CN113395034B - 一种五相电机容错控制归一化方法 - Google Patents

一种五相电机容错控制归一化方法 Download PDF

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CN113395034B CN202110700151.8A CN202110700151A CN113395034B CN 113395034 B CN113395034 B CN 113395034B CN 202110700151 A CN202110700151 A CN 202110700151A CN 113395034 B CN113395034 B CN 113395034B
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Abstract

本发明属于容错电机控制技术，具体涉及一种五相电机容错控制归一化方法。采用位置、电流、占空比虚拟变换，实现了五相容错电机任意一相绕组故障时的容错控制算法向A相绕组故障时的矢量控制容错算法的归一化，任意相邻两相绕组故障时的容错算法向C相、D相绕组故障时的矢量控制容错算法的归一化，任意相隔两相故障时的容错算法向B相、E相绕组故障时的矢量控制容错算法的归一化，从而将五相电机15种故障模式下的容错算法归一化为3种容错算法，大大降低了代码执行量，提高了工程化的可实施性，同时避免了非A相、C相及D相、B相及E相故障情况下，矢量控制所需要的坐标变换矩阵的推导，简化了五相容错电机故障时的矢量控制算法。

Description

一种五相电机容错控制归一化方法
技术领域
本发明属于容错电机控制技术，具体涉及一种五相电机容错控制归一化方法。
背景技术
五相容错电机延续三相永磁电机功率密度高、输出性能好的优点，还可实现对电机本体及控制器故障的容错控制，因此具有广阔的应用前景，但是现有技术只公开了A相绕组故障时的矢量控制算法，或者只公开了某具体的两相绕组故障下的容错算法，并没有将容错电机任意一相绕组故障时或任意两相故障时的容错控制算法公开，而实际系统的故障是随机的，一相绕组故障时，并不一定就是A相绕组故障，并且当B相绕组、C相绕组、D相绕组或者是E相绕组故障时，现有技术公开的A相绕组故障情况下矢量控制所需的降维解耦矩阵会发生变换，造成不同相绕组故障下的坐标变换矩阵不同，实际实施时，软件代码量将成倍增加，难以实现工程化，任意两相绕组故障时存在同样的问题。
发明内容
本发明的目的是：提出一种五相电机容错控制归一化方法，利用虚拟旋转变换，将五相电机15种故障模式下的容错算法归一化为3种容错算法，降低了代码执行量，提高了工程化的可实施性。
本发明的技术方案：
一种五相电机容错控制归一化方法，包括如下步骤：
步骤一、设定五相电机控制算法为矢量控制算法，采集并记录电机A相绕组采样电流ias，B相绕组采样电流ibs，C相绕组采样电流ics，D相绕组采样电流ids，E相绕组采样电流ies；
步骤二、采集电机转子电角度位置θe；
步骤三、采用电流模型监控算法判断电机各相绕组的故障情况，并生成电机A相绕组故障标志位BITa、B相绕组故障标志位BITb、C相绕组故障标志位BITc、D相绕组故障标志位BITd、E相绕组故障标志位BITe；
步骤四、根据电机故障标志位BITa、BITb、BITc、BITd、BITe进行电机电流虚拟旋转变换，得到电机A相绕组虚拟电流iav，B相绕组虚拟电流ibv，C相绕组虚拟电流icv，D相绕组虚拟电流idv，E相绕组虚拟电流iev；
步骤五、进行电机转子位置虚拟变换，得到电机转子虚拟位置θev；
步骤六、根据电机各相绕组虚拟电流、转子虚拟位置θev执行矢量控制算法，计算电机A相绕组虚拟占空比Dav、B相绕组虚拟占空比Dbv、C相绕组虚拟占空比Dcv、D相绕组虚拟占空比Ddv、E相绕组虚拟占空比Dev；
步骤七、根据电机故障标志位BITa、BITb、BITc、BITd、BITe进行电机占空比虚拟旋转变换，得到电机A相绕组实际占空比Dar、B相绕组实际占空比Dbr、C相绕组实际占空比Dcr、D相绕组实际占空比Ddr、E相绕组实际占空比Der，将电机各相绕组实际占空比输出控制电机运行。
进一步，在所述电机一相绕组开路故障容错控制、相邻两相绕组开路故障容错控制、相隔两相绕组开路故障容错控制时均采用矢量控制算法架构，采用矢量控制算法能够有效提高五相电机故障后容错控制时的母线电压利用率，同时实现高精度性能输出。
进一步，所述用电流模型监控算法判断电机各相绕组的故障情况过程如下：由五相电机自然坐标系下的数学模型估算电机各相绕组电流监控值，将电机各相绕组电流监控值与采样值进行比较，若偏差大于一定的阈值，则判定绕组故障，并将绕组故障标志位置为1，否则，判定绕组正常，并将绕组故障标志位置为0，采用基于电流的模型监控算法，能够实现监控算法与PWM频率的同步性，同时故障时电流变化比较敏感，进一步提高故障检测的快速性。
进一步，步骤四所述的电机绕组虚拟电流通过五阶虚拟电流旋转方阵A计算，公式如下：
(iav ibv icv idv iev)T＝A(ias ibs ics ids ies)T；
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(1 0 0 0 0)或(0 0 1 10)或(0 1 0 0 1)时，所述五阶虚拟电流旋转方阵A如下：
Figure GDA0003849690340000031
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 1 0 0 0)或(0 0 0 11)或(1 0 1 0 0)时，
Figure GDA0003849690340000032
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 1 0 0)或(1 0 0 01)或(0 1 0 1 0)时，
Figure GDA0003849690340000033
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 1 0)或(1 1 0 00)或(0 0 1 0 1)时，
Figure GDA0003849690340000034
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 0 1)或(0 1 1 00)或(1 0 0 1 0)时，
Figure GDA0003849690340000041
进一步，所述步骤五中，电机转子位置虚拟变换过程如下：
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(1 0 0 0 0)或(0 0 1 10)或(0 1 0 0 1)时，所述的电机转子虚拟位置θev＝θe，
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 1 0 0 0)或(0 0 0 11)或(1 0 1 0 0)时，θev＝θe-0.4π，
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 1 0 0)或(1 0 0 01)或(0 1 0 1 0)时，θev＝θe-0.8π，
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 1 0)或(1 1 0 00)或(0 0 1 0 1)时，θev＝θe-1.2π，
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 0 1)或(0 1 1 00)或(1 0 0 1 0)时，θev＝θe-1.6π。
进一步，步骤七所述的电机绕组实际占空比由五阶虚拟占空比旋转方阵B计算得到，公式如下：(Dar Dbr Dcr Ddr Der)T＝B(Dav Dbv Dcv Ddv Dev)T；
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(1 0 0 0 0)或(0 0 1 10)或(0 1 0 0 1)时，所述五阶虚拟占空比旋转方阵B，
Figure GDA0003849690340000051
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 1 0 0 0)或(0 0 0 11)或(1 0 1 0 0)时，
Figure GDA0003849690340000052
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 1 0 0)或(1 0 0 01)或(0 1 0 1 0)时，
Figure GDA0003849690340000053
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 1 0)或(1 1 0 00)或(0 0 1 0 1)时，
Figure GDA0003849690340000054
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 0 1)或(0 1 1 00)或(1 0 0 1 0)时，
Figure GDA0003849690340000061
进一步，步骤七所述的根据电机各相绕组实际占空比控制电机运行过程为，若电机某相绕组故障，则直接关断电机该相绕组对应桥臂的上下功率管，若电机某相绕组正常，则按照电机该相绕组实际占空比控制该相绕组对应桥臂上下管互补式导通与关断。某相绕组故障时，直接将该相绕组对应桥臂的功率管全部关断，可以实现该相绕组及其对应功率管故障的完全电隔离，降低该相绕组所对应的电流回路对其余正常工作绕组产生的转矩扰动。
进一步，所述步骤二中，还包括：若电机故障绕组相数大于等于三相，则终止电机运行。
本发明的优点是：采用位置、电流、占空比虚拟变换，实现了五相容错电机任意一相绕组故障时的容错控制算法向A相绕组故障时的矢量控制容错算法的归一化，任意相邻两相绕组故障时的容错算法向C相、D相绕组故障时的矢量控制容错算法的归一化，任意相隔两相故障时的容错算法向B相、E相绕组故障时的矢量控制容错算法的归一化，从而将五相电机15种故障模式下的容错算法归一化为3种容错算法，大大降低了代码执行量，提高了工程化的可实施性，同时避免了非A相、C相及D相、B相及E相故障情况下，矢量控制所需要的坐标变换矩阵的推导，简化了五相容错电机故障时的矢量控制算法。本发明针对航空高压大功率、高可靠电机伺服系统领域，所述的一种五相电机容错控制归一化方法还可以推广至七相、九相、十五相等多相电机伺服控制领域。
附图说明
图1为一种五相电机容错控制归一化方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见说明书附图1，一种五相电机容错控制归一化方法，该方法采取如下步骤：
步骤一、设定采用五相电机矢量控制算法架构，采集并记录电机A相绕组采样电流ias，B相绕组采样电流ibs，C相绕组采样电流ics，D相绕组采样电流ids，E相绕组采样电流ies；在电机一相绕组开路故障容错控制、相邻两相绕组开路故障容错控制、相隔两相绕组开路故障容错控制时均采用矢量控制算法架构，采用矢量控制算法能够有效提高五相电机故障后容错控制时的母线电压利用率，同时实现高精度性能输出。
步骤二、采集电机转子电角度位置θe；
步骤三、采用电流模型监控算法由五相电机自然坐标系下的数学模型估算电机各相绕组电流监控值，将电机各相绕组电流监控值与采样值进行比较，若偏差大于一定的阈值，则判定绕组故障，并将绕组故障标志位置为1，否则，判定绕组正常，并将绕组故障标志位置为0，得到电机A相绕组故障标志位BITa、B相绕组故障标志位BITb、C相绕组故障标志位BITc、D相绕组故障标志位BITd、E相绕组故障标志位BITe；采用基于电流的模型监控算法，能够实现监控算法与PWM频率的同步性，同时故障时电流变化比较敏感，进一步提高故障检测的快速性。
步骤四、根据电机故障标志位BITa、BITb、BITc、BITd、BITe进行电机电流虚拟旋转变换，由五阶虚拟电流旋转方阵A通过公式(iav ibv icv idv iev)T＝A(ias ibs ics ids ies)T计算电机A相绕组虚拟电流iav，B相绕组虚拟电流ibv，C相绕组虚拟电流icv，D相绕组虚拟电流idv，E相绕组虚拟电流iev，
所述五阶虚拟电流旋转方阵A，若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITdBITe)为(1 0 0 0 0)或(0 0 1 1 0)或(0 1 0 0 1)时，
Figure GDA0003849690340000081
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 1 0 0 0)或(0 0 0 11)或(1 0 1 0 0)时，
Figure GDA0003849690340000082
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 1 0 0)或(1 0 0 01)或(0 1 0 1 0)时，
Figure GDA0003849690340000083
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 1 0)或(1 1 0 00)或(0 0 1 0 1)时，
Figure GDA0003849690340000091
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 0 1)或(0 1 1 00)或(1 0 0 1 0)时，
Figure GDA0003849690340000092
步骤五、进行电机转子位置虚拟变换，计算电机转子虚拟位置θev，所述的电机转子虚拟位置θev采用的具体计算方法为，若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(1 0 0 0 0)或(0 0 1 1 0)或(0 1 0 0 1)时，θev＝θe，
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 1 0 0 0)或(0 0 0 11)或(1 0 1 0 0)时，θev＝θe-0.4π，
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 1 0 0)或(1 0 0 01)或(0 1 0 1 0)时，θev＝θe-0.8π，
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 1 0)或(1 1 0 00)或(0 0 1 0 1)时，θev＝θe-1.2π，
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 0 1)或(0 1 1 00)或(1 0 0 1 0)时，θev＝θe-1.6π；
步骤六、根据电机各相绕组虚拟电流、转子虚拟位置θev执行矢量控制算法，计算电机A相绕组虚拟占空比Dav、B相绕组虚拟占空比Dbv、C相绕组虚拟占空比Dcv、D相绕组虚拟占空比Ddv、E相绕组虚拟占空比Dev；
步骤七、根据电机故障标志位BITa、BITb、BITc、BITd、BITe由五阶虚拟占空比旋转方阵B通过公式(Dar Dbr Dcr Ddr Der)T＝B(Dav Dbv Dcv Ddv Dev)T计算电机A相绕组实际占空比Dar、B相绕组实际占空比Dbr、C相绕组实际占空比Dcr、D相绕组实际占空比Ddr、E相绕组实际占空比Der，所述五阶虚拟占空比旋转方阵B，若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITdBITe)为(1 0 0 0 0)或(0 0 1 1 0)或(0 1 0 0 1)时，
Figure GDA0003849690340000101
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 1 0 0 0)或(0 0 0 11)或(1 0 1 0 0)时，
Figure GDA0003849690340000102
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 1 0 0)或(1 0 0 01)或(0 1 0 1 0)时，
Figure GDA0003849690340000103
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 1 0)或(1 1 0 00)或(0 0 1 0 1)时，
Figure GDA0003849690340000111
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 0 1)或(0 1 1 00)或(1 0 0 1 0)时，
Figure GDA0003849690340000112
若电机绕组故障，则直接关断电机绕组对应桥臂的上下功率管，若电机绕组正常，则按照所述电机绕组实际占空比控制对应桥臂上下管互补式导通与关断，从而控制电机运行。某相绕组故障时，直接将该相绕组对应桥臂的功率管全部关断，可以实现该相绕组及其对应功率管故障的完全电隔离，降低该相绕组所对应的电流回路对其余正常工作绕组产生的转矩扰动。
所述步骤二中，还包括：若电机故障绕组相数大于等于三相，则终止电机运行。
本发明一种五相电机容错控制归一化方法的原理是：五相容错电机的各个绕组在空间对称分布，因此当任意一相绕组故障时，均可以将故障相绕组轴线通过虚拟旋转变换将其与A相绕组轴线重合，此时，任意一相绕组故障的矢量控制算法就可以完全沿用A相绕组故障时的矢量控制算法，并根据A相绕组故障时的矢量控制容错算法计算出各相绕组的虚拟占空比，再根据实际故障情况，将虚拟占空比返回给剩余的正常工作的四相绕组进行控制，就可以实现电机的容错运行，相当于将基于A相绕组故障时的矢量控制容错算法作为一个模块，在模块的前端及后端，根据故障逻辑进行虚拟旋转变换，来实现其它任意一相绕组故障时矢量控制代码的复用及归一化，电机相邻两相绕组故障、相隔两相绕组故障时的容错控制归一化原理与其完全类似。

Claims (8)

1.一种五相电机容错控制归一化方法，其特征在于，该方法采取如下步骤：
步骤一、设定五相电机控制算法为矢量控制算法，采集并记录电机A相绕组采样电流ias，B相绕组采样电流ibs，C相绕组采样电流ics，D相绕组采样电流ids，E相绕组采样电流ies；
步骤二、采集电机转子电角度位置θe；
步骤三、采用电流模型监控算法判断电机各相绕组的故障情况，并生成电机A相绕组故障标志位BITa、B相绕组故障标志位BITb、C相绕组故障标志位BITc、D相绕组故障标志位BITd、E相绕组故障标志位BITe；
步骤四、根据电机故障标志位BITa、BITb、BITc、BITd、BITe进行电机电流虚拟旋转变换，得到电机A相绕组虚拟电流iav，B相绕组虚拟电流ibv，C相绕组虚拟电流icv，D相绕组虚拟电流idv，E相绕组虚拟电流iev；
步骤五、进行电机转子位置虚拟变换，得到电机转子虚拟位置θev；
步骤六、根据电机各相绕组虚拟电流、转子虚拟位置θev通过矢量控制算法，计算电机A相绕组虚拟占空比Dav、B相绕组虚拟占空比Dbv、C相绕组虚拟占空比Dcv、D相绕组虚拟占空比Ddv、E相绕组虚拟占空比Dev；
步骤七、根据电机故障标志位BITa、BITb、BITc、BITd、BITe进行电机占空比虚拟旋转变换，得到电机A相绕组实际占空比Dar、B相绕组实际占空比Dbr、C相绕组实际占空比Dcr、D相绕组实际占空比Ddr、E相绕组实际占空比Der，并根据电机各相绕组实际占空比控制电机运行。
2.如权利要求1所述的一种五相电机容错控制归一化方法，其特征在于，在电机一相绕组开路故障容错控制、相邻两相绕组开路故障容错控制、相隔两相绕组开路故障容错控制时均采用矢量控制算法架构。
3.如权利要求1所述的一种五相电机容错控制归一化方法，其特征在于，步骤三，采用电流模型监控算法判断电机各相绕组的故障情况过程如下：由五相电机自然坐标系下的数学模型估算电机各相绕组电流监控值，将电机各相绕组电流监控值与采样值进行比较，若偏差大于阈值，则判定绕组故障，并将绕组故障标志位置为1，否则，判定绕组正常，并将绕组故障标志位置为0。
4.如权利要求1所述的一种五相电机容错控制归一化方法，其特征在于，步骤四所述的电机绕组虚拟电流通过五阶虚拟电流旋转方阵A计算，公式如下：
(iav ibv icv idv iev)T＝A(ias ibs ics ids ies)T；
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(1 0 0 0 0)或(0 0 1 1 0)或(0 1 0 0 1)时，所述五阶虚拟电流旋转方阵A如下：
Figure FDA0003849690330000021
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 1 0 0 0)或(0 0 0 1 1)或(1 0 1 0 0)时，
Figure FDA0003849690330000022
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 1 0 0)或(1 0 0 0 1)或(0 1 0 1 0)时，
Figure FDA0003849690330000023
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 1 0)或(1 1 0 0 0)或(0 0 1 0 1)时，
Figure FDA0003849690330000031
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 0 1)或(0 1 1 0 0)或(1 0 0 1 0)时，
Figure FDA0003849690330000032
5.如权利要求1所述的一种五相电机容错控制归一化方法，其特征在于，所述步骤五中，电机转子位置虚拟变换过程如下：
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(1 0 0 0 0)或(0 0 1 1 0)或(0 1 0 01)时，所述的电机转子虚拟位置θev＝θe，
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 1 0 0 0)或(0 0 0 1 1)或(1 0 1 0 0)时，θev＝θe-0.4π，
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 1 0 0)或(1 0 0 0 1)或(0 1 0 1 0)时，θev＝θe-0.8π，
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 1 0)或(1 1 0 0 0)或(0 0 1 0 1)时，θev＝θe-1.2π，
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 0 1)或(0 1 1 0 0)或(1 0 0 1 0)时，θev＝θe-1.6π。
6.如权利要求1所述的一种五相电机容错控制归一化方法，其特征在于，步骤七所述的电机绕组实际占空比由五阶虚拟占空比旋转方阵B计算得到，公式如下：(Dar Dbr Dcr DdrDer)T＝B(Dav Dbv Dcv Ddv Dev)T；
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(1 0 0 0 0)或(0 0 1 1 0)或(0 1 0 0 1)时，所述五阶虚拟占空比旋转方阵B，
Figure FDA0003849690330000041
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 1 0 0 0)或(0 0 0 1 1)或(1 0 1 0 0)时，
Figure FDA0003849690330000042
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 1 0 0)或(1 0 0 0 1)或(0 1 0 1 0)时，
Figure FDA0003849690330000043
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 1 0)或(1 1 0 0 0)或(0 0 1 0 1)时，
Figure FDA0003849690330000044
若电机绕组故障标志位(BITa BITb BITc BITd BITe)为(0 0 0 0 1)或(0 1 1 0 0)或(1 0 0 1 0)时，
Figure FDA0003849690330000051
7.如权利要求1所述的一种五相电机容错控制归一化方法，其特征在于，步骤七所述的根据电机各相绕组实际占空比控制电机运行过程为，若电机某相绕组故障，则直接关断电机该相绕组对应桥臂的上下功率管，若电机某相绕组正常，则按照电机该相绕组实际占空比控制该相绕组对应桥臂上下管互补式导通与关断。
8.如权利要求1所述的一种五相电机容错控制归一化方法，其特征在于，所述步骤二中，还包括：若电机故障绕组相数大于等于三相，则终止电机运行。
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