祝贺研旭YXSPACE再助力安徽大学团队发表《基于三相四桥臂变换器的开关磁阻电机系统开路故障容错控制研究》

1. 丁石川,罗金,杭俊,李伟,朱庆龙.基于三相四桥臂变换器的开关磁阻电机系统开路故障容错控制研究[J/OL].中国电机工程学报:
2. 1-10[2022-09-09].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20220826.1530.004.html

 

论文主要内容：

 

功率变换器故障是影响开关磁阻电机系统运行的主要问题之一，电机系统长期运行故障状态下可能会对整个系统造成不可逆的损伤。为此，本文提出了一种适用于三相开关磁阻电机的容错控制策略，保证电机系统在开关管开路故障下可以容错运行。在健康状态下，开关磁阻电机系统为两相励磁运行模式，保证绕组利用率。在开关管开路故障时，使用第四桥臂在故障相上产生反向电流，开关磁阻电机系统调整为单相励磁模式，解决了开关管开路故障时输出转矩缺相的问题。所提方法在使用较少冗余开关的基础上提高了开关磁阻电机系统在开路障条件下的容错能力。仿真和实验结果验证了提出的容错控制方法的有效性。

 

实验方法介绍：

 

为验证所提开路故障容错控制策略的有效性，如图1所示搭建实验平台，其中开关磁阻电机使用星型连接在一个三相桥逆变器上并将其中性点与第四桥桥臂相连。选择可通过控制器调节负载大小的磁粉制动器作为负载，并使用联轴器与实验电机相连。驱动电路拓扑结构如图2所示。

 

实验选择使用南京研旭公司的 YXSP6000实时仿真器作为控制器， YXSPACE-SP6000（以下简称SP6000）为DSP+FPGA架构，采用TI公司的C6000系列DSP作为核心控制器，多个FPGA作为辅助控制器。C6000系列DSP属于高端、综合DSP，常规经常应用于复杂工业控制或者图像处理领域。C6000系列DSP具高主频以及高浮点处理能力，高于常规C2000系列的近几十倍。适用于更加复杂的控制场合。同时，实验中采用MATLAB/Simulink自动代码生成技术，并可以通过设置实现在线调参功能，进行容错控制实验。

 

图1 基于YXSP6000的容错控制实验平台

 

图2 拓扑结构

 

容错控制策略介绍：

 

以C相桥臂下开关管S6为例进行故障分析，若如图5所示开关管S6发生断路故障，六种通电模式: A+C-、A+B-、B- C+、C+ A-、A- B+、B+ C-中电流流经开关管S6的B+ C-与A+C-两种通电模式因为无法形成闭合回路而停止工作。以通电模式A+C-为例，此时A相与C相电流减小为零,断路故障期间输出转矩为零导致系统进入缺相运行状态并且在下一个通电模式A+B-产生尖峰电流。电机输出转矩波动和转速波动变大，造成电机带载能力下降、系统紊乱运行。通电模式A+C-下B相绕组电流为零， 三相SRM自感与互感随角度变化情况以及对应的通电模式如图2所示。 输出转矩为：

 

（1）

 

且在常规的SRM中绕组自感远远大于互感，因此输出转矩正比于A相自感变化率以及A相电流平方。同理在通电模式B+ C-下输出转矩可表示为公式（2），且期间输出转矩主要由C相自感的变化率和C相电流平方所决定的，通电模式B+ C-时输出转矩公式为：

 

（2）

 

图3  SRM中自感互感变化

 

当SRM进入故障通电模式B+ C-时，导通开关管S5、S8使电流从直流母线电压Udc正极出发，流经开关管S5、C相绕组以及开关管S8,最终回到直流母线电压Udc负极形成励磁回路。根据图3可知式（2）中的Mbc的值为负数，在容错控制时在B相中产生反向电流会使B、C两相同时有正向电流流过从而产生负转矩，因此在进行容错控制时应调整开关管S3的导通信号减小开通角以防止产生负转矩，励磁模式如图4所示。电流从C相绕组出发流经及续流二极管D7、电源Udc以及续流二极管D6回到C相绕组，如图5所示。

 

图4  通电模式B+C-容错励磁模式

 

图5  通电模式B+C-容错续流模式

 

图6  通电模式A+C-容错励磁模式

 

当SRM进入故障通电模式A+C-时，导通S8使电流从直流母线电压Udc正极出发，流经开关管S1、A相绕组以及开关管S8,最终回到直流母线电压Udc负极形成励磁回路如图6所示。续流回路类似于正常工作的续流模式（b）电流从A相绕组出发流经开关管S8以及续流二极管D4回到A相绕组绕组图7所示。 当不在同一桥臂的上的任意两开关管发生断路故障时，可使用同样思路进行容错控制，这里就不再赘述。

 

图7  通电模式A+C-容错续流模式

 

实验结果：

 

在实验过程中，通过将开关管的S6的触发信号置零的方法来模拟开关管开路故障。电机参考转速设定为400r/min，负载设定为0.8Nm。图8为开关管S6发生开路故障时各相电流、输出转矩以及转速变化的实验波形图，其中电流波形如图8(a)所示，开关管的故障导致了部分工作区间无法形成闭合回路，不能励磁。转矩波形和转速波形如图8(b)、8(c)所示，输出转矩波动变大并出现了零转矩区间，因为实验是在低电压情况下进行的，所以通电模式B+ A-的电流并没有增加，也因此导致了转速的下降。图9为进行开路容错控制后的实验结果，容错控制后输出转矩缺相的问题得以解决，零转矩区间消失，转速波动变小，但由于两相导通转变为一相导通，绕组承受的电压变为两倍，电流峰值也因此增大。

 

图8 开关管开路故障实验结果

 

图9 开关管开路故障容错控制实验结果

 

实验结论：

 

本文提出了一种适用于三相开关磁阻电机的容错控制策略，解决了传统容错控制拓扑结构冗余开关多、容错控制绕组利用率低等问题，在使用较少冗余开关管的前提下，使功率变换器开关管发生开路故障时，电机系统依旧可以在不放弃任何绕组的情况下健康运行，面对不同相上的多个开关管开路故障仍可进行故障容错。仿真和实验结果验证了所提出方法的有效性。