模块是用来检测SRM转子的位置；电流检测模块则是用于检测SRM绕组中的各相电流；控制器模块是整个系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反馈信号、位置传感器和电流传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SRM运行状态的控制。
[0004]开关磁阻电机由于其定转子的特殊结构以及各相控制的独立性，而具备高可靠性，特别适合在一些环境恶劣、要求连续工作的应用场合，比如航空启动/发电系统、矿井提升机和车载电车制动系统等。功率变换器作为系统控制中的中枢执行机构，是系统中比较容易出现故障的薄弱环节。功率变换器故障将会对整个系统运行产生不利影响，会对驱动系统运行的平衡造成破坏，并会产生无法抑制的转矩缺口甚至是制动转矩，长期故障运行将会引起整个系统的损坏。因此，对系统中功率变换器实施故障诊断是非常必要的。
[0005]为了提高开关磁阻电机的故障诊断和故障容错能力，许多基于软件和硬件的有效控制策略已经被广大学者和研究者们采用，包括神经网络方法、模糊推理方法、电流频谱分析法和模式识别方法等。而一个好的电机故障诊断和故障容错策略，通常需要满足下面的几个条件:
[0006](1)不改变或者尽可能小的改变传统的开关磁阻电机驱动拓扑；
[0007](2)故障诊断很容易进行:
[0008](3)适用在各种变换器，并可以在各种故障下容错运行:
[0009](4)模块化结构设计；
[0010](5)适合于各相电机。
【发明内容】
[0011]为了充分满足上面涉及到的条件，在传统的开关磁阻电机驱动拓扑的基础上，本发明提出了一种基于继电器网络的开关磁阻电机多类型故障诊断及容错系统。
[0012]基于继电器网络的开关磁阻电机多类型故障容错系统，其特征在于，包括开关磁阻电机、功率变换器、电流传感器、位置传感器、故障容错模块以及控制器；其中:
[0013]所述的开关磁阻电机为三相12/8极电机，每相定子绕组L均由四个绕组L1、L2、L3和L4首尾顺序串联构成，每相的抽头节点N ^立于绕组L占L 2之间，抽头节点N 2位于绕组匕与L4之间；
[0014]所述的功率变换器用于为开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁；
[0015]所述的电流传感器用于检测三相定子绕组上对应的三相绕组电流；
[0016]所述的位置传感器用于检测电机转子位置；
[0017]所述的故障容错模块用于当开关磁阻电机发生开路或短路故障时实现故障诊断以及容错运行；
[0018]所述的控制器根据三相绕组电流和转子位置对开关磁阻电机进行故障诊断，并为功率变换器以及故障容错模块中的功率开关器件提供控制信号。
[0019]所述的功率变换器包括三组功率变换单元，所述的功率变换单元包含两个带反并联二极管的开关管Q1、Q2以及两个续流二极管VD 1、VD2;其中，开关管Q i的一端与续流二极管VDi的阴极以及直流电压的正极相连，开关管Q i的另一端与对应相定子绕组L的首端以及续流二极管VD2的阴极相连，续流二极管VD 2的阳极与开关管Q 2的一端以及直流电压的负极相连，开关管Q2的另一端与对应相定子绕组L的尾端以及续流二极管VD i的阳极相连。
[0020]所述的故障容错模块包括一组单相桥和一组继电器网络:
[0021]所述的单相桥包含四个带反并联二极管的开关管Q3?Q6;其中，开关管03的一端与开关管％的一端以及直流电压的正极相连，开关管Q 3的另一端与开关管Q 4的一端以及继电器网络的一端X相连，开关管Q4的另一端与开关管Q6的一端以及直流电压的负极相连，开关管Q6的另一端与开关管Q 5的另一端以及继电器网络的另一端Y相连；
[0022]所述的继电器网络由三组继电器单元并联而成，每组继电器单元包含两个继电器开关1和K 2;其中，继电器网络端点X与继电器开关K i的一端相连，继电器开关K i的另一端与对应相绕组的抽头节点Ni相连，继电器网络端点Y与继电器开关K 2的一端相连，继电器开关1(2的另一端与该相绕组抽头节点N 2相连。
[0023]所述的开关管Qf Q 6均采用CoolMOQ管或IGBT。
[0024]所述的续流二极管VDp 采用快恢复二极管。
[0025]所述系统的开关磁阻电机多类型故障容错运行方法，其特征在于包括如下步骤:
[0026]开关磁阻电机正常运行情况下，当任一相定子绕组在其开通区间内绕组电流始终为零时，则表明该相定子绕组或其对应的功率变换单元存在开路故障；此时，闭合该相对应继电器单元中的开关I，同时使单相桥中的开关管Q3、Q4与功率变换单元中的开关管Q 2和二极管VDi在控制器提供的信号下工作，判断该相绕组电流:
[0027]若该相绕组电流重新出现，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管1、二极管VD2以及与其连接的定子绕组L #斤组成的线路中，之后该相在由对应功率变换单元中的开关管92和二极管VD 1、故障容错模块中的开关管Q3?Q 4以及由绕组L 2丄3和L 4所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；
[0028]若该相绕组电流仍为零，则表明故障不位于对应相功率变换单元中的开关管1、二极管VD2以及与其连接的定子绕组1^所组成的线路中，此时，断开该相对应继电器单元中的开关K1,同时闭合开关K2，并使单相桥中的开关管Q5?Q 6与功率变换单元中的开关管Q !和二极管VD2在控制器提供的信号下工作，判断该相绕组电流:
[0029]若该相绕组电流重新出现，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管屯、二极管VD1以及与其连接的定子绕组L 4所组成的线路中，之后该相在由对应功率变换单元中的开关管QJP二极管VD 2、故障容错模块中的开关管Q5?Q 6以及绕组L 1、LjP L 3所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；
[0030]若该相绕组电流仍为零，则表明故障位于定子绕组LjP L3K组成的线路中，此时，闭合该相对应继电器单元中的开关&与K2，同时单相桥中的开关管03与Q4分别取代功率变换单元中的开关管QjP二极管VD 2，单相桥中的开关管05与Q 6分别取代对应相功率变换单元中的开关管92和二极管VD i，使该相在由故障容错模块中的开关管Q3?Q6以及绕组L2和1^所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；
[0031 ] 开关磁阻电机正常运行情况下，当任一相定子绕组在电机整个开关循环周期内绕组电流始终大于零，则表明该相对应的功率变换单元存在短路故障；此时，闭合该相对应继电器单兀中的开关K1,同时使单相桥中的开关管Q3、Q4与功率变换单兀中的开关管Q 2和二极管VD1在控制器提供的信号下工作，判断该相绕组电流:
[0032]若该相绕组电流减至零，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管Q1、二极管VD2以及与其连接的定子绕组L #斤组成的线路中，之后该相在由对应功率变换单元中的开关管92和二极管VD 1、故障容错模块中的开关管03為以及绕组L 2丄3和L 4所组成的不对称半桥拓扑下容错运行；
[0033]若该相绕组电流仍始终大于零，则表明故障位于对应相功率变换单元中的开关管Q2、二极管VD1以及与其连接的定子绕组“所组成的线路中，之后该相在由对应功率变换单元中的开关管QjP二极管VD 2、故障容错模块中的开关管Q5、Q6以及由绕组L ^2和L 3所组成的不对称半桥拓扑下容错运行。
【附图说明】
[0034]图1 (a)为三相12/8极SRM典型原理图。
[0035]图1 (b)为三相12/8极SRM的A相绕组及其节点位置示意图。
[0036]图1 (c)为三相12/8极SRM驱动拓扑示意图。
[0037]图1⑷为三相12/8极SRM的A相功率变换器单元线路分割示意图。
[0038]图2为三相12/8极SRM故障