IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRON

IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 31, NO. 2, FEBRUARY 2016 1541

Central-Tapped Node Linked Modular
Fault-Tolerance Topology for SRM Applications

Yihua Hu, Member, IEEE, Chun Gan, Student Member, IEEE, Wenping Cao, Senior Member, IEEE,
Wuhua Li, Member, IEEE, and Stephen J. Finney

Abstract—Electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles K Inductance slope when faulted.
L
(HEVs) can reduce greenhouse gas emissions while switched re- Ki Current slope when faulted.
luctance motor (SRM) is one of the promising motor for such
Lmin Minimum of the phase inductance.
applications. This paper presents a novel SRM fault-diagnosis
and fault-tolerance operation solution. Based on the traditional Lmax Maximum of the phase inductance.
asymmetric half-bridge topology for the SRM driving, the central T ∗ Given load torque.
tapped winding of the SRM in modular half-bridge configuration T Instantaneous torque.
are introduced to provide fault-diagnosis and fault-tolerance func- Tav Average electromagnetic torque of one phase when
tions, which are set idle in normal conditions. The fault diagnosis normal.
can be achieved by detecting the characteristic of the excitation 
and demagnetization currents. An SRM fault-tolerance operation Tav Average electromagnetic torque of one phase when
strategy is also realized by the proposed topology, which compen- faulted.
sates for the missing phase torque under the open-circuit fault, and Uin Bus voltage.
reduces the unbalanced phase current under the short-circuit fault ωr Angular velocity.
due to the uncontrolled faulty phase. Furthermore, the current
θon Turn-on angle.
sensor placement strategy is also discussed to give two placement
methods for low cost or modular structure. Simulation results in θoff Turn-off angle.
MATLAB/Simulink and experiments on a 750-W SRM validate the
effectiveness of the proposed strategy, which may have significant I. INTRODUCTION
implications and improve the reliability of EVs/HEVs.
URRENTLY, electric vehicles (EVs) and hybrid electric
Index Terms—Central tapped node, electric vehicles, fault diag- Cvehicles (HEVs) provide a low-pollution and high-
nosis, fault tolerance, switched reluctance motor (SRM), traction efficiency solution to the depletion of fossil fuels and envi-
drives.
ronmental problems, and thus, are under wide development
across the world [1], [2]. Switched reluctance motors (SRMs)
NOMENCLATURE are becoming a mature technology for EV/HEV applications and
D PWM duty cycle. are also considered to have commercial potentials for massive
i ,i ,i Currents for phases A , B, and C. global markets due to their nonreliance on rare earth materi-
a b c
i Phase current peak when faulted. als and a wide torque–speed range, in addition to their robust
max
imax Phase current peak when normal. mechanical structure, low cost and high efficiency [3]–[7]. For
Δi Hysteresis window. EV/HEV applications, high reliability and fault tolerance is crit-
Nr Rotor poles. ically important as they involve human lives.
KL Inductance slope when normal. The SRM drive system is mainly composed by two parts:
K Current slope when normal. power electronics and motors [8]. For EV/HEV applications, the
i
switching devices are prone to failure, especially in harsh envi-
Manuscript received September 29, 2014; revised December 7, 2014 and ronments such as vehicular conditions [9]. Based on the widely
January 28, 2015; accepted March 9, 2015. Date of publication March 18, 2015; used asymmetrical half-bridge drive topology, the power elec-
date of current version September 29, 2015. This work was supported by the
EPSRC of UK (EP/L00089X/1). Recommended for publication by Associate tronics faulty conditions such as short-circuits and open-circuits
Editor J. A. Pomilio. are studied in [10]–[16]. In [11], the bus current is employed to
Y. Hu is with the College of Electrical Engineering, Zhejiang University, distinguish open-circuit faults and short-circuit faults in power
Hangzhou 310027, China, and is also with the Department of Electronic and
Electrical Engineering, University of Strathclyde, Glasgow G1 1XQ, U.K. electronics converters. In [12], two on-line fault-diagnosis meth-
(e-mail: [e-mail]). ods based on analysis of bus current or freewheeling current
C. Gan and W. Li are with the College of Electrical Engineering, Zhe- are developed to distinguish short circuits and open circuits. In
jiang University, Hangzhou 310027, China (e-mail: [e-mail];
[e-mail]). [13], the switching device fault diagnosis including open cir-
W. Cao is with the School of Electronics, Electrical Engineering and Com- cuit and short circuit is achieved by analysis of phase current
puter Science, Queen’s University Belfast, Belfast BT7 1NN, U.K. (e-mail: without additional hardware investment. The FFT algorithm is
[e-mail]).
S. J. Finney is with the Department of Electronic and Electrical Engi- also introduced to analyze the power converter supply current
neering, University of Strathclyde, Glasgow G1 1XQ, U.K. (e-mail: stephen. of phase absence fault in [14]. A method to predict the SRM
fi[e-mail]). drive performance under normal and fault operating conditions
Color versions of one or more of the figures in this paper are available online
at http://ieeexplore.ieee.org. is proposed in [15], which uses a genetic-algorithm-based artifi-
Digital Object Identifier 10.1109/TPEL.2015.2414664 cial neural networks, showing a fast and accurate prediction. In

0885-8993 © 2015 IEEE. Personal use is permitted, but republication/redistribution requires IEEE permission.
See http://www.ieee.org/publications standards/publications/rights/index.html for more information.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

ธุรกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ปี 31 หมายเลข 2 กุมภาพันธ์ IEEE 2016 1541 แท็บกลางโหนเชื่อมโยงมอดุลาร์ โทโพโลยีของค่าเผื่อความบกพร่องสำหรับโปรแกรมประยุกต์ SRM หูอะควาซิตี้ สมาชิก IEEE ย่านชุน สมาชิกนักเรียน IEEE สมาชิก Wenping Cao อาวุโส IEEE Wuhua Li สมาชิก IEEE, Stephen J. Finney และ นามธรรมเช่นยานพาหนะไฟฟ้า (ฟ้า) และยานพาหนะไฟฟ้าไฮบริด K Inductance ลาดชันเมื่อเกิดความผิดพร่อง L (HEVs) สามารถลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในขณะที่เปลี่ยนใหม่กี่ลาดปัจจุบันเมื่อเกิดความผิดพร่อง มอเตอร์ luctance (SRM) เป็นหนึ่งในมอเตอร์สัญญาสำหรับดังกล่าว อย่างน้อย Lmin inductance ระยะ ใช้งาน เอกสารนี้นำเสนอนวนิยาย SRM วินิจฉัยข้อบกพร่อง และยอมรับข้อบกพร่องการดำเนินการแก้ปัญหา ตามสูงสุด Lmax ดั้งเดิม inductance ระยะ โครงสร้างครึ่งสะพาน asymmetric สำหรับ SRM ขับ แรงบิดกลาง T ∗ให้โหลด แท็บของ SRM ในโมดุลครึ่งสะพาน configuration แรงบิด T กำลังของขดลวด แนะนำให้วินิจฉัยข้อบกพร่องและค่าเผื่อความบกพร่อง func - เฉลี่ย Tav ไฟฟ้าแรงบิดหนึ่งระยะเวลา tions ซึ่งมีการตั้งค่าใช้งานในสภาพปกติ การวินิจฉัยข้อบกพร่องปกติ สามารถทำได้ โดยการตรวจสอบลักษณะของการในการกระตุ้น และกระแส demagnetization ดำเนินการยอมรับข้อบกพร่อง SRM กำลังไฟฟ้าเฉลี่ย Tav บิดหนึ่งระยะเวลา นอกจากนี้ยังมีการรับรู้กลยุทธ์ โดยการนำเสนอโครงสร้าง compen ใด - เกิดความผิดพร่อง เขตสำหรับแรงบิดระยะหายไปภายใต้ข้อบกพร่องวงจรเปิด และแรงดันบัส Uin ลดขั้นตอนจำนวนปัจจุบันภายใต้ ωr บกพร่อง short-circuit เป็นความเร็วเชิงมุม เนื่องจากระยะผิดพลาดทาง นอกจากนี้ ปัจจุบัน มุม Turn-on θon ยังมีการกล่าวถึงเซ็นเซอร์วางกลยุทธ์ให้สองตำแหน่ง วิธีการสำหรับโครงสร้างต้นทุนต่ำ หรือโมดุล ผลการจำลองในมุมหันออก θoff MATLAB/Simulink และทดลองกับ SRM 750 W มีการตรวจสอบการ ประสิทธิผลของกลยุทธ์เสนอ ซึ่งอาจแนะนำ significant I. ผลกระทบ และการปรับปรุงความน่าเชื่อถือของ ฟ้า/HEVs URRENTLY ยานพาหนะไฟฟ้า (ฟ้า) และไฟฟ้าไฮบริด คำดัชนีตัวกลางเคาะโหน ยานพาหนะไฟฟ้า ข้อบกพร่อง diag-Cvehicles (HEVs) ให้เป็นมลพิษต่ำและสูง nosis ยอมรับข้อบกพร่อง สลับรายการอาหารมอเตอร์ (SRM), ลาก efficiency วิธีแก้ปัญหาการลดลงของเชื้อเพลิงฟอสซิลและสามารถ- ไดรฟ์ ronmental ปัญหา และ พัฒนากว้าง ทั่วโลก [1], [2] รายการอาหารเปลี่ยนมอเตอร์ (SRMs) ระบบการตั้งชื่อจะกลายเป็น เทคโนโลยีสำหรับการใช้งาน EV/HEV ผู้ใหญ่ และ วงจร D PWM ภาษี ถือว่ายังไม่มีศักยภาพเชิงพาณิชย์สำหรับขนาดใหญ่ ฉัน ฉัน ฉันกระแสสำหรับระยะ A, B และ c.ตลาดโลกเนื่องจาก nonreliance ของพวกเขาใน materi ธาตุหายาก- b c ฉันระยะปัจจุบันสูงสุดเมื่อเกิดความผิดพร่อง ยังและช่วงแรงบิด – ความเร็วหลากหลาย นอกจากความแข็งแกร่ง สูงสุด ไอแม็กซ์ระยะปัจจุบันสูงสุดเมื่อปกติ โครงสร้างเครื่องจักรกล efficiency ต้นทุนต่ำ และสูง [3] – [7] สำหรับ Δi Hysteresis window. EV/HEV applications, high reliability and fault tolerance is crit- Nr Rotor poles. ically important as they involve human lives. KL Inductance slope when normal. The SRM drive system is mainly composed by two parts: K Current slope when normal. power electronics and motors [8]. For EV/HEV applications, the i switching devices are prone to failure, especially in harsh envi- Manuscript received September 29, 2014; revised December 7, 2014 and ronments such as vehicular conditions [9]. Based on the widely January 28, 2015; accepted March 9, 2015. Date of publication March 18, 2015; used asymmetrical half-bridge drive topology, the power elec- date of current version September 29, 2015. This work was supported by the EPSRC of UK (EP/L00089X/1). Recommended for publication by Associate tronics faulty conditions such as short-circuits and open-circuits Editor J. A. Pomilio. are studied in [10]–[16]. In [11], the bus current is employed to Y. Hu is with the College of Electrical Engineering, Zhejiang University, distinguish open-circuit faults and short-circuit faults in power Hangzhou 310027, China, and is also with the Department of Electronic and Electrical Engineering, University of Strathclyde, Glasgow G1 1XQ, U.K. electronics converters. In [12], two on-line fault-diagnosis meth- (e-mail: [e-mail]). ods based on analysis of bus current or freewheeling current C. Gan and W. Li are with the College of Electrical Engineering, Zhe- are developed to distinguish short circuits and open circuits. In
jiang University, Hangzhou 310027, China (e-mail: [e-mail];
[e-mail]). [13], the switching device fault diagnosis including open cir-
W. Cao is with the School of Electronics, Electrical Engineering and Com- cuit and short circuit is achieved by analysis of phase current
puter Science, Queen’s University Belfast, Belfast BT7 1NN, U.K. (e-mail: without additional hardware investment. The FFT algorithm is
[e-mail]).
S. J. Finney is with the Department of Electronic and Electrical Engi- also introduced to analyze the power converter supply current
neering, University of Strathclyde, Glasgow G1 1XQ, U.K. (e-mail: stephen. of phase absence fault in [14]. A method to predict the SRM
fi[e-mail]). drive performance under normal and fault operating conditions
Color versions of one or more of the figures in this paper are available online
at http://ieeexplore.ieee.org. is proposed in [15], which uses a genetic-algorithm-based artifi-
Digital Object Identifier 10.1109/TPEL.2015.2414664 cial neural networks, showing a fast and accurate prediction. In

0885-8993 © 2015 IEEE. Personal use is permitted, but republication/redistribution requires IEEE permission.
See http://www.ieee.org/publications standards/publications/rights/index.html for more information.

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

ธุรกรรมอีอีอีเลคโทรนิคส์พาวเวอร์, VOL 31 NO 2 กุมภาพันธ์ 2016 1541 กลางเคาะโหนดที่เชื่อมโยง Modular โทโพโลยีป้องกันความผิดความอดทนสำหรับการประยุกต์ใช้ SRM Yihua Hu สมาชิกอีอีอีจุนกาน Student เป็นสมาชิกอีอีอี, Wenping เฉาสมาชิกอาวุโส, IEEE, Wuhua ลี่สมาชิกอีอีอีและสตีเฟน เจฟินเนย์ยานพาหนะบทคัดย่อไฟฟ้า(EVs) และยานพาหนะไฟฟ้าไฮบริด K? ความลาดเอียงตัวเหนี่ยวนำเมื่อโทษฐาน. L (HEVs) สามารถลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในขณะที่เปิดใหม่กิลาดปัจจุบันเมื่อโทษฐาน. มอเตอร์ luctance (SRM) เป็นหนึ่งในยานยนต์ที่มีแนวโน้มดังกล่าวLmin ขั้นต่ำของการเหนี่ยวนำเฟส. การใช้งาน บทความนี้นำเสนอนวนิยาย SRM ความผิดการวินิจฉัยโรคและความผิดความอดทนแก้ปัญหาการดำเนินงาน ขึ้นอยู่กับ LMAX สูงสุดแบบดั้งเดิมของการเหนี่ยวนำเฟส. โทโพโลยีครึ่งสะพานสมมาตรสำหรับการขับรถ SRM กลาง T * ได้รับแรงบิดโหลด. เคาะคดเคี้ยวของ SRM ในช่วงครึ่งสะพาน modular ปรับอากาศสายไฟล์โครงสร้าง T แรงบิดทันที. จะนำไปให้ fault- การวินิจฉัยและการป้องกันความผิดความอดทนฟังก์ชั่ Tav เฉลี่ยแรงบิดไฟฟ้าหนึ่งเฟสเมื่อข้อซึ่งมีการตั้งค่าใช้งานในสภาวะปกติ การวินิจฉัยความผิดปกติ. สามารถทำได้โดยการตรวจสอบลักษณะของการกระตุ้นหรือไม่และกระแส demagnetization การดำเนินการป้องกันความผิดความอดทน SRM Tav แรงบิดไฟฟ้าเฉลี่ยของระยะหนึ่งเมื่อกลยุทธ์ตระหนักโดยโครงสร้างที่นำเสนอซึ่งชดเชยโทษฐาน. Sates สำหรับแรงบิดขั้นตอนที่ขาดหายไปภายใต้ความผิดวงจรเปิดและแรงดันไฟฟ้ารถ Uin. จะช่วยลดขั้นตอนที่ไม่สมดุล ปัจจุบันภายใต้ความผิดลัดวงจรωrความเร็วเชิงมุม. เนื่องจากการผิดพลาดที่ไม่สามารถควบคุมขั้นตอนการ นอกจากนี้ในปัจจุบันθonเปิดมุม. กลยุทธ์การวางตำแหน่งเซ็นเซอร์ยังมีการกล่าวถึงที่จะให้ทั้งสองตำแหน่งวิธีการสำหรับค่าใช้จ่ายต่ำหรือโครงสร้างแบบแยกส่วน ผลการจำลองในθo FF มุมเปิดออก. MATLAB / Simulink และการทดลองใน 750-W SRM ตรวจสอบประสิทธิภาพของกลยุทธ์ที่นำเสนอซึ่งอาจจะต้องมีนัยสำคัญลาดเทI. บทนำผลกระทบและปรับปรุงความน่าเชื่อถือของEVs / HEVs ได้. urrently ยานพาหนะไฟฟ้า ( EVs) และไฮบริดไฟฟ้าดัชนีข้อตกลงกลางเคาะโหนดยานพาหนะไฟฟ้าผิดdiag- Cvehicles (HEVs) ให้มลพิษต่ำและสูงnosis ยอมรับความผิดเปลี่ยนมอเตอร์ฝืนใจ (SRM) การลาก EF วิธีการแก้ปัญหาการขาดสายเพื่อการพร่องของฟอสซิล เชื้อเพลิงและแวดล้อมไดรฟ์. ปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมและทำให้อยู่ภายใต้การพัฒนาที่กว้างทั่วโลก [1], [2] มอเตอร์ฝืน Switched (SRMs) ระบบการตั้งชื่อจะกลายเป็นเทคโนโลยีผู้ใหญ่สำหรับ EV / โปรแกรม HEV และD PWM รอบหน้าที่ ถือว่ายังมีศักยภาพในเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่สำหรับฉันฉันฉันกระแสสำหรับขั้นตอน A, B และ C ตลาดโลกเนื่องจากการ nonreliance ของพวกเขาในแผ่นดินที่หายากวัสดุที่ abc ฉัน? ขั้นตอนที่สูงสุดในปัจจุบันเมื่อโทษฐาน ทางการและช่วงที่แรงบิดความเร็วกว้างนอกเหนือไปจากพวกเขาที่มีประสิทธิภาพสูงสุดIMAX เฟสสูงสุดในปัจจุบันเมื่อปกติ โครงสร้างทางกล, ค่าใช้จ่ายต่ำและสูง ciency ไฟ EF [3] - [7] สำหรับΔi Hysteresis หน้าต่าง EV / โปรแกรม HEV ความน่าเชื่อถือสูงและความอดทนเป็นความผิด crit- Nr เสาโรเตอร์ ically สำคัญที่พวกเขาเกี่ยวข้องกับชีวิตมนุษย์. KL ลาดเหนี่ยวนำเมื่อปกติ ระบบไดรฟ์ SRM ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองส่วนคือK? ลาดปัจจุบันเมื่อปกติ พลังงานไฟฟ้าและมอเตอร์ [8] สำหรับการใช้งาน, EV / HEV ที่ฉันเปลี่ยนอุปกรณ์มีแนวโน้มที่จะล้มเหลวโดยเฉพาะอย่างยิ่งในแวดล้อมที่รุนแรงต้นฉบับที่ได้รับ29 กันยายน 2014; ปรับปรุง 7 ธันวาคม 2014 และคำาเช่นสภาพยานพาหนะ [9] ขึ้นอยู่กับการยอมรับอย่างกว้างขวาง28 มกราคม 2015; ได้รับการยอมรับที่ 9 มีนาคม 2015 วันที่ตีพิมพ์ 18 มีนาคม 2015; ใช้ไม่สมดุลครึ่งสะพานโครงสร้างไดรฟ์อำนาจการไฟฟ้าวันที่รุ่นปัจจุบันวันที่ 29 กันยายน 2015 งานนี้ได้รับการสนับสนุนจาก EPSRC ของสหราชอาณาจักร (EP / L00089X / 1) แนะนำสำหรับการตีพิมพ์โดย Tronics รองเงื่อนไขผิดพลาดเช่นวงจรสั้นและวงจรเปิดบรรณาธิการJA Pomilio มีการศึกษาใน [10] - [16] ใน [11] ปัจจุบันรถบัสเป็นลูกจ้างที่จะวาย หูเป็นกับวิทยาลัยวิศวกรรมไฟฟ้ามหาวิทยาลัยเจ้อเจียงแยกแยะความผิดพลาดเปิดวงจรและความผิดพลาดลัดวงจรในอำนาจหางโจว 310027, จีน, และยังมีกรมอิเล็กทรอนิกส์และวิศวกรรมไฟฟ้าUniversity of Strathclyde, กลาสโกว์ G1 1XQ สหราชอาณาจักร แปลงอิเล็กทรอนิกส์ ใน [12] สองในสาย meth- ความผิดการวินิจฉัย(E-mail: [e-mail]) ODS จากการวิเคราะห์ของกระแสรถบัสหรืออิสระเสรีในปัจจุบันซี กานและดับเบิลยูหลี่อยู่กับวิทยาลัยวิศวกรรมไฟฟ้า Zhe- มีการพัฒนาที่จะแยกแยะการลัดวงจรและวงจรเปิด ในเจียงมหาวิทยาลัยหางโจว 310027, จีน (E-mail: [e-mail]; [e-mail]) [13] การวินิจฉัยความผิดรวมทั้งการเปลี่ยนอุปกรณ์ cir- เปิดดับเบิลยู เฉาอยู่กับโรงเรียนอิเล็กทรอนิกส์, วิศวกรรมไฟฟ้าและ CUIT สั่งและการลัดวงจรจะทำได้โดยการวิเคราะห์ระยะปัจจุบันputer วิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยควีนส์เบลฟาส, เบลฟาส BT7 1NN, UK (E-mail โดยไม่ต้องลงทุนฮาร์ดแวร์เพิ่มเติมขั้นตอนวิธี FFT เป็น. . [e-mail]) SJ ฟินเนย์อยู่กับภาควิชาอิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า Engi- ยังแนะนำในการวิเคราะห์อุปทานแปลงไฟปัจจุบันneering, University of Strathclyde, กลาสโกว์ G1 1XQ, UK (E-mail: สตีเฟ่น ความผิดพลาดในกรณีที่ไม่มีขั้นตอน [14]. วิธีการที่จะคาดการณ์ SRM [e-mail] FI) ไดรฟ์ประสิทธิภาพภายใต้สภาวะความผิดปกติและรุ่นสีหนึ่งหรือมากกว่าของสาย gures ในเอกสารนี้มีอยู่ทั่วไปที่http://ieeexplore.ieee.org มีการเสนอใน [15] ซึ่งใช้ขั้นตอนวิธีทางพันธุกรรม-ตาม Arti fi- วัตถุดิจิตอลระบุเอ้อไฟ 10.1109 / TPEL.2015.2414664 เครือข่ายประสาททางการแสดงให้เห็นการคาดการณ์ที่รวดเร็วและแม่นยำ ใน0885-8993 © 2015 อีอีอี การใช้งานส่วนบุคคลจะได้รับอนุญาต แต่การเผยแพร่ / การกระจายต้องได้รับอนุญาต IEEE. ดู http://www.ieee.org/publications มาตรฐาน / สิ่งพิมพ์ / สิทธิ / index.html สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม