CN104506113A - 一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法，所述的双绕组永磁容错电机是由12槽定子和10极表贴式永磁体转子组成，其定子中包括两套相互独立的对称的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组；该方法通过建立双绕组永磁容错电机控制系统的数学模型，再根据建立的模型以及采集到的和给定的电机信号，分别依次经过速度控制器、电流控制器、SVPWM和逆变器来实现对电机的控制，同时增加了故障诊断与余度通信功能，能分别对控制系统是否存在绕组断路或短路故障进行诊断与处理。本发明简单易行，具有高可靠性和强容错性，能够很好地实现对系统断路或短路故障的容错控制，适合于高可靠性及高性能要求的航空航天及军用场合。

Description

一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法。

背景技术

随着多电/全电飞机的日益发展，目前，研发新一代的多电以及全电飞机已成为航空领域里的一个热点课题。多电及全电飞机的一个典型特征就是用电力作动器来取代传统飞机的部分或全部液压、气压传动机构，这样大大节省了飞机的运行成本，重量轻，体积小，燃油消耗少，且提高了飞机的可靠性、可维护性及地面保障能力等。多电飞机是实现全电飞机的过渡，目前存在的多电飞机主要有：欧洲空客公司的A380，美国波音公司的B787以及美国洛·马公司的F-35。研究表明，电力作动系统的设计是多电飞机的关键技术之一。电力作动器在飞机的关键电力传动系统中受到日益广泛的应用，例如飞机的燃油泵系统。与传统的液压燃油泵系统相比，采用电驱动燃油泵不仅可以提高系统效率，而且可以减小驱动系统的重量、体积、提高变速控制的灵活性。电力作动器的核心是电机驱动控制系统，然而由于器件特性变化、绝缘老化以及电磁干扰等原因，电机驱动控制系统不可避免的会发生电机故障，其中电机故障主要包括绕组断路和绕组端部短路故障。因此，这类航空用电机驱动控制系统除了要满足特定功能外，还必须具备高可靠性和强容错性。

余度控制技术是提高电机驱动控制系统可靠性的一种方法，即通过为系统增加多重资源，包括硬件与软件的重复配置，并对多重资源的合理管理，从而提高系统的可靠性。常用的余度电机控制系统主要为并联式双余度电机，它是由两套相差30°电角度的独立绕组，两套位置传感器和一个共用转子组成，原理简单，结构清晰，控制简单易行，但对于航空用电驱动控制系统其可靠性和容错性上都还有待于进一步提高，且其还存在一个致命弊端。由于传统的余度电机均采用绕组分布绕制的永磁电机，因此绕组一旦短路后不仅会形成极大的短路电流，烧坏电机绕组，而且通过磁场耦合影响正常相绕组，使得系统输出脉动的电磁转矩，进而使电机驱动控制系统无法正常工作。

开关磁阻电机驱动系统的控制方法，因开关磁阻电机结构简单可靠且具有固有的容错特性，可克服传统余度电机控制技术的弊端，目前已在航空领域得到了广泛关注。但与永磁电机相比，该电机存在功率密度较低、转矩脉动较大、噪音较大以及效率低等缺点。

永磁容错电机一般是多相电机，其定子的槽口数与极对数相近，同时电枢绕组为集中式隔齿绕制的方式，每相绕组采用H桥驱动，永磁容错电机系统除了具有一般永磁电机的体积小、功率密度高和转矩脉动小等特点外，还具有磁隔离、物理隔离、热隔离、电气隔离和抑制短路电流的特点，结合容错控制算法，能使整个电机控制系统具备很强的容错能力，提高系统的安全可靠性。自1996年起，英国Newscastle大学的B.C.Mecrow教授提出了非备份式永磁容错电机及其控制系统，并先后完成了六相八极和四相六极航空用永磁容错电机系统，其容错控制方法主要采取利用磁链、电流与转子位置之间的关系表格通过查表的方式进行故障辨识及容错控制，该控制简单，易实现数字化，但由于不同功率等级的容错电机，其磁链、电流及位置之间的关系也不一样，需重新测量其关系表格，因此，前期准备的工作量较大，同时该控制算法的移植性不强。此外，Shefield大学的D.Howe教授等提出了模块化永磁无刷容错电机，并提出了基于电流滞环的最优转矩控制策略，但该方法的解析式比较复杂，且需要复杂的多次迭代计算，从而使控制算法过于复杂。此外，目前的永磁容错电机驱动系统及其控制方法还存在明显不足：由于系统的每相绕组采用H桥驱动，使得与余度电机驱动相比，主功率管增加了一倍，降低了系统的可靠性和功率密度，不利于结构优化，并且目前的控制方法都过于复杂，在实现系统可靠性和容错性上都还有待于进一步提高。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法，使其简单易行，能够使系统具有高可靠性和强容错性，能很好地实现对系统断路或短路故障的容错控制。

技术方案：一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法，其特征在于，包括双绕组容错电机、霍尔传感器、abc/dq变换器、逆变器、电流控制器、位置信号检测和速度控制器；

所述的双绕组永磁容错电机是包括12槽定子和10极表贴式永磁体转子；其定子中包括两套相互独立的对称的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组，分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z，每套绕组分别由一套三相全桥驱动电路进行驱动，该方法包括以下步骤：

步骤(1)对双绕组永磁容错电机的控制系统建立数学模型，其在三相坐标系下分别建立的电机绕组a、b、c和绕组x、y、z的电压和磁链方程为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{abc}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{abc}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s^{\′}& p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{abc}}\\ L_{11}^{\′}& {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fabc}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{abc}}\\ 1\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{xyz}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xyz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s^{\′}& p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xyz}}\\ L_{22}^{\′}& {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fxyz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{xyz}}\\ 1\end{array}\right]$

其中，U_abc＝[U_a U_b U_c]^T和ψ_abc＝[ψ_a ψ_b ψ_c]^T分别为绕组a、b、c的相电压和绕组a、b、c的定子磁链，i_abc＝[i_a i_b i_c]^T为绕组a、b、c的相电流，R′_s＝diag[R_s R_s R_s]^T为定子电阻，р为微分算子，U_xyz＝[U_x U_y U_z]^T为绕组x、y、z的相电压，ψ_xyz＝[ψ_xψ_yψ_z]^T为绕组x、y、z的定子磁链，i_xyz＝[i_x i_y i_z]^T为绕组x、y、z的相电流，L′₁₁、L′₂₂分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的定子自感，ψ_fabc、ψ_fxyz分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的永磁体磁链；

根据功率守恒进行坐标变换后，其旋转坐标系下的d-q轴的电压方程为：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{d1}\\ V_{q1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}(R_s+p{L}_{d11})-{\mathrm{\ω}}_e{L}_{q11}& p{\mathrm{\ψ}}_f\\ {\mathrm{\ω}}_e{L}_{d11}& (R_s+p{L}_{q11}){\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\\ 1\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{V}_{d2}\\ V_{q2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}(R_s+p{L}_{d22})-{\mathrm{\ω}}_e{L}_{q22}& p{\mathrm{\ψ}}_f\\ {\mathrm{\ω}}_e{L}_{d22}& (R_s+p{L}_{q22}){\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\\ 1\end{array}\right]$

${\mathrm{\ω}}_e=\frac{n}{2}{\mathrm{\ω}}_r$

其中，ω_e为转子电角速度，ω_r为转子机械角速度，n为电机极数，V_d1、V_q1分别为绕组a、b、c的d-q轴电压，V_d2、V_q2分别为绕组x、y、z的d-q轴电压，R_s为定子电阻，р为微分算子，L_d11、L_q11分别为绕组a、b、c的d-q轴电感，L_d22、L_q22分别为绕组x、y、z的d-q轴电感，ψ_f为永磁体磁链；

步骤(2)通过故障诊断与余度通信功能，对控制系统是否存在断路故障进行诊断与处理，根据断路故障诊断方法，如果诊断出发生断路故障，则切除故障态的一套绕组，同时，通过余度通信功能向正常的一套绕组发送故障信号，增加正常的一套绕组的输出功率，使其由故障前输出的50％功率变为故障后输出100％的功率，其中所述的断路故障诊断方法的具体步骤为：

步骤(2.1)将各相采集电流i_a、i_b、i_c、i_x、i_y、i_z分别代入各相电流诊断方程处理得到各相的电流诊断值，其各相电流诊断方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_a^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_a^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_b^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_b^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_c^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_c^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_x^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_x^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_y^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_y^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_z^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_z^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\end{array}\right.$

其中，分别为各相电流对应的电流诊断值，f_DFPM为电机的运行频率；

步骤(2.2)将处理得到的各相电流诊断值，代入断路故障诊断方程处理得到各相绕组是否出现断路的表示值，其断路故障诊断方程为：

$K_a(K_b,K_c,K_x,K_y\mathrm{or}{K}_z)=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}{I}_a^{\mathrm{diagnose}}(I_b^{\mathrm{diagnose}},I_c^{\mathrm{diagnose}},{I_x^{\mathrm{diagnose}},I}_y^{\mathrm{diagnose}}\mathrm{or}{I}_z^{\mathrm{diagnose}})=0,\mathrm{and}{\mathrm{\ω}}_r\≠0\\ 0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中，K_a、K_b、K_c、K_x、K_y、K_z分别为各相绕组是否出现断路的表示值，其值为1表示出现断路，为0表示正常；

步骤(2.3)根据处理得到的各相绕组是否出现断路的表示值，代入断路故障处理方程得到断路故障态时应切除哪一套绕组的表示值，其断路故障处理方程为：

$S_1=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}{K}_a+K_b+K_c\≥1\\ 0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

$S_2=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}{K}_x+K_y+K_z\≥1\\ 0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中，S₁为是否应切除绕组a、b、c这一套绕组的表示值，S₂为是否应切除绕组x、y、z这一套绕组的表示值，其值为1表示应该切除，为0表示不切除。

进一步的，步骤(1)、步骤(2)中的各相采集电流i_a、i_b、i_c、i_x、i_y、i_z通过霍尔传感器获得，d-q坐标系下的各自实际电流值i_d1、i_q1和i_d2、i_q2是分别由各相采集电流通过abc/dq变换器变换获得。

进一步的，通过位置信号检测采集得到双绕组永磁容错电机的转子位置信号θ，并对转子位置信号进行微分得到速度信号转子机械角速度ω_r，再根据建立的系统数学模型，分别给一号逆变器和二号逆变器供给直流母线电压V_DC1和V_DC2，再通过给定转速ω_r ^*和给定d-q轴电流i_d1 ^*＝0、i_d2 ^*＝0以及i_q1 ^*、i_q2 ^*后，依次经过速度控制器、电流控制器、电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)后得到各自功率管开通、关断的脉宽调制信号，再通过一号逆变器和二号逆变器分别输出各自相应的电流i_a、i_b、i_c和i_x、i_y、i_z来控制双绕组永磁容错电机跟随给定信号运行。

进一步的，该方法还包括以下步骤：能对控制系统是否存在短路故障进行诊断与处理，若诊断出通过某相绕组的瞬时电流高于两倍的额定电流，则可诊断出该相绕组发生短路故障，则切除故障态的一套绕组(绕组a、b、c或绕组x、y、z)，同时将故障套绕组对应逆变器所有的上桥臂IGBT或所有的下桥臂IGBT进行短接，同时通过余度通信功能向正常的一套绕组发送故障信号，增加正常的一套绕组的输出功率，使其输出100％的功率，进而保证系统输出功率不变，实现容错控制。

进一步的，其转子磁钢外径的离心度为10mm。转子中的永磁体形状是经过优化后的。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

(1)所述的双绕组永磁容错电机不仅具有三倍过载能力、齿槽转矩小、气隙磁场分布正弦度高、永磁转矩脉动小等优点，而且具备磁隔离、热隔离、物理隔离以及具有大电感能抑制短路电流的能力；

(2)驱动系统采用了两套三相全桥驱动电路，相比H桥驱动电路，它不仅可以降低主功率管的数量，用较少的开关器件输出较大的功率，降低系统成本，而且可提高系统的可靠性和功率密度；

(3)系统控制方法通过建立双绕组永磁容错电机控制系统的数学模型，再根据建立的模型以及采集到的和给定的电机信号，分别依次经过速度控制器、电流控制器、SVPWM和逆变器来实现对电机的控制，同时增加了故障诊断与余度通信功能，能分别对控制系统是否存在绕组断路或短路故障进行诊断与处理。

本发明简单易行，具有高可靠性和强容错性，能够很好地实现对系统断路或短路故障的容错控制，适合于高可靠性及高性能要求的航空航天及军用场合。

附图说明

图1为双绕组永磁容错电机的结构图；

图2为双绕组永磁容错电机驱动系统的控制原理框图；

图中：1-定子，2-转子，3-永磁体.

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1和图2所示，一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法，包括双绕组容错电机、霍尔传感器、abc/dq变换器、逆变器、电流控制器、位置信号检测和速度控制器；

该双绕组永磁容错电机是包括12槽定子和10极表贴式永磁体转子；其定子中包括两套相互独立的对称的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组，分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z，每套绕组分别由一套三相全桥驱动电路进行驱动。其转子中的永磁体形状是经过优化后的，转子磁钢外径的离心度h为10mm，该电机具有三倍过载能力和具有抑制短路电流的大电感。

图1中o和R_n分别为转子磁钢内弧的圆心和半径，o′和R_w分别为转子磁钢外弧的圆心和半径，h为转子磁钢外径的离心度，是转子磁钢内弧圆心到转子磁钢外弧圆心的距离。

如图2所示，本发明所述的双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法的具体实施方式，其具体实施步骤为：

步骤(1)通过霍尔传感器采集双绕组永磁容错电机两套绕组(绕组a、b、c和绕组x、y、z)中各自的电流i_a、i_b、i_c和i_x、i_y、i_z，然后将其分别通过abc/dq变换器得到d-q坐标系下各自实际电流值i_d1、i_q1和i_d2、i_q2；

步骤(2)通过位置信号检测采集得到双绕组永磁容错电机的转子位置信号θ，并对转子位置信号进行微分得到速度信号转子机械角速度ω_r；

步骤(3)对双绕组永磁容错电机的控制系统建立数学模型，其在三相坐标系下分别建立的电机绕组a、b、c和绕组x、y、z的电压和磁链方程为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{abc}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{abc}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s^{\′}& p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{abc}}\\ L_{11}^{\′}& {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fabc}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{abc}}\\ 1\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{xyz}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xyz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s^{\′}& p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xyz}}\\ L_{22}^{\′}& {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fxyz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{xyz}}\\ 1\end{array}\right]$

其中，U_abc＝[U_a U_b U_c]^T和ψ_abc＝[ψ_a ψ_b ψ_c]^T分别为绕组a、b、c的相电压和绕组a、b、c的定子磁链，i_abc＝[i_a i_b i_c]^T为绕组a、b、c的相电流，R′_s＝diag[R_s R_s R_s]^T为定子电阻，р为微分算子，U_xyz＝[U_x U_y U_z]^T为绕组x、y、z的相电压，ψ_xyz＝[ψ_xψ_yψ_z]^T为绕组x、y、z的定子磁链，i_xyz＝[i_x i_y i_z]^T为绕组x、y、z的相电流，L′₁₁、L′₂₂分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的定子自感，ψ_fabc、ψ_fxyz分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的永磁体磁链；

根据功率守恒进行坐标变换后，其旋转坐标系下的d-q轴的电压方程为：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{d1}\\ V_{q1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}(R_s+p{L}_{d11})-{\mathrm{\ω}}_e{L}_{q11}& p{\mathrm{\ψ}}_f\\ {\mathrm{\ω}}_e{L}_{d11}& (R_s+p{L}_{q11}){\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\\ 1\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{V}_{d2}\\ V_{q2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}(R_s+p{L}_{d22})-{\mathrm{\ω}}_e{L}_{q22}& p{\mathrm{\ψ}}_f\\ {\mathrm{\ω}}_e{L}_{d22}& (R_s+p{L}_{q22}){\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\\ 1\end{array}\right]$

${\mathrm{\ω}}_e=\frac{n}{2}{\mathrm{\ω}}_r$

其中，ω_e为转子电角速度，ω_r为转子机械角速度，n为电机极数，V_d1、V_q1分别为绕组a、b、c的d-q轴电压，V_d2、V_q2分别为绕组x、y、z的d-q轴电压，R_s为定子电阻，р为微分算子，L_d11、L_q11分别为绕组a、b、c的d-q轴电感，L_d22、L_q22分别为绕组x、y、z的d-q轴电感，ψ_f为永磁体磁链；

步骤(4)根据建立的系统数学模型，分别给一号逆变器和二号逆变器供给直流母线电压V_DC1和V_DC2，再通过给定转速ω_r ^*和给定d-q轴电流i_d1 ^*＝0、i_d2 ^*＝0以及i_q1 ^*、i_q2 ^*后，依次经过速度控制器、电流控制器、电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)后得到各自功率管开通、关断的脉宽调制信号，再通过一号逆变器和二号逆变器分别输出各自相应的电流i_a、i_b、i_c和i_x、i_y、i_z来控制双绕组永磁容错电机跟随给定信号运行；

步骤(5)通过故障诊断与余度通信功能，对控制系统是否存在断路故障进行诊断与处理，根据断路故障诊断方法，如果诊断出发生断路故障，则切除故障态的一套绕组(绕组a、b、c或绕组x、y、z)，同时通过余度通信功能向正常的一套绕组发送故障信号，增加正常的一套绕组的输出功率，使其由故障前输出的50％功率变为故障后输出100％的功率，其中所述的断路故障诊断方法的具体步骤为：

步骤(5.1)将采集到的电流i_a、i_b、i_c、i_x、i_y、i_z分别代入各相电流诊断方程处理得到各相的电流诊断值，其各相电流诊断方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_a^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_a^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_b^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_b^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_c^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_c^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_x^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_x^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_y^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_y^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_z^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_z^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\end{array}\right.$

其中，分别为各相电流对应的电流诊断值，f_DFPM为电机的运行频率；

步骤(5.2)将处理得到的各相电流诊断值，代入断路故障诊断方程处理得到各相绕组是否出现断路的表示值，其断路故障诊断方程为：

$K_a(K_b,K_c,K_x,K_y\mathrm{or}{K}_z)=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}{I}_a^{\mathrm{diagnose}}(I_b^{\mathrm{diagnose}},I_c^{\mathrm{diagnose}},{I_x^{\mathrm{diagnose}},I}_y^{\mathrm{diagnose}}\mathrm{or}{I}_z^{\mathrm{diagnose}})=0,\mathrm{and}{\mathrm{\ω}}_r\≠0\\ 0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$ 其中，K_a、K_b、K_c、K_x、K_y、K_z分别为各相绕组是否出现断路的表示值，其值为1表示出现断路，为0表示正常；

步骤(5.3)根据处理得到的各相绕组是否出现断路的表示值，代入断路故障处理方程得到断路故障态时应切除哪一套绕组的表示值，其断路故障处理方程为：

$S_1=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}{K}_a+K_b+K_c\≥1\\ 0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

$S_2=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}{K}_x+K_y+K_z\≥1\\ 0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中，S₁为是否应切除绕组a、b、c这一套绕组的表示值，S₂为是否应切除绕组x、y、z这一套绕组的表示值，其值为1表示应该切除，为0表示不切除；

步骤(6)对控制系统是否存在短路故障进行诊断与处理，若诊断出通过某相绕组的瞬时电流高于两倍的额定电流，则可诊断出该相绕组发生短路故障，则切除故障态的一套绕组(绕组a、b、c或绕组x、y、z)，同时将故障套绕组对应逆变器所有的上桥臂IGBT或所有的下桥臂IGBT进行短接，同时通过余度通信功能向正常的一套绕组发送故障信号，增加正常的一套绕组的输出功率，使其输出100％的功率，进而保证系统输出功率不变，实现容错控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法，其特征在于，包括双绕组容错电机、霍尔传感器、abc/dq变换器、逆变器、电流控制器、位置信号检测和速度控制器；

所述的双绕组永磁容错电机包括12槽定子和10极表贴式永磁体转子；其定子中包括两套相互独立的对称的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组，分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z，每套绕组分别由一套三相全桥驱动电路进行驱动，该方法包括以下步骤：

1)对双绕组永磁容错电机的控制系统建立数学模型，其在三相坐标系下分别建立的电机绕组a、b、c和绕组x、y、z的电压和磁链方程为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{abc}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{abc}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s^{\′}& {\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{abc}}\\ L_{11}^{\′}& {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fabc}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{abc}}\\ 1\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{xyz}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xyz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s^{\′}& {\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{xyz}}\\ L_{22}^{\′}& {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fxyz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{xyz}}\\ 1\end{array}\right]$

其中：

U_abc＝[U_a U_b U_c]^T和ψ_abc＝[ψ_a ψ_b ψ_c]^T分别为绕组a、b、c的相电压和绕组a、b、c的定子磁链；i_abc＝[i_a i_b i_c]^T为绕组a、b、c的相电流；R′_s＝diag[R_s R_s R_s]^T为定子电阻；р为微分算子；U_xyz＝[U_x U_y U_z]^T为绕组x、y、z的相电压；ψ_xyz＝[ψ_xψ_yψ_z]^T为绕组x、y、z的定子磁链；i_xyz＝[i_x i_y i_z]^T为绕组x、y、z的相电流；L′₁₁、L′₂₂分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的定子自感；ψ_fabc、ψ_fxyz分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的永磁体磁链；

根据功率守恒进行坐标变换后，其旋转坐标系下的d-q轴的电压方程为：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{d1}\\ V_{q1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}(R_s+{\mathrm{pL}}_{d11})& -{\mathrm{\ω}}_e{L}_{q11}& {\mathrm{p\ψ}}_f\\ {\mathrm{\ω}}_e{L}_{d11}& (R_s+{\mathrm{pL}}_{q11})& {\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\\ 1\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{V}_{d2}\\ V_{q2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}(R_s+{\mathrm{pL}}_{d22})& -{\mathrm{\ω}}_e{L}_{q22}& {\mathrm{p\ψ}}_f\\ {\mathrm{\ω}}_e{L}_{d22}& (R_s+{\mathrm{pL}}_{q22})& {\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\\ 1\end{array}\right]$

${\mathrm{\ω}}_e=\frac{n}{2}{\mathrm{\ω}}_r$

其中：

ω_e为转子电角速度；ω_r为转子机械角速度；n为电机极数；V_d1、V_q1分别为绕组a、b、c的d-q轴电压；V_d2、V_q2分别为绕组x、y、z的d-q轴电压；R_s为定子电阻；р为微分算子；L_d11、L_q11分别为绕组a、b、c的d-q轴电感；L_d22、L_q22分别为绕组x、y、z的d-q轴电感；ψ_f为永磁体磁链；

2)通过故障诊断与余度通信功能，对控制系统是否存在断路故障进行诊断与处理，根据断路故障诊断方法，如果诊断出发生断路故障，则切除故障态的一套绕组；同时，通过余度通信功能向正常的一套绕组发送故障信号，增加正常的一套绕组的输出功率，使其由故障前输出的50％功率变为故障后输出100％的功率，其中所述的断路故障诊断方法的具体步骤为：

2.1)将各相采集电流i_a、i_b、i_c、i_x、i_y、i_z分别代入各相电流诊断方程处理得到各相的电流诊断值，其各相电流诊断方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_a^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_a^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_b^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_b^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_c^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_c^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_x^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_x^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_y^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_y^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_z^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\∫}_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_z^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\end{array}\right.$

其中：

分别为各相电流对应的电流诊断值；f_DFPM为电机的运行频率；

2.2)将处理得到的各相电流诊断值，代入断路故障诊断方程处理得到各相绕组是否出现断路的表示值，其断路故障诊断方程为：

$K_a(K_b,K_c,K_x,K_y\mathrm{or}{K}_z)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \left[\begin{array}{cc}\mathrm{if}& I_a^{\mathrm{diagnose}}(I_b^{\mathrm{diagnose}},I_c^{\mathrm{diagnose}},I_x^{\mathrm{diagnose}},I_y^{\mathrm{diagnose}}\mathrm{or}{I}_z^{\mathrm{diagnose}})=0,\mathrm{and}{\mathrm{\ω}}_r\≠0\end{array}\right]\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中：

K_a、K_b、K_c、K_x、K_y、K_z分别为各相绕组是否出现断路的表示值，其值为1表示出现断路，为0表示正常；

2.3)根据处理得到的各相绕组是否出现断路的表示值，代入断路故障处理方程得到断路故障态时应切除哪一套绕组的表示值，其断路故障处理方程为：

$S_1=\left\{\begin{array}{cc}1,& \begin{array}{cc}\mathrm{if}& K_a+K_b+K_c\≥1\end{array}\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

$S_2=\left\{\begin{array}{cc}1,& \begin{array}{cc}\mathrm{if}& K_x+K_y+K_z\≥1\end{array}\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中：

S₁为是否应切除绕组a、b、c这一套绕组的表示值，S₂为是否应切除绕组x、y、z这一套绕组的表示值，其值为1表示应该切除，为0表示不切除。

2.如权利要求1所述一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法，其特征在于，步骤1)、步骤2)中的各相采集电流i_a、i_b、i_c、i_x、i_y、i_z通过霍尔传感器获得，d-q坐标系下的各自实际电流值i_d1、i_q1和i_d2、i_q2是分别由各相采集电流通过abc/dq变换器变换获得。

3.如权利要求1所述一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述逆变器包括一号逆变器和二号逆变器；通过位置信号检测采集得到双绕组永磁容错电机的转子位置信号θ，并对转子位置信号进行微分得到速度信号转子机械角速度ω_r，再根据建立的系统数学模型，分别给一号逆变器和二号逆变器供给直流母线电压V_DC1和V_DC2，再通过给定转速ω_r ^*和给定d-q轴电流i_d1 ^*＝0、i_d2 ^*＝0以及i_q1 ^*、i_q2 ^*后，依次经过速度控制器、电流控制器、电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)后得到各自功率管开通、关断的脉宽调制信号，再通过一号逆变器和二号逆变器分别输出各自相应的电流i_a、i_b、i_c和i_x、i_y、i_z来控制双绕组永磁容错电机跟随给定信号运行。

4.如权利要求1所述一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法，其特征在于，对控制系统是否存在短路故障进行诊断与处理，若诊断出通过某相绕组的瞬时电流高于两倍的额定电流，则判断该相绕组发生短路故障，切除故障态的一套绕组，同时将故障套绕组对应逆变器所有的上桥臂IGBT或所有的下桥臂IGBT进行短接，同时通过余度通信功能向正常的一套绕组发送故障信号，增加正常的一套绕组的输出功率，使其输出100％的功率，此时，系统输出功率不变，实现容错控制。

5.如权利要求1所述一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法，其特征在于，其转子磁钢外径的离心度为10mm。