[发明专利]半桥结构的多相永磁容错电机控制系统

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种多相永磁容错电机控制系统的设计方法。

背景技术

在高可靠性要求的场合中，要求电机驱动系统必须特殊设计，如飞机电力作动系统。电力作动广泛应用于飞机的操纵、环控、机轮刹车、燃油控制等影响飞行安全的关键系统中。由于电机及其控制驱动系统的各部分均可能出现短路，断路等故障，故障后电机非对称运行，输出转矩将出现较大的波动，产生较大的机械噪声，系统的整体性能会大大降低，输出功率会大大下降，甚至导致不能工作。因此故障时的电机驱动系统的容错控制能力就成为一个非常突出的问题，研究电力作动系统的可靠性技术得到了快速发展，它大致分两个阶段，一个是以冗余技术(带代表性的是双余度技术)为标志的初级阶段，一个是以容错技术为标志的高级阶段。

容错，顾名思义，就是允许系统出错，工程上指系统发生任何一种故障时，系统进行重构，使系统可以基本不降低性能运行。20世纪70年代以来，由于电力电子器件的迅猛发展，磁阻电动机与电力电子器件相结合，组成了一种机电一体化的新型电机——开关磁阻电动机。它主要用于调速传动系统，优点是：一相绕组出现故障时，电机仍然可以正常工作，即具有一定的容错性。但与永磁同步电机相比，其不可避免的转矩波动，并且效率较低，从而使它的容错性逊色很多，因此国外的电机专家提出了永磁容错电机的概念，主要是由Newscastle大学的Atkinson.D.J、B.C.Mecrow教授和Shefield大学的Z.Q.Zhu教授、D.Howe教授建立起来，并且首先应用于航空电力作动系统。1993年英国Newscastle大学的B.C.Mecrow教授在IEEE发表了一篇关于H桥逆变器故障诊断文章，为他在1995年提出的容错电机的方案奠定了基石。1995年Mecrow教授在IEEE发表了一篇关于永磁容错电机和开关磁阻电机的容错性能比较的文章，从此以后拉开了永磁容错电机研究的序幕。1996年，Shefield大学的Z.Q.Zhu教授、D.Howe教授开始研究容错电机在飞机的机电作动系统(EMA，Electro-Mechanical Actuator)中的控制与应用，从而显示了永磁容错电机在航空系统中具有强大生命力。

永磁容错电机及其控制电路组成永磁容错电机系统，具有磁隔离、热隔离、电气隔离和具有大电抗抑制短路电流的能力。近几年来，容错电机的研究得到了突飞猛进的发展，但与之相配套的逆变器控制电路拓扑却罕有变化。现有的文献中提及的永磁容错电机系统均是采用永磁容错电机和H桥电路拓扑组合，在此系统中，每个H桥模块对一相绕组进行独立控制，实现电气隔离，并在故障时切除故障相，使电机持续容错运行。但其存在的缺点是需要较多的功率器件，如六相永磁电机系统需采用六个H桥，共24个功率开关管，导致体积重量增大，将影响系统可靠性。如何进一步提高系统的容错能力和可靠性一直是该研究领域里的一个难题。

发明内容

本发明提出了一种新型的永磁容错电机驱动系统，该驱动系统的电路拓扑采用改进型的多相半桥结构逆变器构成，具有较好的容错能力，可靠性高，而且系统成本低，结构简单，体积小。

本发明的电机采用永磁容错电机，容错电机相数一般为4～6相，相数用M表示。M相永磁容错电机具有2M个齿槽，M相M个集中绕组，电枢绕组采用单层隔齿的集中绕制方式，因此电机本体的各相绕组具备了隔热、隔磁以及物理隔离的功能；该电机采用了较深的槽口尺寸，增大了电机槽漏抗，从而可以达到利用大电抗限制短路电流的目的；同时电机转子上装贴不等厚偏心式永磁体，使得电枢绕组的反电势波形为正弦波，而不是传统的方波或梯形波，便于实现性能优良的正弦波驱动算法。这些特殊设计与一般的永磁无刷电机的有着本质的区别，既具有很强的容错能力，又具有优秀的驱动性能。

图2所示为传统的采用H桥电路拓扑的永磁容错电机控制系统，其控制核心为高性能的DSP控制板，DSP运行专门设计的实时控制软件，完成系统正常运行、故障态容错运行及系统状态监测、保护等功能。在此系统中，每相绕组都用独立的单相H桥变换器供电，因此一相绕组或功率管损坏时，与母线链接的电隔离触点分断(图中未标出)，不会影响到其他相的电压输出。尽管每相绕组都用H桥可以实现电气隔离，但同时产生的问题就是功率变换器的功率器件数却多了一倍，导致控制器体积增大，从可靠性的角度讲是个不利的因素。因此利用改进型多相半桥逆变器简单可靠的特点，与永磁容错电机组合成为电机容错控制系统，保持容错能力不变的同时，具有体积小、功率密度高、可靠性提高的特点。