CN101662257B - 多相永磁容错电机的简易最优电流直接控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新颖的多相永磁容错电机简易最优电流直接控制方法。该控制方法以永磁电机正弦波反电势为前提，转矩脉动最小化为目标，当永磁容错电机的某一相绕组或功率管出现断路或短路故障时，利用简易最优电流直接控制算法，直接计算出正常相绕组的最优给定电流，进而补偿故障相的平均输出转矩，并抵消故障相产生的脉动转矩，使得电机输出的转矩脉动最小化，而转速不变，并实现m相正常态向m-1相故障态的无缝切换。其中，由于简易最优电流直接算法解出的给定电流值在安全范围内，其值可以直接作为正常相绕组的最优给定电流，因此，在整个给定电流计算过程中，无需复杂的迭代计算，软件编程简单，易于实现实时控制的全数字式容错控制系统，适合于高可靠性及高性能要求的航空航天及军用场合。

Description

多相永磁容错电机的简易最优电流直接控制方法

一、技术领域：

本发明所涉及的是一种新颖的基于多相永磁容错电机的简易最优电流直接控制方法。

二、背景技术：

从上世纪八十年代以来，随着多电、全电飞机以及混合、纯电动汽车的发展，电机驱动系统迎来了新的发展机遇和挑战。除了高功率密度、高效率，同时拥有高输出性能(转速、转矩脉动最小化)以及高可靠性成了电机驱动系统的关键所在。上世纪90年代，永磁容错电机及其控制系统的出现，为提高系统的安全可靠性提供了保障，已应用到航空领域。永磁容错电机，除了具有一般永磁电机的特点外(体积小、功率密度高等)，还具有物理隔离、热隔离、磁隔离电气隔离以及抑制短路电流的特点，因此，永磁容错电机本体具备很强的容错能力，若结合具有高性能的控制算法，那它既可实现容错能力，又能满足高输出特性的要求。

1999年，英国Shefield大学的Jiabing Wang教授提出了最优转矩控制策略，在恒转矩区及恒功率区，该控制策略以铜耗最小为目标，转矩脉动最小化为条件，引入拉普拉斯因子，当某相绕组或功率管出现故障时，得到目标函数，如式(1)所示：

$F=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(L_s{i}_{\mathrm{jd}}\left(t\right)+x{\mathrm{\ψ}}_j)}^2+\mathrm{\λ}\{\underset{j\≠k}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j\left({\mathrm{\θ}}_m\right)i_{\mathrm{jd}}\left(t\right)-[T^{*}\left(t\right)-T_f\left(t\right)\left]\right\}---\left(1\right)$

式中m指电机相数，L_s指绕组自感，ψ_j指j相绕组的磁链，k指故障相，x指弱磁系数，a_j(θ_m)指j相绕组磁链对转子位置的导数，T^*(t)指给定电磁转矩，T_f(t)值故障相绕组所产生的电磁转矩，i_jd(t)指j相绕组的给定电流，根据朗格朗日优化算法，对目标函数求偏导数：

$\frac{\∂F}{{\∂i}_j}=0,$ $\frac{\∂F}{\∂\mathrm{\λ}}=0$ j≠k                (2)

结合式(1)和(2)，得出正常相绕组的给定电流为：

$i_{\mathrm{jd}}\left(t\right)=\frac{a_j\left(\mathrm{\θ}\right)[T^{*}-T_r+(x/L_s)\underset{j\≠k}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{\ψ}}_f]}{\underset{j\≠k}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left[a_j\left(\mathrm{\θ}\right)\right]}^2}-\frac{x}{L}{\mathrm{\ψ}}_f$ j≠k                (3)

由于式(3)中第一相分式中的分母

没有确定的变化范围，当它很小时，甚至接近零时，根据式(3)算出的给定电流将会远远大于电枢电流的极限I_max，因此，正常相绕组的给定电流不能直接取式(3)算出的电流值。如果有绕组电流超过电流极值，那么就要反复校核、迭代计算，重复大量的复杂算法，直到计算出各相绕组给定电流不超过电流极值I_max为止。

由上分析可见，该控制策略的算法解析式不仅很复杂(如式(3)所示)，而且还需要复杂的多次迭代计算才能得到最终正常相绕组的给定电流，整个控制算法复杂，不易软件编程。因此期待发明简单易行，但具有容错及高输出性能的控制策略。本发明正是基于此要求提出了一种简单易行的最优电流直接控制方法。

三、发明内容：

本发明提出一种简易最优电流直接控制方法应用在多相永磁容错电机上。当电机某一相绕组或功率管发生断路或短路故障时，利用提出的简单最优电流直接控制方法，直接算出正常相绕组的给定电流，补偿故障相的平均输出转矩，同时抵消故障相的脉动转矩，使得电机输出转矩的平均值不变，转矩脉动最小化，进而保证故障后的电机输出转速不变，实现m相正常态向m-1相故障态的无缝切换，达到系统的容错要求。其中本发明的最优简易电流直接控制算法根据永磁容错电机的功率守恒原则推导得出，物理概念清晰，并保证正常相绕组的最优给定电流小于电流极值I_max，因此，不需要复杂的数学优化及迭代算法，直接利用转子位置信号、故障诊断信号以及余弦表，通过数学四则运算直接算出正常相绕组的最优给定电流，简化了软件编程的复杂度，易于全数字控制系统的实现，这就是本发明的核心所在。

本发明的永磁容错电机控制系统的容错控制策略是：通过位置传感器得到电机的位置及转速信号，在每个控制周期中，利用外环转速PI调节器得到电机正常态或者故障态的给定转矩T^*(t)，结合转子的位置信号和故障诊断信号，通过简易最优电流直接控制算法，直接算出正常相绕组的最优给定电流i_{fault_j} ^*(t)，再利用数字滞环得到相应的PWM脉冲信号，最后通过功率变换器作用于六相十极永磁容错电机，使得故障态的电机输出性能(输出转矩和转速)不变，实现高性能的容错控制，如图1所示。

本发明的简易最优电流直接控制算法以转矩脉动最小化输出为目标，根据功率守恒原则推导得出。当电机正常工作时，电机的电磁转矩可以表示为：

$T_e\left(t\right)=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_m}\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}(\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{e}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)\×\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{i}_{\mathrm{jn}}\left(t\right)---\left(4\right)$

e_jm(t)指j相绕组第m次谐波空载反电势，i_jn(t)指j相绕组的第n次谐波电流，ω_m指电机的机械角速度。当某相绕组或者功率管发生故障时，对于正弦波电机，忽略空载反电势内的谐波成分，式(4)可以表示为：

$T_e\left(t\right)=\frac{p{\mathrm{\ψ}}_m{i}_m}{2}(5\cos \left(\mathrm{\γ}\right)+\cos (2p{\mathrm{\ω}}_{m}t-\frac{2(k-1)\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\γ}\left)\right)+T_f\left(t\right)---\left(5\right)$

断路故障时：T_f(t)＝0；短路故障时： $T_f\left(t\right)=p{\mathrm{\ψ}}_m\cos [p{\mathrm{\ω}}_{m}t-\frac{(k-1)\mathrm{\π}}{3}]\×i_k.$

p指电机的磁极对数，ψ_m指永磁体耦合到电枢绕组的磁链最大值，i_m指电枢绕组的峰值电流，T_f(t)值故障相绕组所产生的电磁转矩，γ指电流滞后角。为了使得电机能够输出额定转矩，并且转矩脉动最小化，则令电磁转矩等于恒定的给定转矩，即：

                            T_e(t)＝T^*(t)                                (6)

则结合式(5)，第j相正常相绕组的电流解析式可以表示为：

${i_{\mathrm{fault}\_j}}^{*}\left(t\right)=\frac{T^{*}\left(t\right)-T_f\left(t\right)}{p{\mathrm{\ψ}}_m[\frac{5}{2}+\frac{\cos (2p{\mathrm{\ω}}_{m}t-\mathrm{\γ}-2(k-1)\mathrm{\π}/3)}{2}]}\×\cos [p{\mathrm{\ω}}_{m}t-(j-1)\mathrm{\π}/3)-\mathrm{\γ}]$ j＝1…m∩j≠k  (7)

由式(7)可见，第一项因式中的分母有确定的变化范围，即：

$2p{\mathrm{\ψ}}_m\≤p{\mathrm{\ψ}}_m[\frac{5}{2}+\frac{\cos (2p{\mathrm{\ω}}_{m}t-\mathrm{\γ}-2(k-1)\mathrm{\π}/3)}{2}]\≤3p{\mathrm{\ψ}}_m---\left(8\right)$

在这确定的变化范围中的分母数值不会太小，能使得计算出来的电流幅值始终小于绕组的极值电流I_max，因此，正常相的绕组电流无需复杂的多次迭代计算；另外，利用查表法直接得到公式中的余弦函数值，大大降低了软件编程的复杂度，这就是该算法的最大特色。

为达到上述的技术要求，本发明的技术解决方案是，硬件系统由主回路，检测回路，控制回路，故障诊断及辨识回路四大部分组成。主回路由永磁容错电机(1)、功率变换器串联(2)，并由功率变换器接到供电电网；检测回路由电流传感器(6)和位置传感器(7)组成；控制回路由模数转换器(5)连于基于数字信号处理器(DSP)的控制单元(4)，产生功率变换器控制信号，再连于变换器的驱动电路(3)；故障诊断及辨识回路由故障诊断及保护电路(8)组成，当电机某一相绕组或者控制器发生故障时，利用故障诊断及保护电路(8)直接将故障相隔离，并判断出故障类型，进行相应的算法切换，如图2所示。

本发明的优点：

(1)可利用查表法，结合故障诊断信号直接通过四则运算得到正常相绕组的最优给定电流，无需复杂的迭代计算，因此，整个控制算法简单，易于软件编程；

(2)最优给定电流解析式对电机参数的依赖性小，使得控制程序具有很好的移植性及通用性；

(3)可广泛应用到三相、四相以及更多相的永磁容错电机控制系统中，因此该控制算法具有一般适用性。

四、附图说明：

图1基于简易最优电流直接控制算法的多相永磁容错电机及其控制系统框图

图2基于简易最优电流直接控制算法的多相永磁容错电机及其控制系统的硬件组成框图

图1中各框图内的编号名称分别是：1、积分分离式PI调节器，2、简易最优电流直接控制算法，3、数字电流滞环控制，4、功率变换器，5、多相永磁容错电机，6、故障诊断及辨识。图1中的符号名称分别是：n^*-给定转速，n-实际转速，T^*-给定转矩，θ_m-电机转子的位置，i₁ ^*～i_m ^*-m相绕组的给定电流，i₁～i_m-m相绕组的实际电流，PWM-功率管的驱动信号。

图2中各框图内的编号名称分别是：1、多相永磁容错电机，2、功率变换器，3、变换器的驱动电路，4、基于数字控制信号处理器的控制系统，5、模数转换器A/D，6、电流传感器，7、位置传感器，8、故障诊断及保护电路。

五、具体实施方法：

根据附图2叙述本发明的具体实施方法及工作原理和过程。由图2可知，多相永磁容错电机控制系统的硬件结构包括多相永磁容错电机(1)、功率变换器(2)二者连接而成的主回路；由电流传感器(5)和位置传感器(7)组成检测回路模数转换A/D(6)连于数字信号处理器(DSP)(4)，再通过变换器的驱动电路(3)组成控制回路。由故障诊断及保护电路(8)组成故障诊断及辨识回路。

多相永磁容错电机的每相绕组分别由各自H桥式功率变换器供电，实现了电机绕组间的电气隔离，避免了绕组间的故障传染。功率变换器采用IGBT功率管或MOSFET场效应管；电流传感器采用霍尔传感器，传感器将电机绕组上的实际电流信号转换成弱电的模拟电压信号，经过调理电路，送给DSP的A/D口，由它将模拟信号转换成数字信号，便于电流闭环控制以及电机的断路故障诊断；位置传感器可采用光电码盘或旋转变换器，结合DSP，并利用M/T法将传感器的脉冲转换成电机的位置及转速信号。

故障诊断及保护电路是整个硬件电路的关键所在，它有两个作用：一方面，对系统发生的故障进行辨识，判断出哪相发生故障，以及发生断路故障还是短路故障，而后从硬件上封锁故障相的驱动信号，并利用继电器将故障相切除；另一方面，故障诊断信号通过调理电路送给DSP的I/O口，然后进行相应的算法切换，从而实现容错控制。由于短路故障是系统中最危险的故障，短路故障诊断信号由硬件模拟比较电路直接输出，实现快速保护功能(微秒级)；而断路故障时，绕组中没有电流，在短时间内(毫秒级)对电机输出性能影响不大，因此，断路故障可以采用DSP软件辨识，降低硬件的复杂度。

短路故障诊断的硬件电路由采样电阻、模拟放大电路、模拟比较电路以及光耦隔离电路组成，当绕组发生短路故障时，通过采样电阻将相应绕组的电流信号转变成电压信号，经过放大与最大安全电流比较后，由光耦隔离电路输出短路故障信号，用来封锁相应故障相的功率变换器的PWM驱动信号，同时送给DSP进行算法切换。断路故障诊断采用软件辨识方式，利用A/D口上的电流检测信号，判断电流值是否在连续几个控制周期内都在某个设定电流阈值内，电流阈值设定为5％的额定电流，若都在电流阈值范围内，那么该相绕组发生断路故障，在软件中立即进行算法切换，并封锁相应故障相的功率变换器的PWM驱动信号，同时通过DSP的I/O口送出断路故障信号。

整个系统的工作过程是：在每个控制周期中，将位置传感器的脉动信号送给DSP，在DSP中，通过正交编码电路，利用M/T法得到电机实际的转速，与给定转速比较后，通过PI调节器得到给定的电磁转矩，根据转子的位置，直接利用本发明的简易最优给定电流解析式(a)计算出各相绕组的给定电流，在软件编程中无需迭代计算，通过数字滞环控制器确定各相绕组的PWM脉冲信号，经由变换器的驱动电路，发出24路脉冲信号去控制主回路中的功率变换器，从而给多相永磁容错电机的各相绕组供电。若有故障发生，通过硬件故障诊断及保护电路和软件断路故障诊断算法输出相应的故障信号，并封锁相应故障相的驱动信号，给故障相H桥主功率模块中的继电器发送断开信号，将故障相从母线上切除，同时，在DSP内进行相应的算法切换，实现系统的容错功能。

Claims (2)

1.一种简易最优电流直接控制算法，该算法以电机输出转矩脉动最小化为目标，根据功率守恒原则推导得出，如式(a)所示，其特征在于，分母有确定的安全变化范围，整个电流计算过程中，无需复杂的迭代计算，系统在故障态时，仅需结合位置信号θ_m＝ω_mt查取软件中预先编制的余弦表，通过数学四则运算直接得到正常相绕组的最优给定电流，因此，该算法编程简单，易于实现实时控制的全数字式控制器；

${i_{\mathrm{fault}\_j}}^{*}\left(t\right)=\frac{T^{*}\left(t\right)-T_f\left(t\right)}{p{\mathrm{\ψ}}_m[\frac{5}{2}+\frac{\cos (2p{\mathrm{\ω}}_{m}t-\mathrm{\γ}-2(k-1)\mathrm{\π}/3)}{2}]}\×\cos [p{\mathrm{\ω}}_{m}t-(j-1)\mathrm{\π}/3)-\mathrm{\γ}]$ j＝1…m∩j≠k  (a)

断路故障时：T_f(t)＝0；短路故障时：

式中m指绕组总的相数，k指故障相绕组，j指正常相绕组，i_{fault_j} ^*(t)指故障态时正常相绕组的给定电流，T^*(t)指给定电磁转矩，T_f(t)值故障相绕组所产生的电磁转矩，p指电机的磁极对数，ψ_m指永磁体耦合到电枢绕组的磁链最大值，ω_m指电机的机械转速，γ指电流滞后角，i_k指短路相绕组电流。

2.一种新颖的基于多相永磁容错电机的简易最优电流直接控制方法，其特征在于，当电机某一相绕组或功率管发生断路或短路故障时，利用权利要求1所述的简易最优电流直接控制算法，直接计算出正常相绕组的最优给定电流，进而补偿故障相的平均输出转矩，并抵消故障相产生的脉动转矩，使得故障态时电机输出特性不变，实现m相正常态向m-1相故障态的无缝切换，达到系统容错要求。

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