一种开关磁阻电机H桥功率变换器及其热稳定性控制方法与流程

一种开关磁阻电机h桥功率变换器及其热稳定性控制方法
技术领域
1.本发明涉及功率变换器领域，尤其涉及一种开关磁阻电机h桥功率变换器及其热稳定性控制方法。


背景技术：

2.开关磁阻电机(srm)驱动系统主要包括开关磁阻电机和功率变换器两大部分。就srm本身而言，由于其独特的双凸极结构，以及定子上有集中绕组，转子无永磁材料和绕组，所以其耐高温、结构简单、控制灵活、可靠性以及容错性强。所以，影响srm驱动系统可靠性的关键因素即功率变换器的可靠性。根据统计得到的历史维护数据表明，功率变换器故障的主要原因即过温故障。所以，提高功率变换器的可靠性关键在于防止功率变换器发生过温故障。
3.为了提高功率变换器的可靠性，一方面可以优化功率变换器的拓扑结构，开关磁阻电机发电容错功率变换器每相在励磁阶段有且仅有一个开关管处于励磁回路，每相在续流阶段有且仅有一个开关管处于续流回路，在发电阶段有且仅有一个二极管处于发电回路，在四相回路的每相上增设有专用容错开关管，同时设置有三个与专用容错开关串联的公共容错开关管。
4.另一方面可以采用容错控制提高功率变换器的可靠性，采用电流双向励磁模式，将两个全桥功率变换器分别与两组可控单刀双掷开关的一端相连，通过改变两组可控单刀双掷开关的状态实现系统容错运行。
5.但上述技术至少存在如下技术问题：
6.(1)优化的功率变换器拓扑结构不是目前市场上普遍使用的、高集成度的功率模块，如果定制此功率变换器或采用分立元件搭建此功率变换器，都将大幅度提高成本；
7.(2)没有实现功率损耗在各个开关管之间均衡分布，会造成功率损耗集中在个别开关管上，从而导致开关管发生过温故障；
8.(3)在全桥功率变换器拓扑结构的基础上添加了可控单刀双掷开关，因此增加了功率变换器的成本；
9.(4)在开关管故障后进行容错控制，故障相可能带来一些安全隐患，同时开关管的损坏也会增加成本。


技术实现要素：

10.本技术实施例通过提供一种开关磁阻电机h桥功率变换器及其热稳定性控制方法，解决了现有技术中开关管由于功率损耗不均，导致个别开关管过热故障的问题，实现了功率损耗均匀分布。
11.本技术实施例提供了一种开关磁阻电机h桥功率变换器，所述h桥功率变换器驱动结构包括电源u
dc
、开关磁阻电机a相绕组la、开关磁阻电机b相绕组lb、开关磁阻电机c相绕组lc、电容模块、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂；其特征在
于，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂各包含两个开关管：主开关管、冗余开关管。
12.优选的，所述第一桥臂中开关管s1和开关管第二桥臂中s2设置为a相主开关管；第二桥臂中开关管s3和第一桥臂中开关管s4设置为a相冗余开关管；第三桥臂中开关管s5和第四桥臂中开关管s6设置为b相主开关管；第四桥臂中开关管s7和第三桥臂中开关管s8设置为b相冗余开关管；第五桥臂中开关管s9和第六桥臂中开关管s
10
设置为c相主开关管；第六桥臂中开关管s
11
和第五桥臂中开关管s
12
设置为c相冗余开关管。
13.优选的，所述开关管s1的发射极和开关管s4的集电极的连接点与a相绕组la的一端相连；所述开关管s3的发射极和开关管s2的集电极的连接点与a相绕组la的另一端相连；所述开关管s5的发射极和开关管s8的集电极的连接点与b相绕组lb的一端相连；所述开关管s7的发射极和开关管s6的集电极的连接点与b相绕组lb的另一端相连；所述开关管s9的发射极和开关管s
12
的集电极的连接点与c相绕组lc的一端相连；所述开关管s
11
的发射极和开关管s
10
的集电极的连接点与c相绕组lc的另一端相连。
14.根据本发明的另一方面，提供一种开关磁阻电机h桥功率变换器及其热稳定性控制方法：
15.步骤1，设定开关电磁阻电机的参考转矩t
ref
、开通角θ
on
、关断角θ
off
，设定开关管的允许结温j
safe
、报警结温j
alarm
；获取开关磁阻电机运转时电机转子位置θ(k)及每个开关管的结温数组j(k)：
16.步骤2，设定主开关管和冗余开关管；
17.步骤3，提取主开关管和冗余开关管的结温最大值j
p
(k)；
18.步骤4，根据电机转子位置及设定的开通角、关断角，判断开关磁阻电机的导通相，记录导通区间信号d
x
；
19.步骤5，根据结温最大值和报警结温，判断功率变换器的过温状态，记录过温状态信号m(k)；
20.步骤6，根据过温状态信号，对开关磁阻电机h桥功率变换器进行控制。
21.步骤6-1，在k时刻，当m(k)＝0时，进行热平衡控制；当m(k)＝1时，进行降额控制；
22.步骤6-2，在k+1时刻，如果m(k+1)＝0，采用降额控制后开关磁阻电机的参考转矩tr'
ef
继续重复步骤3-6对开关磁阻电机实施控制；如果m(k+1)＝1，重新选择(k+1)时刻降额因子β'。
23.优选的，所述步骤4具体包括：
24.当k时刻电机转子位置θ(k)位于开通角θ
on
和关断角θ
off
之间时，开关磁阻电机第x相处于导通区间，即第x相为导通相；否则为关断区间
25.优选的，所述步骤5具体为：
26.根据步骤3获得的k时刻最高结温j
p
(k)和步骤1设定的开关管报警结温j
alarm
；判断功率变换器k时刻过温状态，并记录k时刻过温状态信号m(k)，
27.当j
p
(k)《j
alarm
，则功率变换器未发生过温报警，m(k)＝0；当j
p
(k)≥j
alarm
，则功率变换器发生过温报警，m(k)＝1。
28.优选的，所述步骤6-1中热平衡控制具体为：
29.如果第x相导通区间信号d
x
＝0时，第x相的主开关管和冗余开关管都关断；如果第
x相导通区间信号d
x
＝1时，当第x相主开关管k时刻结温最大值jg
x
(k)≤第x相冗余开关管k时刻结温最大值jr
x
(k)时，冗余开关管关断，主开关管工作并进行转矩闭环控制；当第x相主开关管k时刻结温最大值jg
x
(k)》第x相冗余开关管k时刻结温最大值jr
x
(k)时，主开关管关断，冗余开关管工作并进行转矩闭环控制。
30.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
31.1、本技术采用了主开关管和冗余开关管的设置，利用冗余器件，实现功率损耗的均匀分布，从而防止因功率损耗集中在个别开关管而发生过温故障，解决了传统容错控制方法中不可避免的发生开关管故障的问题。
32.2、本技术采用功率变换器中开关管反馈的结温，选取对应的热平衡控制或降额控制方法，有效避免开关管发生过温故障
33.3、本技术的h桥功率变换器，集成度高、成本低。
附图说明
34.图1为本技术的热稳定性控制方法流程图；
35.图2为本技术的功率变换器拓扑图；
36.图3为本技术的仿真验证中从a相主开关结温最大值jga≤a相冗余开关管结温最大值jra到a相主开关结温最大值jga》a相冗余开关管结温最大值jra过程中对应的参考转矩、实际转矩和三相绕组的相电流波形图；
37.图4为本技术的本仿真验证中从a相主开关结温最大值jga》a相冗余开关管结温最大值jra到a相主开关结温最大值jga》a相冗余开关管结温最大值jra过程中对应的参考转矩、实际转矩和三相绕组的相电流波形图；
38.图5为本技术的仿真验证中过温状态信号m、参考转矩、实际转矩、三相绕组电流波形图。
39.图中：101、第一桥臂；102、第二桥臂；103、第三桥臂；第四桥臂104、105、第五桥臂；106、第六桥臂。
具体实施方式
40.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
41.如图2所示，本发明提供了一种开关磁阻电机h桥功率变换器，h桥功率变换器驱动结构包括电源u
dc
、开关磁阻电机a相绕组la、开关磁阻电机b相绕组lb、开关磁阻电机c相绕组lc、电容模块c、第一桥臂101、第二桥臂102、第三桥臂103、第四桥臂104、第五桥臂105、第六桥臂106；
42.第一桥臂101包括两个开关管，其中开关管s1的发射极连接开关管s4的集电极；
43.第二桥臂102包括两个开关管，其中开关管s3的发射极连接开关管s2的集电极；
44.第三桥臂103包括两个开关管，其中开关管s5的发射极连接开关管s8的集电极；
45.第四桥臂104包括两个开关管，其中开关管s7的发射极连接开关管s6的集电极；
46.第五桥臂105包括两个开关管，其中开关管s9的发射极连接开关管s
12
的集电极；
47.第六桥臂106包括两个开关管，其中开关管s
11
的发射极连接开关管s
10
的集电极；
48.供电电源u
dc
的正极同时连接电容模块c的正极、第一桥臂101中开关管s1的集电极、第二桥臂102中开关管s3的集电极、第三桥臂103中开关管s5的集电极、第四桥臂104中开关管s7的集电极、第五桥臂105中开关管s9的集电极、第六桥臂106中开关管s
11
的集电极；
49.供电电源u
dc
的负极同时连接电容模块c的负极、第一桥臂101中开关管s4的发射极、第二桥臂102中开关管s2的发射极、第三桥臂103中开关管s8的发射极、第四桥臂104中开关管s6的发射极、第五桥臂105中开关管s
12
的发射极、第六桥臂106中开关管s
10
的发射极；
50.第一桥臂101中开关管s1的发射极和开关管s4的集电极的连接点与a相绕组la的一端相连；
51.第二桥臂102中开关管s3的发射极和开关管s2的集电极的连接点与a相绕组la的另一端相连；
52.第三桥臂103中开关管s5的发射极和开关管s8的集电极的连接点与b相绕组lb的一端相连；
53.第四桥臂104中开关管s7的发射极和开关管s6的集电极的连接点与b相绕组lb的另一端相连；
54.第五桥臂105中开关管s9的发射极和开关管s
12
的集电极的连接点与c相绕组lc的一端相连；
55.第六桥臂106中开关管s
11
的发射极和开关管s
10
的集电极的连接点与c相绕组lc的另一端相连；
56.如图1所示，本发明还提出了一种开关磁阻电机h桥功率变换器及其热稳定性控制方法，具体步骤如下：
57.步骤1，设定开关电磁阻电机的参考转矩、开通角、关断角，设定开关管的允许结温、报警结温；获取开关磁阻电机运转时电机转子位置及每个开关管的结温数组。
58.设定开关磁阻电机的参考转矩t
ref
、开通角θ
on
和关断角θ
off
、开关管安全运行允许结温j
safe
；开关管报警结温j
alarm
；
59.根据开关磁阻电机运转时位置传感器采集得到k时刻电机转子位置θ(k)，温度传感器采集得到k时刻开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4、开关管s5、开关管s6、开关管s7、开关管s8、开关管s9、开关管s
10
、开关管s
11
、开关管s
12
的结温获得k时刻结温数组j(k)，j(k)＝{jr(k)|r＝1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12}，其中jr(k)表示第r个开关管sr在k时刻的结温。
60.步骤2，设定主开关管和冗余开关管。
61.开关管s1和开关管s2设置为a相主开关管；开关管s3和开关管s4设置为a相冗余开关管；
62.开关管s5和开关管s6设置为b相主开关管；开关管s7和开关管s8设置为b相冗余开关管；
63.开关管s9和开关管s
10
设置为c相主开关管；开关管s
11
和开关管s
12
设置为c相冗余开关管；
64.步骤3，提取主开关管和冗余开关管的结温最大值。
65.根据k时刻结温数组j(k)获得k时刻开关管结温中的最大值，记为k时刻最高结温j
p
(k)，j
p
(k)＝max{j(k)}；
66.根据k时刻结温数组j(k)获得第x相主开关管k时刻结温最大值，记为第x相主开关管k时刻结温最大值jg
x
(k)，x＝a，b，c，
67.jga(k)＝max{j1(k)，j2(k)}；
68.jgb(k)＝max{j5(k)，j6(k)}；
69.jgc(k)＝max{j9(k)，j
10
(k)}；
70.根据k时刻结温数组j(k)获得第x相冗余开关管k时刻结温最大值，记为第x相冗余开关管k时刻结温最大值jr
x
(k)，x＝a，b，c，
71.jra(k)＝max{j3(k)，j4(k)}；
72.jrb(k)＝max{j7(k)，j8(k)}；
73.jrc(k)＝max{j
11
(k)，j
12
(k)}；
74.步骤4，根据电机转子位置及设定的开通角、关断角，判断开关磁阻电机的导通相，记录导通区间信号。
75.根据步骤1中得到的k时刻电机转子位置θ(k)以及设定的开通角θ
on
和关断角θ
off
，经过导通相控制模块确定开关磁阻电机的导通相。
76.导通相控制模块根据k时刻电机转子位置θ(k)判断开关磁阻电机第x相是否处于导通区间：
77.当k时刻电机转子位置θ(k)位于开通角θ
on
和关断角θ
off
之间时，开关磁阻电机第x相处于导通区间，即第x相为导通相；否则为关断区间，并记录导通区间信号d
x
，x＝a，b，c；
78.如果开关磁阻电机第x相处于导通区间，d
x
＝1；
79.如果开关磁阻电机第x相处于关断区间，d
x
＝0；
80.步骤5，根据结温最大值和报警结温，判断功率变换器的过温状态，记录过温状态信号。
81.如图5所示，根据步骤3获得的k时刻最高结温j
p
(k)和步骤1设定的开关管报警结温j
alarm
；判断功率变换器k时刻过温状态，并记录k时刻过温状态信号m(k)，
82.当j
p
(k)《j
alarm
，则功率变换器未发生过温报警，m(k)＝0；
83.当j
p
(k)≥j
alarm
，则功率变换器发生过温报警，m(k)＝1。
84.步骤6，根据过温状态信号，对开关磁阻电机h桥功率变换器进行控制。
85.如图3、图4所示，步骤6-1，在k时刻，根据步骤5获得的k时刻过温状态信号m(k)进行开关磁阻电机h桥功率变换器热稳定性控制，具体方法为：
86.当m(k)＝0时，进行热平衡控制；如果第x相导通区间信号d
x
＝0时，第x相的主开关管和冗余开关管都关断。如果第x相导通区间信号d
x
＝1时，当第x相主开关管k时刻结温最大值jg
x
(k)≤第x相冗余开关管k时刻结温最大值jr
x
(k)时，冗余开关管关断，主开关管工作并进行转矩闭环控制；当第x相主开关管k时刻结温最大值jg
x
(k)》第x相冗余开关管k时刻结温最大值jr
x
(k)时，主开关管关断，冗余开关管工作并进行转矩闭环控制。
87.当m(k)＝1时，进行降额控制。记当前k时刻的降额因子为k时刻降额因子β，其中t'
ref
为降额控制后开关磁阻电机的参考转矩，记为参考转矩t'
ref
，t
ref
为步骤1所设定的参考转矩t
ref
，然后根据降额控制后开关磁阻电机的参考转矩t'
ref
对开关磁阻电机实施控制。
88.步骤6-2，在k+1时刻，根据步骤5在k+1时刻进行过温状态判断，并进行对开关磁阻电机进行控制，具体方法为：
89.如果m(k+1)＝0，采用降额控制后开关磁阻电机的参考转矩t'
ref
继续重复步骤3-6对开关磁阻电机实施控制；
90.如果m(k+1)＝1，重新选择(k+1)时刻降额因子β'。
91.本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
92.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
93.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种开关磁阻电机h桥功率变换器，所述h桥功率变换器驱动结构包括电源u
dc
、开关磁阻电机a相绕组l
a
、开关磁阻电机b相绕组l
b
、开关磁阻电机c相绕组l
c
、电容模块、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂；其特征在于，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂各包含两个开关管：主开关管、冗余开关管。2.如权利要求1所述的开关磁阻电机h桥功率变换器，其特征在于，所述第一桥臂中开关管s1和开关管第二桥臂中s2设置为a相主开关管；第二桥臂中开关管s3和第一桥臂中开关管s4设置为a相冗余开关管；第三桥臂中开关管s5和第四桥臂中开关管s6设置为b相主开关管；第四桥臂中开关管s7和第三桥臂中开关管s8设置为b相冗余开关管；第五桥臂中开关管s9和第六桥臂中开关管s
10
设置为c相主开关管；第六桥臂中开关管s
11
和第五桥臂中开关管s
12
设置为c相冗余开关管。3.一种开关磁阻电机h桥功率变换器及其热稳定性控制方法，其特征在于：步骤1，设定开关电磁阻电机的参考转矩t
ref
、开通角θ
on
、关断角θ
off
，设定开关管的允许结温j
safe
、报警结温j
alarm
；获取k时刻开关磁阻电机运转时电机转子位置θ(k)及每个开关管的结温数组j(k)：步骤2，设定主开关管和冗余开关管；步骤3，提取主开关管和冗余开关管的结温最大值j
p
(k)；步骤4，根据电机转子位置及设定的开通角、关断角，判断开关磁阻电机的导通相，记录第x相的导通区间信号d
x
；步骤5，根据结温最大值和报警结温，判断功率变换器的过温状态，记录过温状态信号m(k)；步骤6，根据过温状态信号，对开关磁阻电机h桥功率变换器进行控制。步骤6-1，在k时刻，当m(k)＝0时，进行热平衡控制；当m(k)＝1时，进行降额控制；步骤6-2，在k+1时刻，如果m(k+1)＝0，采用降额控制后开关磁阻电机的参考转矩t
′
ref
继续重复步骤3-6对开关磁阻电机实施控制；如果m(k+1)＝1，重新选择(k+1)时刻降额因子β'。4.如权利要求3所述的开关磁阻电机h桥功率变换器热稳定性控制方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：当k时刻电机转子位置θ(k)位于开通角θ
on
和关断角θ
off
之间时，开关磁阻电机第x相处于导通区间，即第x相为导通相；否则为关断区间。5.如权利要求3所述的开关磁阻电机h桥功率变换器热稳定性控制方法，其特征在于，所述步骤5具体为：根据步骤3获得的k时刻最高结温j
p
(k)和步骤1设定的开关管报警结温j
alarm
；判断功率变换器k时刻过温状态，并记录k时刻过温状态信号m(k)，当j
p
(k)<j
alarm
，则功率变换器未发生过温报警，m(k)＝0；当j
p
(k)≥j
alarm
，则功率变换器发生过温报警，m(k)＝1。6.如权利要求3所述的开关磁阻电机h桥功率变换器热稳定性控制方法，其特征在于，所述步骤6-1中热平衡控制具体为：如果第x相导通区间信号d
x
＝0时，第x相的主开关管和冗余开关管都关断；如果第x相导通区间信号d
x
＝1时，当第x相主开关管k时刻结温最大值jg
x
(k)≤第x相冗余开关管k时刻结
温最大值jr
x
(k)时，冗余开关管关断，主开关管工作并进行转矩闭环控制；当第x相主开关管k时刻结温最大值jg
x
(k)>第x相冗余开关管k时刻结温最大值jr
x
(k)时，主开关管关断，冗余开关管工作并进行转矩闭环控制。

技术总结
本发明公开了一种开关磁阻电机H桥功率变换器及其热稳定性控制方法，H桥功率变换器驱动结构包括电源U


技术研发人员：杨晴晴 张之豪 吴柯佳 朱培逸 刘继承
受保护的技术使用者：江苏方程电力科技有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/7/27