一種無軸承開關磁阻電機容錯運行控制方法
2023-04-30 20:43:16
專利名稱：一種無軸承開關磁阻電機容錯運行控制方法
技術領域：
本發明涉及一種無軸承開關磁阻電機容錯運行的控制方法，屬無軸承開關磁阻電機控制方法。
背景技術：
無軸承開關磁阻電機是一種磁懸浮電機，所以它具有磁懸浮電機所具有的一切優點，如無接觸、無磨損、高轉速、長壽命等。同時，這種電機又無需額外的磁軸承，軸向長度很短，所以這種電機還具有軸向利用率高、集成度高、較容易實現超高轉速等優點。此外，無軸承開關磁阻電機兼具開關磁阻電機的優點，如結構簡單、可靠性高、調速性能好、成本低廉等。
隨著現代工業自動化的發展，系統帶故障運行的能力越來越成為其是否完善的一項重要性能指標。無軸承開關磁阻電機在運行過程中，受到功率變換器、數字控制器、轉子位置檢測傳感器等諸多電機控制與檢測元件的故障率和使用壽命的影響和限制，以及繞組的短路和開路也會使其相繞組不能正常工作，使得電機會出現運行故障而停機，從而為無軸承開關磁阻電機在各領域中的推廣與應用增加了隱患，限制了其應用場合的拓展。尤其在某些特定場合下，根本不允許停機情況的發生，即要求電機必須能夠在故障情況下繼續運行。無軸承開關磁阻電機特殊的結構和運行機理決定了其具有優越的容錯運行能力，只要運用合適可行的容錯運行控制方法，即可滿足此類特殊場合的應用要求。
目前無軸承開關磁阻電機控制方法的研究均是基於其各相正常工作情況下進行的，其正常工作時電感、電流與電磁轉矩示意圖如圖1所示。主繞組電流方波控制、懸浮繞組電流實時控制，在12/8結構無軸承開關磁阻電機中，其繞組電感曲線的周期為45°，故文獻中一般使得三相輪流導通15°以保證任何時刻至少有一相繞組工作，從而保證電機的連續、穩定懸浮，並且主繞組電流在其電感上升區產生正轉矩，在電感下降區產生負轉矩。當電機中某相發生故障後，無軸承開關磁阻電機將無法實現穩定懸浮，從而導致系統癱瘓，嚴重時會造成電機與控制系統的損壞。這些問題限制了無軸承開關磁阻電機的推廣與應用，使得其在現代調速研究及工業應用領域的競爭力不夠突出。
發明內容
1，發明目的本發明要解決的問題是實現無軸承開關磁阻電機發生故障後，電機仍能正常調速和懸浮，以提高無軸承開關磁阻電機容錯運行能力，保證電機可帶故障運行，提高電機的運行可靠性，延長電機的使用壽命，充分發揮開關磁阻電機高容錯能力的優勢。
2，技術方案在控制系統中增加了電流檢測環節，當未檢測到導通相出現持續異常電流信號時，控制系統按照正常運轉的模式控制電機正常運行兩個自由度上的懸浮力進行三相分配計算，同時通過轉速PI調節得到主繞組電流值，一旦電流檢測環節檢測到導通相出現持續異常電流信號時，電機控制系統隨即轉入容錯運行控制模式，通過故障相的前一相，即補償相由原來的正常導通再繼續延長導通時間，直至能補償電機在缺相條件下穩定懸浮所需的徑向懸浮力，而故障相的下一相仍正常導通，此時，兩個自由度上的懸浮力改為除故障相以外的另外兩相分配計算，在補償相的正轉矩區，主繞組電流值仍由轉速PI調節得到，而在其負轉矩區，依據「平均負轉矩最小」原則，即採用使補償相在補償運行區間平均負轉矩值達到最小的方法確定其主繞組電流值，進而計算其懸浮繞組電流值。
其中，補償相承擔了故障相的懸浮功能，但卻產生了一部分負轉矩，使得電機的最大輸出轉矩近似為正常工作時的1/3。
四
圖1是無軸承開關磁阻電機正常工作時電感、電流與電磁轉矩示意圖。
圖2是無軸承開關磁阻電機容錯運行時電感、電流與電磁轉矩示意圖。
圖3是無軸承開關磁阻電機容錯運行控制框圖。
圖中符號意義1-正轉矩區、2-負轉矩區、θm-超前角，即主繞組方波電流中點與電機定轉子齒軸線對齊位置間的距離、θon-開通角、θoff-關斷角、Lma、Lmb、Lmc-三相主繞組自感、ima、imb、imc-三相實際主繞組電流、isa、isb-A、B兩相的懸浮繞組電流、Ta、Tb-A、B兩相轉矩、α、β-電機轉子分別在徑向兩個自由度上的偏心位移、Fα*、Fβ*-將電機轉子拉回到幾何中心所需的兩個自由度上的懸浮力、θ-電機轉子位置角、d/dt-對時間的微分算子、ω-電機實際轉速、ω*-電機給定轉速、imp*-除故障相外的兩相正轉矩區主繞組電流計算值、imp*-補償相負轉矩區主繞組電流計算值五具體實施方式
1.如圖2所示，在區間I內，B相處於電感上升區，此時開通B相以產生正轉矩，同時B相懸浮繞組導通產生控制磁場與其主繞組產生的偏置磁場疊加來產生使轉軸懸浮所需的徑向懸浮力；在區間II內，A相電感處於上升區，故開通A相以產生正轉矩，同理，懸浮力也由A相提供；在區間III內，為了實現電機能夠帶故障繼續旋轉與懸浮，A相繼續導通，補償原應由C相提供的懸浮力。
2.缺相運行時，在保證電機穩定懸浮的前提下，應最小化補償相產生的負轉矩，以提高電機出力。鑑此，可以確定補償相在補償運行時的主繞組電流值，進而依據懸浮力公式可以計算出補償相懸浮繞組電流值。
3.如圖3所示，在系統運行時，若電流檢測環節未檢測到導通相出現持續異常電流信號時，控制系統按照正常運轉的模式控制電機正常運行由位置傳感器檢測得到轉子徑向位置信號經位置調節環節得到所需的兩個自由度上的懸浮力，兩個懸浮力分別在各自方向上進行三相分配計算，得到分配到每相上的懸浮力，再根據懸浮力公式和由轉速PI調節得到的主繞組電流值計算得每相的兩個自由度上所需要的懸浮電流，進而實現電機徑向穩定懸浮控制。安裝在電機上的位置齒盤檢測轉子旋轉位置角，由此可計算得電機轉速，轉速偏差經PI調節得到主繞組電流值，進而進行電機轉速控制。當電流檢測環節檢測到導通相出現持續異常電流信號時，說明此時該相發生故障，則系統隨即轉入容錯運行控制模式，切斷故障相的驅動信號輸出，屏蔽故障相正常運行時的軟體運行程序，此時，補償相需由原來的正常導通區間延長導通時間，直至可以補償電機在缺相條件下穩定懸浮所需的徑向懸浮力，而故障相的下一相仍然正常導通。由位置調節得到的兩個自由度上的徑向懸浮力改為除故障相外的兩相分配計算，此時故障相的下一相主繞組電流和懸浮繞組電流的計算方法同系統正常工作模式時一致。對於補償相，在其正轉矩區，主繞組電流值仍由轉速PI調節得到，而在其負轉矩區，則由「具體實施方式
2」中的方法確定其主繞組電流值，再根據懸浮力公式計算得到該相懸浮繞組電流值，以此實現無軸承開關磁阻電機在缺相情況下的正常運轉和徑向穩定懸浮。
公式表
注三相分配計算公式為式(1)～(6)；當A相故障時，兩相分配計算公式為式(3)～(6)，當B相故障時，兩相分配計算公式為式(1)、(2)、(5)和(6)，當C相故障時，兩相分配計算公式為式(1)～(4)；式(7)為由懸浮力計算懸浮電流的公式；上述公式中符號意義FA_α-分配到A相α自由度上的懸浮力、FA_β-分配到A相β自由度上的懸浮力、FB_α-分配到B相α自由度上的懸浮力、FB_β-分配到B相β自由度上的懸浮力、FC_α-分配到C相α自由度上的懸浮力、FC_β分配到C相β自由度上的懸浮力、is-懸浮電流、Fs-懸浮力、Kf(θ)-懸浮力係數，與電機尺寸和轉子位置角有關、im-主繞組電流。
權利要求
1.一種無軸承開關磁阻電機容錯運行控制方法，其特徵在於，在控制系統中增加了電流檢測環節，當未檢測到導通相出現持續異常電流信號時，控制系統按照正常運轉的模式控制電機正常運行兩個自由度上的懸浮力進行三相分配計算，同時通過轉速PI調節得到主繞組電流值，一旦電流檢測環節檢測到導通相出現持續異常電流信號時，電機控制系統隨即轉入容錯運行控制模式，通過故障相的前一相，即補償相由原來的正常導通再繼續延長導通時間，直至能補償電機在缺相條件下穩定懸浮所需的徑向懸浮力，而故障相的下一相仍正常導通，此時，兩個自由度上的懸浮力改為除故障相以外的另外兩相分配計算，在補償相的正轉矩區，主繞組電流值仍由轉速PI調節得到，而在其負轉矩區，依據「平均負轉矩最小」原則，即採用使補償相在補償運行區間平均負轉矩值達到最小的方法確定其主繞組電流值，進而計算其懸浮繞組電流值。
全文摘要
一種無軸承開關磁阻電機容錯運行的控制方法，屬無軸承開關磁阻電機控制方法。本方法是，當電流檢測環節檢測到導通相出現故障時，隨即轉入容錯運行控制模式，通過故障相的前一相，即補償相延長導通時間，直至能補償電機在缺相條件下穩定懸浮所需的懸浮力，而故障相的下一相仍正常導通，此時，兩個自由度上的懸浮力改為除故障相外的兩相分配，以此得到計算懸浮繞組電流所需的各個方向上的懸浮力，在補償相的正轉矩區，主繞組電流值仍由轉速PI調節得到，在負轉矩區，根據「平均負轉矩最小」原則，計算所需的主繞組電流值和懸浮繞組電流值，確保電機在故障狀態下繼續穩定運行，由此延長了電機的使用壽命，充分發揮了開關磁阻電機高容錯能力的優勢。
文檔編號H02N15/00GK101026348SQ20071002060
公開日2007年8月29日 申請日期2007年3月14日 優先權日2007年3月14日
發明者曹鑫, 鄧智泉, 王曉琳, 羅建震, 楊鋼 申請人:南京航空航天大學