一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器及其容错控制方法

1.本发明涉及电机驱动与控制技术领域，特别涉及一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器及其容错控制方法。


背景技术：

2.开关磁阻电机(简称srm，switched reluctance motor)是一种基于可变磁阻原理设计的电机，与其他类型的电机相比，开关磁阻电机具有许多独特的优点。具有定转子双凸极结构，并且只在定子齿极上有绕组，而转子上不存在绕组，也无永磁体，这种结构使得开关磁阻电机能够适用于各种诸如高温、强振动等恶劣环境。
3.而开关磁阻电机的功率变换器包括驱动电路作为系统控制的中枢执行机构，是开关磁阻电机系统中最容易出现故障的一环。功率变换器故障将破坏驱动系统运行的平衡状态，产生无法抑制的转矩缺口甚至制动转矩，长期故障运行将导致整个开关磁阻电机系统的损坏。在电梯运行中，转矩脉动直接影响到srm的输出特性，会造成电机振颤以及引起很大的振动和噪声。因此，开关磁阻电机功率变换器故障时可以实施容错控制是非常必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器及其容错控制方法，来实现在功率变换器发生故障时，系统可以进行容错控制，降低转矩脉动。
5.本发明的目的一方面是这样实现的：一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器，包括直流电源，直流母线电容，电流传感器和同向并联连接的三个h桥驱动电路，三个所述h桥驱动电路与开关磁阻电机的三相绕组一一对应连接，且每个所述h桥驱动电路和所述直流母线电容共连后连接至外部直流电源。
6.作为本发明的进一步限定，每一个所述h桥驱动电路包括四个桥臂，上下两个桥臂串联形成两个串联桥臂，所述两个串联桥臂并联，两个串联桥臂放的中点之间跨接有励磁绕组。
7.作为本发明的进一步限定，三个所述h桥驱动电路包括十二个桥臂，每个桥臂都设置有一个开关管、一个二极管和一个快速熔断器，分别为开关管g1、二极管d1、快速熔断器fu1；开关管g2、二极管d2、快速熔断器fu2；开关管g3、二极管d3、快速熔断器fu3；开关管g4、二极管d4、快速熔断器fu4；开关管g5、二极管d5、快速熔断器fu5；开关管g6、二极管d6、快速熔断器fu6；开关管g7、二极管d7、快速熔断器fu7；开关管g8、二极管d8、快速熔断器fu8；开关管g9、二极管d9、快速熔断器fu9；开关管g10、二极管d10、快速熔断器fu10；开关管g11、二极管d11、快速熔断器fu11；开关管g12、二极管d12、快速熔断器fu12；所述二极管与开关管反向并联后与快速熔断器串联。
8.作为本发明的进一步限定，所述两个串联桥臂的上端和直流母线电容的正极连接至所述外部直流电源的正极，所述两个串联桥臂的下端和直流母线电容的负极连接至所述
外部直流电源的负极。
9.本发明的目的另一方面是这样实现的：一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器的容错控制方法，包括以下步骤：
10.步骤1)检测出故障相及具体故障原因；步骤2)根据故障原因切换对应的容错控制方法，使电梯以正常转矩输出，抑制转矩脉动；
11.步骤2)中所述容错控制方法具体步骤为：
12.正常运行下，绕组上施加的电压为正向母线电压，此时绕组处于励磁阶段；当绕组上施加电压为零，此时绕组处于续流阶段；当两个二极管导通，绕组两端上施加的是反向母线电压，此时绕组处于消磁阶段；具体不同阶段功率变换器导通信号如下表1所示：
13.表1电机正常运行时绕组导通逻辑
[0014][0015]
当发生二极管或者开关管短路时，快速熔断器快速切断，防止烧毁电机，将短路故障转换成开路故障，同时当其故障辨识功能检测到相电流超过限值时认为发生短路故障，当检测到相电流一段时间为0时认为发生开路故障；此时发送相应故障信号给电梯，电梯显示器显示哪一相发生故障，提醒维修人员更换；
[0016]
发生故障后，在发送故障信号同时，电梯控制器切换控制策略，故障相容错运行，非故障相可继续保持正常运行状态运行，从而使电梯以正常转矩输出，抑制转矩脉动，具体发生故障相，功率变换器导通信号不同阶段如下表2所示：
[0017]
表2电机容错控制时绕组导通逻辑
[0018][0019][0020]
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，有益效果为：本发明的开关磁阻电机的功率变换器使用了改进的h桥驱动电路，实现了在其发生短路故障或开路故障时，能够切换另一路继续容错控制，降低转矩脉动，有效的减少了产生无法抑制的转矩缺口甚至制动
转矩的可能性，增加了安全系数。
[0021]
本发明的功率变换器的容错控制方法稳定性强，可靠性高，同时还能传送相应故障信号给电梯，由电梯显示器显示哪一路发生故障，提醒维修人员更换。
附图说明
[0022]
图1为本发明的开关磁阻电机的功率变换器的电路连接示意图。
[0023]
图2为本发明的开关磁阻电机容错运行控制方法系统硬件框图。
[0024]
图3为本发明开关磁阻电机容错运行控制系统组成示意图。
[0025]
其中，1stm32f4最小系统电路，2电源，3驱动电源，4功率变换器主电路，5位置检测电路，6电流检测电路，7电压检测电路，8过流保护电路，9数码管显示电路，10rs232通讯单元，11调速电路。
具体实施方式
[0026]
如图1所示的一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器，包括直流电源，直流母线电容，电流传感器和同向并联连接的三个h桥驱动电路，三个所述h桥驱动电路与开关磁阻电机的三相绕组一一对应连接，且每个所述h桥驱动电路和所述直流母线电容共连后连接至外部直流电源；每一个所述h桥驱动电路包括四个桥臂，上下两个桥臂串联形成两个串联桥臂，两个串联桥臂并联，输入端连在串联桥臂的两端，输出端是两串联桥臂的中点，两个串联桥臂放的中点之间跨接有励磁绕组；两个串联桥臂的上端和直流母线电容的正极连接至所述外部直流电源的正极，两个串联桥臂的下端和直流母线电容的负极连接至所述外部直流电源的负极。
[0027]
三个h桥驱动电路包括十二个桥臂，每个桥臂都设置有一个开关管、一个二极管和一个快速熔断器，分别为开关管g1、二极管d1、快速熔断器fu1；开关管g2、二极管d2、快速熔断器fu2；开关管g3、二极管d3、快速熔断器fu3；开关管g4、二极管d4、快速熔断器fu4；开关管g5、二极管d5、快速熔断器fu5；开关管g6、二极管d6、快速熔断器fu6；开关管g7、二极管d7、快速熔断器fu7；开关管g8、二极管d8、快速熔断器fu8；开关管g9、二极管d9、快速熔断器fu9；开关管g10、二极管d10、快速熔断器fu10；开关管g11、二极管d11、快速熔断器fu11；开关管g12、二极管d12、快速熔断器fu12；所述二极管与开关管反向并联后与快速熔断器串联。
[0028]
如图2所示，开关磁阻电机的运行容错控制系统主要包括stm32f4最小系统电路1、电源2、驱动电路3、功率变换器主电路4、位置检测电路5、电流检测电路6、电压检测电路7、过流保护电路8、数码管显示电路9、rs232通讯单元10、以及调速电路11。其中stm32控制核心负责整个系统的数据处理、数据计算以及系统控制；位置检测电路主要用于处理光电传感器输出的脉冲信号，得到位置改变信息，用于控制器计算转速；电流检测电路将相电流信号通过传感器转换为电压信号输入到控制器的ad口；过流保护单元根据控制器d/a给定的电压与电流传感器输出的值进行比较，将过流信号输入到控制器的io口；母线电压过压检测电路与过流保护单元类似，也是将采样得到的电压信号与设定值的比较结果输入到控制器io口；调速电路用于速度给定，将电压信号输入到控制器的a/d口；驱动电路将控制器输入的弱电信号放大驱动功率变化器；功率变换器控制srm绕组的通断，实现开关控制；串口
通讯用于控制器与上位机的通讯，方便电机的调试与维护；数码管显示电路用于按键读取和速度显示；电源模块将220v的市电通过交交变换、交直变换转变为电机的母线电压以及驱动电路还有微控制器的供电电压。
[0029]
其中数字处理器为意法半导体公司的stm32f407，具有强大浮点处理功能，高达1mb的闪存(flash)，具有高速的处理能力和浮点运算功能，stm32f4系列mcu针对的是需要进行大量算术运算的高端场合。
[0030]
驱动电路采用的型号fod3180的驱动型光耦。
[0031]
主开关器件的型号为g60n100igbt，其耐压值达到1000v，集电极额定电流60a，开通关断时间为纳秒级。所述续流二极管型号为rhrp3060的快速恢复二极管，其反向耐压值为600v，导通额定电流为30a。
[0032]
电流检测选用的是5v供电采样精度为0.5％的茶花csm006npt5系列霍尔电流传感器。
[0033]
数码管驱动芯片tm1618集成了数值显示和按键读取的功能，可以通过spi接口与微控制器进行通讯。
[0034]
rs232通讯电路，接口支持全双工通信可用于扩展dart接口与pc机通信，常用于调试或同其他串口设备通信。选用maxim公司生产的max3232芯片作为232-ttl电平转换芯片，max3232提供lua关断模式，有效的降低了功耗。
[0035]
如图3所示的一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器的容错控制方法，包括以下步骤：
[0036]
步骤1)检测出故障相及具体故障原因；步骤2)根据故障原因切换对应的容错控制方法，使电梯以正常转矩输出，抑制转矩脉动；
[0037]
步骤2)中所述容错控制方法具体步骤为：
[0038]
正常运行下，绕组上施加的电压为正向母线电压，此时绕组处于励磁阶段；当绕组上施加电压为零，此时绕组处于续流阶段；当两个二极管导通，绕组两端上施加的是反向母线电压，此时绕组处于消磁阶段；具体不同阶段功率变换器导通信号如下表1所示：
[0039]
表1电机正常运行时绕组导通逻辑
[0040][0041]
当发生二极管或者开关管短路时，快速熔断器快速切断，防止烧毁电机，将短路故障转换成开路故障，同时当其故障辨识功能检测到相电流超过限值时认为发生短路故障，当检测到相电流一段时间为0时认为发生开路故障；此时发送相应故障信号给电梯，电梯显示器显示哪一相发生故障，提醒维修人员更换；
[0042]
发生故障后，在发送故障信号同时，电梯控制器切换控制策略，故障相容错运行，
非故障相可继续保持正常运行状态运行，从而使电梯以正常转矩输出，抑制转矩脉动，具体发生故障相，功率变换器导通信号不同阶段如下表2所示：
[0043]
表2电机容错控制时绕组导通逻辑
[0044][0045]
本发明提供了一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器及其容错控制方法，该功率变换器具有故障辨识功能，当发生故障时，快速熔断器快速切断，将短路故障切换为开路故障，发送故障信号后切换控制策略，重新容错运行，从而以正常转矩输出，减小转矩脉动。本发明可使电梯在功率变换器发生故障的情况下维持平稳运行，提高了开关磁阻在各种环境下运行的可靠性。
[0046]
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器，其特征在于，包括直流电源，直流母线电容，电流传感器和同向并联连接的三个h桥驱动电路，三个所述h桥驱动电路与开关磁阻电机的三相绕组一一对应连接，且每个所述h桥驱动电路和所述直流母线电容共连后连接至外部直流电源。2.根据权利要求1所述的一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器，其特征在于，每一个所述h桥驱动电路包括四个桥臂，上下两个桥臂串联形成两个串联桥臂，所述两个串联桥臂并联，两个串联桥臂放的中点之间跨接有励磁绕组。3.根据权利要求1所述的一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器，其特征在于，三个所述h桥驱动电路包括十二个桥臂，每个桥臂都设置有一个开关管、一个二极管和一个快速熔断器，分别为开关管g1、二极管d1、快速熔断器fu1；开关管g2、二极管d2、快速熔断器fu2；开关管g3、二极管d3、快速熔断器fu3；开关管g4、二极管d4、快速熔断器fu4；开关管g5、二极管d5、快速熔断器fu5；开关管g6、二极管d6、快速熔断器fu6；开关管g7、二极管d7、快速熔断器fu7；开关管g8、二极管d8、快速熔断器fu8；开关管g9、二极管d9、快速熔断器fu9；开关管g10、二极管d10、快速熔断器fu10；开关管g11、二极管d11、快速熔断器fu11；开关管g12、二极管d12、快速熔断器fu12；所述二极管与开关管反向并联后与快速熔断器串联。4.根据权利要求2所述的一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器，其特征在于，所述两个串联桥臂的上端和直流母线电容的正极连接至所述外部直流电源的正极，所述两个串联桥臂的下端和直流母线电容的负极连接至所述外部直流电源的负极。5.一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器的容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)检测出故障相及具体故障原因；步骤2)根据故障原因切换对应的容错控制方法，使电梯以正常转矩输出，抑制转矩脉动；步骤2)中所述容错控制方法具体步骤为：正常运行下，绕组上施加的电压为正向母线电压，此时绕组处于励磁阶段；当绕组上施加电压为零，此时绕组处于续流阶段；当两个二极管导通，绕组两端上施加的是反向母线电压，此时绕组处于消磁阶段；具体不同阶段功率变换器导通信号如下表1所示：表1电机正常运行时绕组导通逻辑当发生二极管或者开关管短路时，快速熔断器快速切断，防止烧毁电机，将短路故障转换成开路故障，同时当其故障辨识功能检测到相电流超过限值时认为发生短路故障，当检测到相电流一段时间为0时认为发生开路故障；此时发送相应故障信号给电梯，电梯显示器显示哪一相发生故障，提醒维修人员更换；
发生故障后，在发送故障信号同时，电梯控制器切换控制策略，故障相容错运行，非故障相可继续保持正常运行状态运行，从而使电梯以正常转矩输出，抑制转矩脉动，具体发生故障相，功率变换器导通信号不同阶段如下表2所示：表2电机容错控制时绕组导通逻辑

技术总结
本发明公开了一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器，包括直流电源，直流母线电容，电流传感器和同向并联连接的三个H桥驱动电路，三个所述H桥驱动电路与开关磁阻电机的三相绕组一一对应连接，且每个所述H桥驱动电路和所述直流母线电容共连后连接至外部直流电源；一种电梯用开关磁阻电机的功率变换器的容错控制方法，步骤1）检测出故障相及具体故障原因；步骤2）根据故障原因切换对应的容错控制方法，使电梯以正常转矩输出，抑制转矩脉动。本发明可使电梯在功率变换器发生故障的情况下维持平稳运行，提高了开关磁阻在各种环境下运行的可靠性。靠性。靠性。


技术研发人员：莫岳平 盛叶帆 何志涛
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/6