CN104682808B - 基于简化磁链法的开关磁阻电机调速系统容错运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对电流传感器或电压传感器故障的基于简化磁链法的开关磁阻电机调速系统容错运行方法，其包括选定目标位置并测量磁链‑电流特性数据，采集相电流电压，计算动态磁链及任意两时刻的动态磁链差值，计算故障磁链，判断动态磁链差值是否与故障磁链值一致，若一致，则传感器故障，根据正常相绕组的电磁信号发出延迟控制故障相的指令，若不一致，则传感器无故障，按照本相绕组的电磁信号发出延迟控制本相绕组通断的指令，本发明实现无位置传感器开关磁阻电机在某些电流传感器或者电压传感器发生故障情况下仍能正确估计转子的位置，提高了开关磁阻电机系统的运行稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机控制技术领域，尤其涉及一种针对电流传感器或电压传感器故障的基于简化磁链法的开关磁阻电机调速系统容错运行方法。
背景技术
开关磁阻电机自从20世纪80年代由英国Leeds等大学研发成功以来，得到了诸多学者的关注，在传动领域产生很大的影响，随着电力电子技术、控制技术以及数字处理等技术的进步得到快速发展。开关磁阻电机为双凸极结构，转子上无稀土材料，仅由硅钢片叠压成，绕组线圈在定子上，因而比直流电机、交流电机和异步电机结构简单、坚固，电机加工工序少，成本低，易于冷却，特别适合高速、高温、恶劣等工作环境。开关磁阻电机调速系统由开关磁阻电机、功率变换器、位置传感器、控制器组成，可调参数多，控制灵活，调速范围宽，易于实现四象限运行，并具有再生制动能力，在宽转速范围效率高，容错性能强，在航空航天、新能源汽车、工矿传功、独立电源、风力发电等场合具有广阔的前景。
但开关磁阻电机的调速系统需要有转子的位置信号，目前转子位置信号的获取主要通过在电机本体中专门增设一个位置传感器检测位置信号，典型的有光电式、电磁式、磁敏式等，其中光电传感器最广泛，但这些传统的机械传感器结构复杂，安装不方便，不仅增加了系统的复杂性，同时也降低了系统的可靠性，提高了成本，制约了开关磁阻电机的广泛应用，特别在高温、灰尘等恶劣环境下，位置传感器又容易出现故障，限制了电机的正常运转。为了克服开关磁阻电机这一弊端，探索一种算法简单、容易实现、有高可靠性的无位置传感器技术具有十分重要的实际意义。
无位置传感器控制技术，比如简化磁链法，即延迟方法简化磁链位置估计方法，采用电流传感器和电压传感器来测得电压和电流，从而通过电压和电流计算磁链值，从而判断转子的位置，然后输出位置信号，即延迟导通或者关断的指令，控制电机绕组切换，从而实现电机无位置传感器下稳定运行，电机运行状态发生故障的类型多种多样，如电流传感器故障、电压传感器故障、开关管故障等，当电流/电压传感器发生故障情况时，位置估计信号发生紊乱，严重会导致运行系统瘫痪，需要提出一种开关磁阻电机在简化磁链无位置传感器下电流/电压传感器发生故障情况时的位置估计容错技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的无位置传感器开关磁阻电机当电流/电压传感器发生故障情况时，位置估计信号发生紊乱，严重会导致运行系统瘫痪。
为了解决上述技术问题，本发明提供的具体技术方案是基于简化磁链法的开关磁阻电机调速系统容错运行方法，该开关磁阻电机系统包括开关磁阻电机、驱动开关磁阻电机的功率变换器单元、采集相电流和相电压的信号采集处理单元和控制单元，所述方法包括如下步骤：
步骤1 选择相电感曲线交点对应的转子位置，定义为目标位置，在所述目标位置下，测量相绕组磁链-电流特性数据，将磁链-电流特性数据存于控制单元；
步骤2 信号采集处理单元实时采集相电压和相电流，并将相电压值Uk和相电流值ik传输到控制单元；
步骤3 从转子旋转到对应相电感最小值的转子位置时开始，依据动态磁链积分公式控制单元实时计算任意时刻的动态磁链值，取当前时刻之前的任意t1和t2两个时刻的动态磁链值，计算t1和t2两个时刻的动态磁链差值Δψ1k；依据故障磁链积分公式和控制单元计算t1和t2两个时刻的故障磁链差值Δψ3k和Δψ4k，Rk为第k相绕组的电阻值，ψ0k为转子在所述对应相电感最小值的转子位置时第k相绕组的初始磁链值；
步骤4 当动态磁链差值Δψ1k绝对值不等于零，且与故障磁链差值Δψ3k绝对值不一致，又与故障磁链差值Δψ4k绝对值不一致时，判定信号采集处理单元的电流传感器和电压传感器均无故障，则判断当前动态磁链值和相电流值是否满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，如果满足，执行步骤5，如果不满足，执行步骤6；当动态磁链差值Δψ1k绝对值等于零，或者动态磁链差值Δψ1k与故障磁链差值Δψ3k绝对值一致，或者动态磁链差值Δψ1k与故障磁链差值Δψ4k绝对值一致时，判定信号采集处理单元的电流传感器或电压传感器有故障，则定义第k相绕组为故障相，第l相绕组为非故障相，l≠k，判断第l相绕组的当前动态磁链值和相电流值是否满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，如果满足，执行步骤7；如果不满足，执行步骤8；
步骤5 如果当前动态磁链值和相电流值满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判定转子旋转到目标位置，控制单元输出延迟关断和延迟导通功率变换器单元的指令，控制相绕组通断，执行步骤9；
步骤6 如果当前动态磁链值和相电流值不满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判断下一时刻动态磁链值和相电流值是否满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，直到满足为止，执行步骤5；
步骤7 如果第l相绕组的当前动态磁链值和相电流值满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判定转子旋转到目标位置，控制单元输出延迟关断和延迟导通功率变换器单元的指令，以控制所述非故障相通断电；针对第k相绕组，输出延迟关断和延迟导通功率变换器单元的指令，以控制第k相绕组通断电，执行步骤9；
步骤8 如果第l相绕组的当前动态磁链值和相电流值不满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判断下一时刻动态磁链值和相电流值是否满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，直到满足为止，执行步骤7；
步骤9 控制单元初始化，并执行步骤2。
进一步地，在步骤4中，当动态磁链差值Δψ1k绝对值等于零，则判定电压传感器和电流传感器均存在故障；当动态磁链差值Δψ1k与故障磁链差值Δψ3k绝对值一致时，则判定电流传感器有故障；当动态磁链差值Δψ1k与故障磁链差值Δψ4k绝对值一致时，则判定电压传感器有故障。
与现有技术相比，本发明利用动态磁链与目标位置的磁链比较，估计转子是否旋转到目标位置，从而控制单元产生延迟特定角度导通或者关断功率变换器单元的指令，控制相绕组通断电，以实现开关磁阻电机在无位置传感器时正常运行，运行过程中，通过动态磁链差值，实时判断电流传感器或者电压传感器运行状态，当某传感器发生故障时，控制单元通过非故障相当前动态磁链值和相电流来确定转子位置，且产生延迟特定角度导通或者关断功率控制单元的指令以控制故障相通断，以实现无位置传感器开关磁阻电机在某些电流传感器或者电压传感器发生故障情况下仍能正确估计转子的位置，提高了开关磁阻电机系统的运行稳定性。
附图说明
图1本发明的方法流程图；
图2本发明的12/8结构开关磁阻电机三相电感与转子位置关系图；
图3本发明的延迟方法简化磁链位置估计图；
图4本发明的电流/电压传感器故障类型分析图。
具体实施方式
基于简化磁链法的开关磁阻电机调速系统容错运行方法，该开关磁阻电机系统包括开关磁阻电机、驱动开关磁阻电机的功率变换器单元、采集相电流和相电压的信号采集处理单元和控制单元，所述方法包括如下步骤：
步骤1 选择相电感曲线交点对应的转子位置，定义为目标位置，在所述目标位置下，测量相绕组磁链-电流特性数据，将磁链-电流特性数据存于控制单元；
步骤2 信号采集处理单元实时采集相电压和相电流，并将相电压值Uk和相电流值ik传输到控制单元；
步骤3 从转子旋转到对应相电感最小值的转子位置时开始，依据动态磁链积分公式控制单元实时计算任意时刻的动态磁链值，取当前时刻之前的任意t1和t2两个时刻的动态磁链值，计算t1和t2两个时刻的动态磁链差值Δψ1k；依据故障磁链积分公式和控制单元计算t1和t2两个时刻的故障磁链差值Δψ3k和Δψ4k，Rk为第k相绕组的电阻值，ψ0k为转子在所述对应相电感最小值的转子位置时第k相绕组的初始磁链值；
步骤4 当动态磁链差值Δψ1k绝对值不等于零，且与故障磁链差值Δψ3k绝对值不一致，又与故障磁链差值Δψ4k绝对值不一致时，判定信号采集处理单元的电流传感器和电压传感器均无故障，则判断当前动态磁链值和相电流值是否满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，如果满足，执行步骤5，如果不满足，执行步骤6；当动态磁链差值Δψ1k绝对值等于零，或者动态磁链差值Δψ1k与故障磁链差值Δψ3k绝对值一致，或者动态磁链差值Δψ1k与故障磁链差值Δψ4k绝对值一致时，判定信号采集处理单元的电流传感器或电压传感器有故障，则定义第k相绕组为故障相，第l相绕组为非故障相，l≠k，判断第l相绕组的当前动态磁链值和相电流值是否满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，如果满足，执行步骤7；如果不满足，执行步骤8；
步骤5 如果当前动态磁链值和相电流值满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判定转子旋转到目标位置，控制单元输出延迟关断和延迟导通功率变换器单元的指令，控制相绕组通断，执行步骤9；
步骤6 如果当前动态磁链值和相电流值不满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判断下一时刻动态磁链值和相电流值是否满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，直到满足为止，执行步骤5；
步骤7 如果第l相绕组的当前动态磁链值和相电流值满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判定转子旋转到目标位置，控制单元输出延迟关断和延迟导通功率变换器单元的指令，以控制所述非故障相通断电；针对第k相绕组，输出延迟关断和延迟导通功率变换器单元的指令，以控制第k相绕组通断电，执行步骤9；
步骤8 如果第l相绕组的当前动态磁链值和相电流值不满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判断下一时刻动态磁链值和相电流值是否满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，直到满足为止，执行步骤7；
步骤9 控制单元初始化，并执行步骤2。
优选地，在步骤4中，当动态磁链差值Δψ1k绝对值等于零，则判定电压传感器和电流传感器均存在故障；当动态磁链差值Δψ1k与故障磁链差值Δψ3k绝对值一致时，则判定电流传感器有故障；当动态磁链差值Δψ1k与故障磁链差值Δψ4k绝对值一致时，则判定电压传感器有故障。
在步骤5和步骤7中，控制单元输出延迟关断和延迟导通功率变化器单元的指令控制故障相和非故障相，其为现有技术，特在此进行说明，在步骤5中如果当前动态磁链值和相电流值满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判定转子旋转到目标位置，控制单元输出延迟θ1角度关断和延迟θ2角度导通功率变换器单元的指令，控制相绕组通断，执行步骤9，其中θ1为目标位置与对应相电感最大值的转子位置之间相距的角度，θ2＝θ1+T1/2，T1为电感周期对应的转子角度；在步骤7中如果第n相绕组的当前动态磁链值和相电流值满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判定转子旋转到目标位置，控制单元输出延迟θ1角度关断和延迟θ2角度导通功率变换器单元的指令，以控制所述第n相绕组通断电，同时针对第l相绕组，输出延迟θ3角度关断和延迟θ4导通功率变换器单元的指令，以控制第l相绕组通断电，执行步骤9，其中，θ3＝θ1+α，θ4＝θ2+α，α为故障相相电感最大值的转子位置与非故障相相电感最大值的转子位置之间相距的角度。
现通过具体例子来详细说明本发明：本发明是在开关磁阻电机调速系统的简化磁链控制法基础上提出的容错运行方法，简化磁链法，即延迟方法简化磁链位置估计方法，为现有控制技术，举例介绍，如下：如图2所示，12/8结构开关磁阻电机A、B、C三相电感曲线交点分别对应A、B、C三相转子位置信号PA、PB、PC的上升沿或下降沿，以15°定为目标位置，以dsPACE微处理器为控制核心、机械分度仪为定位系统的控制单元实测各相绕组在目标位置时不同输入电流产生的磁链数据，形成了磁链-电流特性数据关系，以供查表使用，并将磁链-电流特性数据存储在控制单元内存；由于开关磁阻电机各相具有独立性的，每相转子位置信号只由本相电磁信息间接估计，如图3所示，以15°目标位置磁链为基准，忽略磁滞、涡流及绕组之间的互感，可得开关磁阻电动机某相绕组的电动势平衡方程式，即
式中：uk为第k相绕组相电压；Rk为第k相绕组电阻；ik为第k相绕组相电流；ψk为第k相绕组的磁链。
由式(1)解得第k相绕组的磁链表达式为
式中：ψk(0)为第k相绕组初始磁链值；如果实时采集0时刻至t时刻间的相绕组电压、电流值，已知初始磁链值ψk(0)和相绕组电阻值Rk，可以利用式(2)积分计算出相绕组t时刻的磁链值ψk。即信号采集处理单元的电流传感器和电压传感器采集相电流和相电压，由控制单元依据磁链积分公式(2)，实时计算动态磁链值，并通过查表与15°目标位置磁链比较，得到15°目标位置检索脉冲信号，再将此位置检索脉冲分别延迟7.5°和30°，从而得到转子位置信号的下降沿和上升沿(如图3所示)，转子位置信号的下降沿是关断功率控制器单元的开关管，转子位置信号的上升沿是导通功率控制器单元的开关管，以上为延迟方法简化磁链位置估计方法，从上面可以看出，如果电流传感器或者电压传感器发生故障了，计算出的动态磁链值不可能与15°目标位置磁链值一致，无法判断转子旋转到目标位置，导致不能产生转子位置信号的下降沿和上升沿，从而不能控制相绕组的关断和导通，从而电机调速系统陷入瘫痪。
因此，判断电流传感器或者电压传感器是否故障；通过判断实时动态磁链的变化规律即可判断出传感器的故障类型；应用数值积分法，将式(2)离散化为
式中T为离散积分计算周期；Uk，ik，Rk均为在离散积分计算周期中第k个绕组相电压、相电流和电阻值，n时刻的磁链ψk(n)是n-1时刻计算的磁链ψk-1(n-1)加上当前离散积分计算周期T中计算的磁链值[Uk(n)-Rkik(n)]T，故障类型一：在n时刻相电流传感器出现故障，电压传感器正常，电流传感器采样的电流值为零，此时，磁链积分离散计算公式(3)就变为：
ψk(n)＝ψk(n-1)+[Uk(n)]T (4)
相比电流传感器正常情况下公式(3)缺少了-Rkik(n)T项，这样在第n时刻到开关管关断，相磁链会上升加快，磁链变化率增大，且在开关管关断时刻磁链值比传感器正常情况下大，在开关管关断后，Uk(n)为负，也缺少了-Rkik(n)项，相磁链减小相比传感器正常情况下变慢；如图4中电流传感器故障分析图；
故障类型二：在n时刻相电压传感器出现故障，电流传感器正常，电压传感器采集的相电压值为零，此时，磁链积分离散计算公式(3)变为：
ψk(n)＝ψk(n-1)+[-Rkik(n)]T (5)
相比传感器正常情况下公式(3)缺少Uk(n)T项，这样从第n时刻开始，积分计算出的磁链值就开始减小，减小的幅度主要由-Rkik(n)T决定；如图4中电压传感器故障分析图；
故障类型三：在n时刻电压传感器和电流传感器同时出现故障，无法检测到相电压和相电流信号，此时，磁链积分离散计算公式(3)变为：
ψk(n)＝ψk(n-1) (6)
相比传感器正常情况下公式(3)缺少Uk(n)T和-Rkik(n)T项，从第n时刻开始，积分计算出来的磁链值保持恒值ψk(n-1)，如图4中电压/电流传感器故障分析图。
由于三种传感器故障类型的相动态磁链变化特性不同，所以通过检测相动态磁链变化特性可诊断出故障相和传感器故障类型，当某一相对应的传感器发生故障，采集到的电流、电压信号就不准，判断传感器发生故障类型，故障相的转子位置信号可以通过其他非故障相的转子位置信号和延迟方法间接判断出，从而实现基于简化磁链法的开关磁阻电机调速系统容错运行方法。在上述举例中，假如C相电流、电压传感器发生故障：由图2可知，故障相C相的位置信号下降沿与A相转子位置信号下降沿相差15°，而C相位置信号的上升沿与A相转子位置信号上升沿相差15°，所以可以利用延迟方法，将A相的位置信号的下降沿和上升沿延迟15°获得C相的位置信号下降沿和上升沿，从而输出关断和导通C相绕组的指令。
Claims (2)
1.基于简化磁链法的开关磁阻电机调速系统容错运行方法，该开关磁阻电机系统包括开关磁阻电机、驱动开关磁阻电机的功率变换器单元、采集相电流和相电压的信号采集处理单元和控制单元，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1选择相电感曲线交点对应的转子位置，定义为目标位置，在所述目标位置下，测量相绕组磁链-电流特性数据，将磁链-电流特性数据存于控制单元；
步骤2信号采集处理单元实时采集相电压和相电流，并将相电压值Uk和相电流值ik传输到控制单元；
步骤3从转子旋转到对应相电感最小值的转子位置时开始，依据动态磁链积分公式控制单元实时计算任意时刻的动态磁链值，取当前时刻之前的任意t1和t2两个时刻的动态磁链值，计算t1和t2两个时刻的动态磁链差值Δψ1k；依据故障磁链积分公式和控制单元计算t1和t2两个时刻的故障磁链差值Δψ3k和Δψ4k，Rk为第k相绕组的电阻值，ψ0k为转子在所述对应相电感最小值的转子位置时第k相绕组的初始磁链值；
步骤4当动态磁链差值Δψ1k绝对值不等于零，且与故障磁链差值Δψ3k绝对值不一致，又与故障磁链差值Δψ4k绝对值不一致时，判定信号采集处理单元的电流传感器和电压传感器均无故障，则判断当前动态磁链值和相电流值是否满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，如果满足，执行步骤5，如果不满足，执行步骤6；当动态磁链差值Δψ1k绝对值等于零，或者动态磁链差值Δψ1k与故障磁链差值Δψ3k绝对值一致，或者动态磁链差值Δψ1k与故障磁链差值Δψ4k绝对值一致时，判定信号采集处理单元的电流传感器或电压传感器有故障，则定义第k相绕组为故障相，第l相绕组为非故障相，l≠k，判断第l相绕组的当前动态磁链值和相电流值是否满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，如果满足，执行步骤7；如果不满足，执行步骤8；
步骤5如果当前动态磁链值和相电流值满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判定转子旋转到目标位置，控制单元输出延迟关断和延迟导通功率变换器单元的指令，控制相绕组通断，执行步骤9；
步骤6如果当前动态磁链值和相电流值不满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判断下一时刻动态磁链值和相电流值是否满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，直到满足为止，执行步骤5；
步骤7如果第l相绕组的当前动态磁链值和相电流值满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判定转子旋转到目标位置，控制单元输出延迟关断和延迟导通功率变换器单元的指令，以控制所述非故障相通断电；针对第k相绕组，输出延迟关断和延迟导通功率变换器单元的指令，以控制第k相绕组通断电，执行步骤9；
步骤8如果第l相绕组的当前动态磁链值和相电流值不满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，则判断下一时刻动态磁链值和相电流值是否满足步骤1中目标位置处相绕组的磁链-电流特性数据，直到满足为止，执行步骤7；
步骤9控制单元初始化，并执行步骤2。
2.如权利要求1所述的基于简化磁链法的开关磁阻电机调速系统容错运行方法，其特征在于，在步骤4中，当动态磁链差值Δψ1k绝对值等于零，则判定电压传感器和电流传感器均存在故障；当动态磁链差值Δψ1k与故障磁链差值Δψ3k绝对值一致时，则判定电流传感器有故障；当动态磁链差值Δψ1k与故障磁链差值Δψ4k绝对值一致时，则判定电压传感器有故障。
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