CN113708709B - 一种碳化硅基高可靠电驱动系统多模态容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅基高可靠电驱动系统多模态容错控制方法。本发明基于双绕组永磁容错电机的碳化硅基高可靠电驱动系统，属于永磁容错电机容错控制技术领域。针对现有电驱动系统控制技术方案在可靠性和安全性上存在的不足，公开一种碳化硅基高可靠电驱动系统多模态容错控制方法，使其能够实现电驱动系统功率管开路故障、功率管间歇性开路故障、位置传感器故障、电机绕组开路故障以及多相绕组或多个功率管同时开路故障的容错控制，实现电驱动系统在高机动复杂条件下仍然能够稳定、可靠的运行，解决电驱动系统的高可靠性和高功率密度应用问题，提升电机驱动系统的安全性、功率密度和可靠性。

Description

一种碳化硅基高可靠电驱动系统多模态容错控制方法

技术领域

本发明涉及永磁容错电机容错控制技术领域，尤其涉及一种碳化硅基高可靠电驱动系统多模态容错控制方法。

背景技术

随着《中国制造2025》的稳步推进，国际贸易摩擦和科技竞争加剧，我国关键核心零部件自主设计和自主制造能力不足的问题凸显。伺服系统作为智能制造核心控制中枢，功能是根据控制指令，对系统终端进行精确运动控制，主要包含电机和控制器。伺服系统广泛应用于军事、工业装备，在机载、舰载、车载等领域的侦查、瞄准、打击、行进等大系统或子系统中起重要甚至关键作用，如导弹发射装置、火炮随动系统、舰船武器转运保障系统的运动控制、雷达天线的自动跟踪系统，航空航天仿真平台的仿真控制，车辆自动调平、无人车动力驱动、轻武器及侦查装置自动瞄准等，通过闭环控制和高速算法大幅提升执行机构动作的响应性、准确性和可靠性，高效完成军用自动化装备执行机构所需的各类动作。

现在电驱动系统里有一个重要的问题：因所处环境恶劣、易受冲击振动等，常常存在电气故障而导致系统不能稳定、可靠运行，不解决的话，将会导致军事装备撤出战斗。随着多电飞机、新能源汽车、工业机器人的飞速发展，对伺服系统的要求也越来越高，除了要满足特定功能外，还必须具备高可靠性和强容错性，因此容错伺服系统得到了越来越多的关注。

中国专利公开号CN 111740683 A，公开日2020.10.02，发明名称是一种永磁容错电机位置传感器的故障诊断方法，该专利公开了一种基于滑模观测器的永磁同步电机位置传感器故障诊断方法，可有效针对双绕组永磁容错电机位置传感器进行故障诊断。中国专利公开号CN 109361335 A，公开日2019.02.19，发明名称是一种基于永磁容错电机的电驱动系统及其容错控制方法，该专利公开了一种基于永磁容错电机的电驱动系统及其容错控制方法，实现了永磁容错电机驱动系统的快速动态响应和精确定位，以及不同电气故障单独或同时出现的容错控制。

目前，现有的电驱动系统控制技术方案仍然存在一些不足之处：(a)对于一些工作在特殊环境下的电驱动系统而言，由于所处恶劣环境、易受冲击振动等，电气故障是客观存在的，如功率开关管开路故障、位置传感器故障、功率管间歇性开路故障、电机绕组开路故障，任何单一的电气故障的发生都将影响到系统的稳定运行和可靠性，而现有的系统中对其研究还有待进一步深入；(b)对于电驱动系统在实际应用中，除了单一电气故障的发生，还可能会存在系统多相绕组或多个功率开关管同时故障的情况，而现有的系统中对其研究还有待进一步深入。

综上所述，现有容错伺服系统的研究中，针对伺服系统的多模态容错运行仍有待深入研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种碳化硅基高可靠电驱动系统多模态容错控制方法，使其能够实现系统功率管开路故障、功率管间歇性开路故障、位置传感器故障、电机绕组开路故障以及多相绕组或多个功率管同时开路故障的容错控制，可实现电驱动系统在高机动复杂条件下仍然能够稳定、可靠的运行，解决电驱动系统的高可靠性和高功率密度应用问题，提升电机驱动系统的任务安全性、功率密度和可靠性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种碳化硅基高可靠电驱动系统多模态容错控制方法，包括以下步骤：

步骤1、构建双绕组永磁容错电机的碳化硅基高可靠电驱动系统，完成各个模块的搭建和整个驱动系统的整合；永磁容错电机的碳化硅基高可靠电驱动系统结构包含一台高可靠性的双绕组永磁容错电机、两套逆变器、两个双向晶闸管TR1和TR2、一个独立270V的电驱动用直流电源、电流传感器、位置传感器和控制器；所述的双绕组永磁容错电机包括十二槽定子和十极表贴式永磁体转子，其中十二槽定子中包含两套相互独立且对称设置的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组，分别为ABC套绕组和XYZ套绕组；所述的两套逆变器为两套碳化硅基高功率密度三相全桥驱动电路，第一套碳化硅基逆变器包含功率管M1、M2、M3、M4、M5、M6，对ABC套绕组进行驱动，第二套碳化硅基逆变器包含功率管M7、M8、M9、M10、M11、M12，对XYZ套绕组进行驱动；

步骤2、根据电驱动系统的健康状态将系统分为7个模态，共包含7个运行模式，具体为碳化硅基高可靠电驱动系统正常态运行模式、系统单一功率管开路故障态运行模式、系统多个功率管开路故障态运行模式、系统功率管间歇性开路故障态运行模式、电机单相绕组开路故障态运行模式、电机多相绕组开路故障态运行模式和系统位置传感器故障态运行模式；

步骤3、依据开路故障诊断器模块和位置传感器故障诊断与处理模块，对系统故障的识别与定位，根据故障诊断结果进行不同的运行模式，具体如下：

当系统正常运行时，系统采用i_d＝0的矢量控制策略，通过外环速度控制器、内环电流控制器分别驱动逆变器1和逆变器2，实现双绕组永磁容错电机的正常运行；

当系统出现开路故障情况时，主要针对电机绕组开路故障态运行和系统功率开关管开路故障态运行，依据电机绕组开路故障和功率开关管开路故障诊断与处理，通过开路故障诊断器进行系统开路故障的识别与定位，然后送入开路故障处理器处理，故障处理器根据具体的故障情况进行双向晶闸管通断控制，以及给出不同故障态时的SVPWM调制策略，实现DFPM电机的开路故障容错运行；此外，为了防止系统运行在空载或轻载情况下容易出现开路故障误判断的问题，采用了防空载或轻载误判断处理器；

当系统出现位置传感器故障情况时，将位置传感器检测到的电机转子实际位置信号θ_e、实际转速值ω_e和通过基于滑模观测器的位置与转速信号估算模块估计得出的电机转子位置估计值

转速的估计值

送入位置传感器故障诊断与处理模块进行处理；若系统处于正常态，输出的转子位置信号θ_temp＝θ_r，若系统处于位置传感器故障态，输出的转子位置信号

进一步的，对于开路故障诊断器模块，开路故障诊断方法包括以下步骤：

步骤1、电流采样并求取基准值；将双绕组永磁容错电机的电流i_A、i_B、i_C和i_X、i_Y、i_Z进行低通滤波处理，分别通过Park变换为d-q坐标轴下的电流i_dm和i_qm，再将静止坐标系下电流的值通过矢量处理器求得归一化相电流基准值为：

式中，|i_sm|为每套绕组相电流Park矢量基准值，m＝1、2；

步骤2、归一化处理；将采集到的三相电流利用三相电流Park矢量基准值进行归一化处理，处理公式为：

式中，i_nN为归一化处理后的相电流，n＝A、B、C、X、Y、Z；

步骤3、求取故障诊断变量；将归一化相电流i_nN经过平均值和绝对值平均电流计算得到<i_nN>和|i_nN|，利用平均电流判断故障准则得到平均电流故障诊断信号M_n；

平均电流故障诊断准则为：

I_n＝<i_nN>/I₀

式中I_n归一化平均电流诊断变量，I₀为归一化平均电流诊断常数；当驱动系统存在下桥臂功率管开路故障时，存在I_N＞1，则M_n＝H_M；当驱动系统存在上桥臂功率管开路故障时，存在I_N＜-1，则M_n＝L_M；当驱动系统正常工作或存在相开路故障时，存在-1≤I_n≤1，则M_n＝N_M；

将电流绝对值的平均<|i_nN|>和正常运行状态的绝对值的平均电流的最小值min做差处理后，利用绝对值的平均电流故障诊断准则进行故障预诊断，得到绝对值的平均电流判断的故障诊断信号D_n；

绝对值的平均电流故障诊断准则为：

式中，d_n为归一化相电流绝对值的平均值在正常运行状态与故障情况偏差，M为绝对值的平均电流的最大值，min为绝对值的平均电流的最小值；当系统处于正常运行状态时，存在d_n＞2/3，则D_n＝N_D；当系统存在单一功率管开路故障时，存在1/3＜d_n≤2/3，则D_n＝H_D；当系统存在绕组开路故障时，存在d_n≤1/3，则D_n＝L_D；

利用归一化电流平均诊断变量极值比诊断功率管间歇性开路故障：

I_ng＝<i_nN>/I_g

I_k＝I_t/I_g

式中，Q_n为平均电流判断的故障诊断信号，I_t为单功率管开路故障平均电流值判断阈值，I_j和I_k为功率管间歇性故障判断阈值，I_g＝0.1；当驱动系统下桥臂功率管出现间歇性开路故障时，存在I_j＜I_ng＜I_k，则Q_n＝X；当驱动系统上桥臂功率管出现间歇性开路故障时，存在-I_k＜I_ng＜I_j，则Q_n＝S；当驱动系统正常工作时，存在-I_j≤I_ng≤I_j，则Q_n＝Z。

步骤4、故障识别与定位；根据步骤3的故障诊断准则对系统故障进行识别与定位；故障定位与识别诊断方法具体为：

当D_A＝H_D且M_A＝L_M时，系统发生M1开路故障；当D_A＝H_D且M_A＝H_M时，系统发生M2开路故障；当D_A＝L_D且M_A＝N_M时，系统发生A相绕组开路故障；当D_B＝H_D且M_B＝L_M时，系统发生M3开路故障；当D_B＝H_D且M_B＝H_M时，系统发生M4开路故障；当D_B＝L_D且M_B＝N_M时，系统发生B相绕组开路故障；当D_C＝H_D且M_C＝L_M时，系统发生M5开路故障；当D_C＝H_D且M_C＝H_M时，系统发生M6开路故障；当D_C＝L_D且M_C＝N_M时，系统发生C相绕组开路故障；

当D_X＝H_D且M_X＝L_M时，系统发生M7开路故障；当D_X＝H_D且M_X＝H_M时，系统发生M8开路故障；当D_X＝L_D且M_X＝N_M时，系统发生X相绕组开路故障；当D_Y＝H_D且M_Y＝L_M时，系统发生M9开路故障；当D_Y＝H_D且M_Y＝H_M时，系统发生M10开路故障；当D_Y＝L_D且M_Y＝N_M时，系统发生Y相绕组开路故障；当D_Z＝H_D且M_Z＝L_M时，系统发生M11开路故障；当D_Z＝H_D且M_Z＝H_M时，系统发生M12开路故障；当D_Z＝L_D且M_Z＝N_M时，系统发生Z相绕组开路故障；

当D_A＝H_D且Q_A＝S时，系统发生M1间歇性开路故障；当D_A＝H_D且Q_A＝X时，系统发生M2间歇性开路故障；当D_B＝H_D且Q_B＝S时，系统发生M3间歇性开路故障；当D_B＝H_D且Q_B＝X时，系统发生M4间歇性开路故障；当D_C＝H_D且Q_C＝S时，系统发生M5间歇性开路故障；当D_C＝H_D且Q_C＝X时，系统发生M6间歇性开路故障；

当D_X＝H_D且Q_X＝S时，系统发生M7间歇性开路故障；当D_X＝H_D且Q_X＝X时，系统发生M8间歇性开路故障；当D_Y＝H_D且Q_Y＝S时，系统发生M9间歇性开路故障；当D_Y＝H_D且Q_Y＝X时，系统发生M10间歇性开路故障；当D_Z＝H_D且Q_Z＝S时，系统发生M11间歇性开路故障；当D_Z＝H_D且Q_Z＝X时，系统发生M12间歇性开路故障。

进一步的，对于位置传感器故障诊断与处理模块，位置传感器故障诊断方法包括以下步骤：

步骤1、将双绕组永磁容错电机的各相电压和电流通过Clark和Park变换分别得到d-q坐标轴下的电压u_d1、u_d2、u_q1、u_q2和电流i_d1、i_d2、i_q1、i_q2；

步骤2、通过滑模观测器得到转子位置的观测值

和转速的观测值

将观测得到的转子位置

分别与位置传感器检测到的θ_e作差得到位置残差与位置阈值ε_θ进行比较；再将观测得到的

分别与位置传感器检测到的ω_e作差得到的转速残差与转速阈值ε_ω进行比较，从而进行故障诊断；

步骤3、进行位置传感器故障诊断，具体故障诊断方法为：当位置传感器发生卡死故障时，则存在

判定位置传感器出现卡死故障；当位置传感器发生偏移故障时，则存在

判定位置传感器出现偏移故障；当位置传感器发生断线故障时，则在t_m≤t＜t_n期间，恒存在|θ_e|＝0且|t_m-t_n|≥T，判定位置传感器出现断线故障，其中t_m和t_n为电机运行期间的任意两个时刻，T为断线故障诊断阈值。

进一步的，对于开路故障处理器模块，其特征在于，可针对不同的开路故障情况进行控制，具体方法为：

当系统正常运行时，两个双向晶闸管TR1和TR2都处于断开状态，两个碳化硅基高功率密度逆变器驱动永磁容错电机运行，每套绕组各承担50％的功率；

当系统出现单一功率管开路故障、间歇性开路故障或单相绕组开路故障时，封锁故障相PWM信号，接通故障套绕组对应的双向晶闸管，并对故障套绕组剩余健康相进行调幅调相处理；

当系统两套绕组均有一相出现单一功率管开路故障、间歇性开路故障或绕组开路故障时，封锁相对应故障相PWM信号，接通两套绕组的双向晶闸管，对每套绕组的剩余健康相分别进行调幅调相处理；

当系统一套绕组出现多个功率管开路故障、间歇性故障或多相绕组开路故障时，则将该故障相绕组切除，并由另一套绕组出双倍功率，实现电机的容错运行；

当系统出现一套绕组一相发生故障，另一套绕组发生多相故障，则将发生多相故障套绕组切除，发生一相故障套绕组封锁故障相PWM信号，导通对应的双向晶闸管，并对发生单相故障套绕组剩余两相进行调幅调相处理，承担双倍功率，实现电机的容错运行。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.相比于现有的单一故障诊断策略和容错控制，本发明包含针对多种故障的诊断策略，以及相应的容错控制策略。针对不同故障，采取不同的容错控制模式，提高了系统的可靠性。

2.本发明能够实现系统功率管开路故障、功率管间歇性开路故障、位置传感器故障、电机绕组开路故障以及多相绕组或多个功率管同时开路故障的容错控制。

3.本发明确保了电驱动系统在高机动复杂条件下仍然能够稳定、可靠的运行。

4.本发明在实现电驱动系统高可靠运行的同时，使电驱动系统具有高功率密度和轻量化的优点。

附图说明

图1为碳化硅基高功率密度高可靠容错电驱动系统结构；

图2为碳化硅基高功率密度高可靠容错电驱动系统多模态运行模式；

图3为碳化硅基高功率密度高可靠电驱动系统多模态容错控制策略框图；

图4为未采取容错控制策略时A相绕组开路故障转速波形；

图5为未采取容错控制策略时A相绕组开路故障转矩波形；

图6为A相绕组开路故障时采用电机单相绕组开路故障态运行模式转速波形；

图7为A相绕组开路故障时采用电机单相绕组开路故障态运行模式转矩波形；

图8为位置传感器故障状态下不采取容错控制策略时的输出转速波形；

图9为位置传感器故障状态下不采取容错控制策略时的输出转矩波形；

图10为采用系统位置传感器故障态运行模式下的输出转速波形；

图11为采用系统位置传感器故障态运行模式下的输出转矩波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。

实施例1

一种碳化硅基高可靠电驱动系统多模态容错控制方法，包括以下步骤：

步骤1、如图1所示，构建双绕组永磁容错电机的碳化硅基高可靠电驱动系统，完成各个模块的搭建和整个驱动系统的整合；永磁容错电机的碳化硅基高可靠电驱动系统结构包含一台高可靠性的双绕组永磁容错电机、两套逆变器、两个双向晶闸管TR1和TR2、一个独立270V的电驱动用直流电源、电流传感器、位置传感器和控制器；所述的双绕组永磁容错电机包括十二槽定子和十极表贴式永磁体转子，其中十二槽定子中包含两套相互独立且对称设置的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组，分别为ABC套绕组和XYZ套绕组；所述的两套逆变器为两套碳化硅基高功率密度三相全桥驱动电路，第一套碳化硅基逆变器包含功率管M1、M2、M3、M4、M5、M6，对ABC套绕组进行驱动，第二套碳化硅基逆变器包含功率管M7、M8、M9、M10、M11、M12，对XYZ套绕组进行驱动；

步骤2、如图2所示碳化硅基高功率密度高可靠容错电驱动系统多模态运行模式，根据电驱动系统的健康状态将系统分为7个模态，共包含7个运行模式，具体为碳化硅基高可靠电驱动系统正常态运行模式、系统单一功率管开路故障态运行模式、系统多个功率管开路故障态运行模式、系统功率管间歇性开路故障态运行模式、电机单相绕组开路故障态运行模式、电机多相绕组开路故障态运行模式和系统位置传感器故障态运行模式；

如图3所示为碳化硅基高功率密度高可靠电驱动系统多模态容错控制策略，分别采集DFPM电机绕组中绕组A、B、C和绕组X、Y、Z的电流i_A、i_B、i_C和i_X、i_Y、i_Z，以及通过位置传感器采集电机转子实际位置信号θ_r。

步骤3、依据开路故障诊断器模块和位置传感器故障诊断与处理模块，对系统故障的识别与定位，根据故障诊断结果进行不同的运行模式，具体如下：

当系统正常运行时，系统采用i_d＝0的矢量控制策略，通过外环速度控制器、内环电流控制器分别驱动逆变器1和逆变器2，实现双绕组永磁容错电机的正常运行；

当系统出现开路故障情况时，主要针对电机绕组开路故障态运行和系统功率开关管开路故障态运行，依据电机绕组开路故障和功率开关管开路故障诊断与处理，通过开路故障诊断器进行系统开路故障的识别与定位，然后送入开路故障处理器处理，故障处理器根据具体的故障情况进行双向晶闸管通断控制，以及给出不同故障态时的SVPWM调制策略，实现DFPM电机的开路故障容错运行；此外，为了防止系统运行在空载或轻载情况下容易出现开路故障误判断的问题，采用了防空载或轻载误判断处理器；

当系统出现位置传感器故障情况时，将位置传感器检测到的电机转子实际位置信号θ_e、实际转速值ω_e和通过基于滑模观测器的位置与转速信号估算模块估计得出的电机转子位置估计值

转速的估计值

送入位置传感器故障诊断与处理模块进行处理；若系统处于正常态，输出的转子位置信号θ_temp＝θ_r，若系统处于位置传感器故障态，输出的转子位置信号

进一步的，开路故障诊断器模块，其特征在于，对开路故障进行诊断，诊断方法包括以下步骤：

步骤1、电流采样并求取基准值；将双绕组永磁容错电机的电流i_A、i_B、i_C和i_X、i_Y、i_Z进行低通滤波处理，通过Park分别变换为d-q坐标轴下的电流i_dm和i_qm，再将静止坐标系下电流的值通过矢量处理器求得归一化相电流基准值为：

式中，|i_sm|为每套绕组相电流Park矢量基准值，m＝1、2；

步骤2、归一化处理；将采集到的三相电流利用三相电流Park矢量基准值进行归一化处理，处理公式为：

式中，i_nN为归一化处理后的相电流，n＝A、B、C、X、Y、Z；

步骤3、求取故障诊断变量；将归一化相电流i_nN经过平均值和绝对值平均电流计算得到<i_nN>和|i_nN|，利用平均电流故障诊断准则得到平均电流故障诊断信号M_n；

平均电流故障诊断准则为：

I_n＝<i_nN>/I₀

式中I_n为归一化平均电流诊断变量，I₀为归一化平均电流诊断常数；当驱动系统存在下桥臂功率管开路故障时，存在I_N＞1，则M_n＝H_M；当驱动系统存在上桥臂功率管开路故障时，存在I_N＜-1，则M_n＝L_M；当驱动系统正常工作或存在相开路故障时，存在-1≤I_n≤1，则M_n＝N_M；

将电流绝对值的平均<|i_nN|>和正常运行状态的绝对值的平均电流的最小值min做差处理后，利用绝对值的平均电流判断故障准则进行故障预诊断，得到绝对值的平均电流判断的故障诊断信号D_n；

绝对值的平均电流故障诊断准则为：

式中，d_n为归一化相电流绝对值的平均值在正常运行状态与故障情况偏差，M为绝对值的平均电流的最大值，min为绝对值的平均电流的最小值；当系统处于正常运行状态时，存在d_n＞2/3，则D_n＝N_D；当系统存在单一功率管开路故障时，存在1/3＜d_n≤2/3，则D_n＝H_D；当系统存在绕组开路故障时，存在d_n≤1/3，则D_n＝L_D；

利用归一化电流平均诊断变量极值比诊断功率管间歇性开路故障：

I_ng＝<i_nN>/I_g

I_k＝I_t/I_g

式中，Q_n为平均电流判断的故障诊断信号，I_t为单功率管开路故障平均电流值判断阈值，I_j和I_k为功率管间歇性故障判断阈值，I_g＝0.1；当驱动系统下桥臂功率管出现间歇性开路故障时，存在I_j＜I_ng＜I_k，则Q_n＝X；当驱动系统上桥臂功率管出现间歇性开路故障时，存在-I_k＜I_ng＜I_j，则Q_n＝S；当驱动系统正常工作时，存在-I_j≤I_ng≤I_j，则Q_n＝Z；

步骤4、故障识别与定位；根据步骤3的故障诊断准则对系统故障进行识别与定位；故障定位与识别诊断方法具体为：

当D_A＝H_D且M_A＝L_M时，系统发生M1开路故障；当D_A＝H_D且M_A＝H_M时，系统发生M2开路故障；当D_A＝L_D且M_A＝N_M时，系统发生A相绕组开路故障；当D_B＝H_D且M_B＝L_M时，系统发生M3开路故障；当D_B＝H_D且M_B＝H_M时，系统发生M4开路故障；当D_B＝L_D且M_B＝N_M时，系统发生B相绕组开路故障；当D_C＝H_D且M_C＝L_M时，系统发生M5开路故障；当D_C＝H_D且M_C＝H_M时，系统发生M6开路故障；当D_C＝L_D且M_C＝N_M，系统发生C相绕组开路故障；

当D_X＝H_D且M_X＝L_M时，系统发生M7开路故障；当D_X＝H_D且M_X＝H_M时，系统发生M8开路故障；当D_X＝L_D且M_X＝N_M时，系统发生X相绕组开路故障；当D_Y＝H_D且M_Y＝L_M时，系统发生M9开路故障；当D_Y＝H_D且M_Y＝H_M时，系统发生M10开路故障；当D_Y＝L_D且M_Y＝N_M时，系统发生Y相绕组开路故障；当D_Z＝H_D且M_Z＝L_M时，系统发生M11开路故障；当D_Z＝H_D且M_Z＝H_M时，系统发生M12开路故障；当D_Z＝L_D且M_Z＝N_M，系统发生Z相绕组开路故障。

当D_A＝H_D且Q_A＝S时，系统发生M1间歇性开路故障；当D_A＝H_D且Q_A＝X时，系统发生M2间歇性开路故障；当D_B＝H_D且Q_B＝S时，系统发生M3间歇性开路故障；当D_B＝H_D且Q_B＝X时，系统发生M4间歇性开路故障；当D_C＝H_D且Q_C＝S时，系统发生M5间歇性开路故障；当D_C＝H_D且Q_C＝X时，系统发生M6间歇性开路故障；

当D_X＝H_D且Q_X＝S时，系统发生M7间歇性开路故障；当D_X＝H_D且Q_X＝X时，系统发生M8间歇性开路故障；当D_Y＝H_D且Q_Y＝S时，系统发生M9间歇性开路故障；当D_Y＝H_D且Q_Y＝X时，系统发生M10间歇性开路故障；当D_Z＝H_D且Q_Z＝S时，系统发生M11间歇性开路故障；当D_Z＝H_D且Q_Z＝X时，系统发生M12间歇性开路故障。

进一步的，对于位置传感器故障诊断与处理模块，位置传感器故障诊断方法包括以下步骤：

步骤1、将双绕组永磁容错电机的各相电压和电流通过Clark和Park变换分别得到d-q坐标轴下的电压u_d1、u_d2、u_q1、u_q2和电流i_d1、i_d2、i_q1、i_q2；

步骤2、通过滑模观测器得到转子位置的观测值

和转速的观测值

将观测得到的转子位置

分别与位置传感器检测到的θ_e作差得到位置残差与位置阈值ε_θ进行比较；再将观测得到的

分别与位置传感器检测到的ω_e作差得到的转速残差与转速阈值ε_ω进行比较，从而进行故障诊断；

步骤3、进行位置传感器故障诊断，具体故障诊断方法为：当位置传感器发生卡死故障时，则存在

判定位置传感器出现卡死故障；当位置传感器发生偏移故障时，则存在

判定位置传感器出现偏移故障；当位置传感器发生断线故障时，则在t_m≤t＜t_n期间，恒存在|θ_e|＝0且|t_m-t_n|≥T，判定位置传感器出现断线故障，其中t_m和t_n为电机运行期间的任意两个时刻，T为断线故障诊断阈值。

进一步的，对于开路故障处理器模块，针对不同的故障情况进行控制的具体方法为：

当系统正常运行时，两个双向晶闸管TR1和TR2都处于断开状态，两个碳化硅基高功率密度逆变器驱动永磁容错电机运行，每套绕组各承担50％的功率；

当系统出现单一功率管开路故障、间歇性开路故障或单相绕组开路故障时，封锁故障相PWM信号，接通故障套绕组对应的双向晶闸管，并对故障套绕组剩余健康相进行调幅调相处理；

当系统两套绕组均有一相出现单一功率管开路故障、间歇性开路故障或绕组开路故障时，封锁相对应故障相PWM信号，接通两套绕组的双向晶闸管，对每套绕组的剩余健康相分别进行调幅调相处理；

当系统一套绕组出现多个功率管开路故障、间歇性故障或多相绕组开路故障时，则将该故障相绕组切除，并由另一套绕组出双倍功率，实现电机的容错运行；

当系统出现一套绕组一相发生故障，另一套绕组发生多相故障，则将发生多相故障套绕组切除，发生一相故障套绕组封锁故障相PWM信号，导通对应的双向晶闸管，并对发生单相故障套绕组剩余两相进行调幅调相处理，承担双倍功率，实现电机的容错运行。

实施例2

基于双绕组永磁容错电机的碳化硅基高功率密度高可靠容错电驱动系统结构如图1所示，其包含一台双绕组永磁容错电机、两套三相全桥驱动电路(M1、M2、M3、M4、M5、M6和M7、M8、M9、M10、M11、M12)、两个双向晶闸管(TR1和TR2)以及一个独立270V的电驱动用直流电源(Udc)。

基于DFPM电机的电驱动系统结构中，双绕组永磁容错电机的ABC绕组是由M1、M2、M3、M4、M5、M6组成的三相全桥电路进行驱动控制，DFPM电机的XYZ绕组是由M7、M8、M9、M10、M11、M12组成的三相全桥电路进行驱动控制，两套绕组在正常运行时分别输出50％的功率，两个双向晶闸管在系统正常运行时都处于断开状态。

健康状态下DFPM电机的各相电流如下：

当双绕组永磁容错电机的一相出现绕组开路故障时，对应的双向晶闸管将处于开通状态，构成带中性点的功率变换电路，因为故障发生时，不带中性点的功率变换电路只有两个自由度控制，将不能满足容错运行的需要，而双向晶闸管开通后将为故障情况下的系统增加一个可控制的自由度，从而可实现系统容错运行的控制。同时利用两个电容对剩余两相的电流进行调幅调相处理，省去了两个功率管，且无需额外的算法进行控制。

以A相绕组发生开路故障为例，要保证电机内的旋转磁场不变有，故障状态下的容错电流如下所示：

图4为未采取容错控制策略时A相绕组开路故障转速波形，图5为未采取容错控制策略时A相绕组开路故障转矩波形，由图可知，单相绕组开路故障后不采取容错运行模式，将会导致转矩转速发生较大的波动，从而影响系统的正常运行。图6为A相绕组开路故障时采用电机单相绕组开路故障态运行模式转速波形，图7为A相绕组开路故障时采用电机单相绕组开路故障态运行模式转矩波形，由图可知，相对于未采用故障态运行模式而言，采用故障态运行模式后的转速和转矩波形都得到很大的改善，从而保证电驱动系统的正常运行。

当系统两套绕组各一相发生开路故障，以A、X相发生开路故障为例，封锁A、X相驱动信号，同时导通ABC套绕组对应双向晶闸管TR1和XYZ套绕组对应双向晶闸管TR2，要保证电机内的旋转磁场不变有，故障状态下的容错电流如下所示：

当系统发生多相开路故障时，以A、X、Y相开路为例，切除XYZ套绕组，保留ABC套绕组，封锁A、X、Y、Z相驱动信号，同时导通双向晶闸管TR1，要保证电机内的旋转磁场不变有，故障状态下的容错电流如下所示：

实施例3

在一些特殊环境下，由于所处的环境恶劣、易受冲击振动等，电机系统发生故障的概率增大，其中位置传感器故障就是常见故障之一。位置传感器属于高精度类传感器，在一些特定的工作场景中，比如高温、潮湿以及振动比较强的工况下，长时间的工作往往会导致位置传感器的断线、卡死以及偏移故障的发生。出现位置传感器故障后会导致速度环和位置环工作异常，电机性能下降，从而导致更严重的事故发生。

位置传感器故障发生在零低速启动阶段概率较低，对此本发明的系统位置传感器故障态运行模式主要针对发生位置传感器故障概率较高的中高速运行阶段。系统设计在零低速时采用位置传感器进行控制，确保在低速段空载/带载时平稳启动，在位置传感器故障发生率较高的中高速运行阶段，采用基于滑模观测器的位置传感器故障容错控制策略。

当系统出现位置传感器故障情况时，将位置传感器检测到的电机转子实际位置信号θ_e、实际转速值ω_e和通过基于滑模观测器的位置与转速信号估算模块估计得出的电机转子位置估计值

转速的估计值

送入位置传感器故障诊断与处理模块进行处理。若系统处于正常态，输出的转子位置信号θ_temp＝θ_r，若系统处于位置传感器故障态，输出的转子位置信号

以位置传感器偏移故障为例，图8和图9为位置传感器故障状态下不采取容错控制策略时的输出转速转矩波形。在电机平稳运行后给位置传感器的角度施加-50°的偏移故障，未采用容错控制策略时可观察到图8中转速波形出现明显振荡，图9中转矩波形脉动增大，运行状态不够稳定。

图10和图11为采用系统位置传感器故障态运行模式下的输出转速转矩波形，由图10可知，故障发生后，在故障诊断和控制模式切换期间，转速波形出现一定振荡，随后逐渐恢复平稳，转速波形的振荡幅度大幅降低，恢复至故障前正常运行状态。由图11可知，故障后在故障诊断和控制模式切换过程中的转矩波形出现一定的振荡，随后逐渐恢复平稳，转矩脉动大幅度降低，恢复至故障前正常运行状态，保证了电驱动系统的正常运行。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种碳化硅基高可靠电驱动系统多模态容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建双绕组永磁容错电机的碳化硅基高可靠电驱动系统，完成各个模块的搭建和整个驱动系统的整合；永磁容错电机的碳化硅基高可靠电驱动系统结构包含一台高可靠性的双绕组永磁容错电机、两套逆变器、两个双向晶闸管TR1和TR2、一个独立270V的电驱动用直流电源、电流传感器、位置传感器和控制器；所述的双绕组永磁容错电机包括十二槽定子和十极表贴式永磁体转子，其中十二槽定子中包含两套相互独立且对称设置的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组，分别为ABC套绕组和XYZ套绕组；所述的两套逆变器为两套碳化硅基高功率密度三相全桥驱动电路，第一套碳化硅基逆变器包含功率管M1、M2、M3、M4、M5、M6，对ABC套绕组进行驱动，第二套碳化硅基逆变器包含功率管M7、M8、M9、M10、M11、M12，对XYZ套绕组进行驱动；

步骤2、根据电驱动系统的健康状态将系统分为7个模态，共包含7个运行模式，具体为碳化硅基高可靠电驱动系统正常态运行模式、系统单一功率管开路故障态运行模式、系统多个功率管开路故障态运行模式、系统功率管间歇性开路故障态运行模式、电机单相绕组开路故障态运行模式、电机多相绕组开路故障态运行模式和系统位置传感器故障态运行模式；

步骤3、利用开路故障诊断器模块对开路故障进行诊断，诊断方法包括以下步骤：

步骤3.1、电流采样并求取基准值；将双绕组永磁容错电机的电流i_A、i_B、i_C和i_X、i_Y、i_Z进行低通滤波处理，分别通过Park变换为d-q坐标轴下的电流i_dm和i_qm，再将静止坐标系下电流的值通过矢量处理器求得归一化相电流基准值为：

式中，|i_sm|为每套绕组相电流Park矢量基准值，m＝1、2；

步骤3.2、归一化处理；将采集到的三相电流利用三相电流Park矢量基准值进行归一化处理，处理公式为：

式中，i_nN为归一化处理后的相电流，n＝A、B、C、X、Y、Z；

步骤3.3、求取故障诊断变量；将归一化相电流i_nN经过平均值和绝对值平均电流计算得到<i_nN>和|i_nN|，利用平均电流故障诊断准则得到平均电流故障诊断信号M_n；

平均电流故障诊断准则为：

I_n＝<i_nN>/I₀

式中I_n为归一化平均电流诊断变量，I₀为归一化平均电流诊断常数；当驱动系统存在下桥臂功率管开路故障时，存在I_n＞1，则M_n＝H_M；当驱动系统存在上桥臂功率管开路故障时，存在I_n＜-1，则M_n＝L_M；当驱动系统正常工作或存在相开路故障时，存在-1≤I_n≤1，则M_n＝N_M；

将电流绝对值的平均<|i_nN|>和正常运行状态的绝对值的平均电流的最小值min做差处理后，利用绝对值的平均电流故障诊断准则进行故障预诊断，得到绝对值的平均电流判断的故障诊断信号D_n；

绝对值的平均电流故障诊断准则为：

式中，d_n为归一化相电流绝对值的平均值在正常运行状态与故障情况偏差，M为绝对值的平均电流的最大值，min为绝对值的平均电流的最小值；当系统处于正常运行状态时，存在d_n＞2/3，则D_n＝N_D；当系统存在单一功率管开路故障时，存在1/3＜d_n≤2/3，则D_n＝H_D；当系统存在绕组开路故障时，存在d_n≤1/3，则D_n＝L_D；

利用归一化电流平均诊断变量极值比诊断功率管间歇性开路故障：

I_ng＝<i_nN>/I_g

I_k＝I_t/I_g

式中，Q_n为平均电流判断的故障诊断信号，I_t为单功率管开路故障平均电流值判断阈值，I_j和I_k为功率管间歇性故障判断阈值，I_g＝0.1；当驱动系统下桥臂功率管出现间歇性开路故障时，存在I_j＜I_ng＜I_k，则Q_n＝X；当驱动系统上桥臂功率管出现间歇性开路故障时，存在-I_k＜I_ng＜I_j，则Q_n＝S；当驱动系统正常工作时，存在-I_j≤I_ng≤I_j，则Q_n＝Z；

步骤3.4、故障识别与定位；根据步骤3.3的故障诊断准则对系统故障进行识别与定位；故障定位与识别诊断方法具体为：

当D_A＝H_D且M_A＝L_M时，系统发生M1开路故障；当D_A＝H_D且M_A＝H_M时，系统发生M2开路故障；当D_A＝L_D且M_A＝N_M时，系统发生A相绕组开路故障；当D_B＝H_D且M_B＝L_M时，系统发生M3开路故障；当D_B＝H_D且M_B＝H_M时，系统发生M4开路故障；当D_B＝L_D且M_B＝N_M时，系统发生B相绕组开路故障；当D_C＝H_D且M_C＝L_M时，系统发生M5开路故障；当D_C＝H_D且M_C＝H_M时，系统发生M6开路故障；当D_C＝L_D且M_C＝N_M时，系统发生C相绕组开路故障；

当D_X＝H_D且M_X＝L_M时，系统发生M7开路故障；当D_X＝H_D且M_X＝H_M时，系统发生M8开路故障；当D_X＝L_D且M_X＝N_M时，系统发生X相绕组开路故障；当D_Y＝H_D且M_Y＝L_M时，系统发生M9开路故障；当D_Y＝H_D且M_Y＝H_M时，系统发生M10开路故障；当D_Y＝L_D且M_Y＝N_M时，系统发生Y相绕组开路故障；当D_Z＝H_D且M_Z＝L_M时，系统发生M11开路故障；当D_Z＝H_D且M_Z＝H_M时，系统发生M12开路故障；当D_Z＝L_D且M_Z＝N_M时，系统发生Z相绕组开路故障；

当D_A＝H_D且Q_A＝S时，系统发生M1间歇性开路故障；当D_A＝H_D且Q_A＝X时，系统发生M2间歇性开路故障；当D_B＝H_D且Q_B＝S时，系统发生M3间歇性开路故障；当D_B＝H_D且Q_B＝X时，系统发生M4间歇性开路故障；当D_C＝H_D且Q_C＝S时，系统发生M5间歇性开路故障；当D_C＝H_D且Q_C＝X时，系统发生M6间歇性开路故障；

当D_X＝H_D且Q_X＝S时，系统发生M7间歇性开路故障；当D_X＝H_D且Q_X＝X时，系统发生M8间歇性开路故障；当D_Y＝H_D且Q_Y＝S时，系统发生M9间歇性开路故障；当D_Y＝H_D且Q_Y＝X时，系统发生M10间歇性开路故障；当D_Z＝H_D且Q_Z＝S时，系统发生M11间歇性开路故障；当D_Z＝H_D且Q_Z＝X时，系统发生M12间歇性开路故障；

步骤4、依据开路故障诊断器模块和位置传感器故障诊断与处理模块，对系统故障的识别与定位，根据故障诊断结果进行不同的运行模式，具体如下：

当系统正常运行时，系统采用i_d＝0的矢量控制策略，通过外环速度控制器、内环电流控制器分别驱动逆变器1和逆变器2，实现双绕组永磁容错电机的正常运行；

当系统出现开路故障情况时，主要针对电机绕组开路故障态运行和系统功率开关管开路故障态运行，依据电机绕组开路故障和功率开关管开路故障诊断与处理，通过开路故障诊断器进行系统开路故障的识别与定位，然后送入开路故障处理器处理，故障处理器根据具体的故障情况进行双向晶闸管通断控制，以及给出不同故障态时的SVPWM调制策略，实现DFPM电机的开路故障容错运行；此外，为了防止系统运行在空载或轻载情况下容易出现开路故障误判断的问题，采用了防空载或轻载误判断处理器；

当系统出现位置传感器故障情况时，将位置传感器检测到的电机转子实际位置信号θ_e、实际转速值ω_e和通过基于滑模观测器的位置与转速信号估算模块估计得出的电机转子位置估计值

转速的估计值

送入位置传感器故障诊断与处理模块进行处理；若系统处于正常态，输出的转子位置信号θ_temp＝θ_r，若系统处于位置传感器故障态，输出的转子位置信号

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅基高可靠电驱动系统多模态容错控制方法，其特征在于，步骤4所述的位置传感器故障诊断与处理模块，可对位置传感器故障进行诊断，诊断方法包括以下步骤：

步骤1、将双绕组永磁容错电机的各相电压和电流通过Clark和Park变换分别得到d-q坐标轴下的电压u_d1、u_d2、u_q1、u_q2和电流i_d1、i_d2、i_q1、i_q2；

步骤2、通过滑模观测器得到转子位置的观测值

和转速的观测值

将观测得到的转子位置

分别与位置传感器检测到的θ_e作差得到位置残差与位置阈值ε_θ进行比较；再将观测得到的

分别与位置传感器检测到的ω_e作差得到的转速残差与转速阈值ε_ω进行比较，从而进行故障诊断；

步骤3、进行位置传感器故障诊断，具体故障诊断方法为：当位置传感器发生卡死故障时，则存在

判定位置传感器出现卡死故障；当位置传感器发生偏移故障时，则存在

判定位置传感器出现偏移故障；当位置传感器发生断线故障时，则在t_m≤t＜t_n期间，恒存在|θ_e|＝0且|t_m-t_n|≥T，判定位置传感器出现断线故障，其中t_m和t_n为电机运行期间的任意两个时刻，T为断线故障诊断阈值。

3.根据权利要求1所述的一种碳化硅基高可靠电驱动系统多模态容错控制方法，其特征在于，步骤4所述的开路故障处理器模块，可针对不同的开路故障情况进行控制，具体方法为：

当系统正常运行时，两个双向晶闸管TR1和TR2都处于断开状态，两个碳化硅基高功率密度逆变器驱动永磁容错电机运行，每套绕组各承担50％的功率；

当系统出现单一功率管开路故障、间歇性开路故障或单相绕组开路故障时，封锁故障相PWM信号，接通故障套绕组对应的双向晶闸管，并对故障套绕组剩余健康相进行调幅调相处理；

当系统两套绕组均有一相出现单一功率管开路故障、间歇性开路故障或绕组开路故障时，封锁相对应故障相PWM信号，接通两套绕组的双向晶闸管，对每套绕组的剩余健康相分别进行调幅调相处理；

当系统一套绕组出现多个功率管开路故障、间歇性故障或多相绕组开路故障时，则将该故障相绕组切除，并由另一套绕组出双倍功率，实现电机的容错运行；

当系统出现一套绕组一相发生故障，另一套绕组发生多相故障，则将发生多相故障套绕组切除，发生一相故障套绕组封锁故障相PWM信号，导通对应的双向晶闸管，并对发生单相故障套绕组剩余两相进行调幅调相处理，承担双倍功率，实现电机的容错运行。

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