CN114744926A - 双y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法 - Google Patents

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Abstract

双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，属于伺服控制技术领域。本发明是为了解决现有双Y移0°双余度电机的两套绕组之间存在强耦合，对两绕组的独立控制过程中容易出现电流失控的问题。本发明分别判断双Y移0°双余度电动绞车电机的两套绕组是否故障，任一套绕组出现故障，封锁故障套绕组的PWM信号，将故障套绕组的给定电流值设为0，否则将两套绕组的反馈电流信号替换为虚拟电流信号并建立虚拟电流环，计算两套绕组虚拟电流环的给定电压值，根据虚拟电流环的给定电压值计算绕组的给定电压值，将正常套绕组的给定电压值和电机位置信号经过三相SVPWM调制后通过正常套绕组的驱动单元对双Y移0°双余度电动绞车电机绕组驱动。

Description

双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法
技术领域
本发明属于伺服控制技术领域。
背景技术
电动绞车作为直升机在救援、运输、反潜等领域的核心电作动系统，需要其满足功率大、体积小及高可靠性的要求。
然而传统的单余度电动绞车缺乏硬件备份和故障容错的能力，无法满足在航空航天等领域的高功率密度和高可靠性需求。
双Y移30°双余度电动绞车电机本体结构复杂，需要特定的极槽比限制，且其调制过程复杂。当其出现开路故障后，双Y移30°双余度电动绞车需要针对不同故障相采用不同的容错程序实现容错，容错适应性低，容错过程复杂。
双Y移0°双余度电动绞车电机本体结构可沿用单余度电机本体设计，设计过程简单。且故障后采用直接切除故障套绕组方式容错，无需针对故障相进行容错，容错控制过程简单。可是，双Y移0°双余度电机的两套绕组之间存在强耦合，对两绕组的独立控制过程中容易出现电流失控。
发明内容
本发明是为了解决现有双Y移0°双余度电机的两套绕组之间存在强耦合，对两绕组的独立控制过程中容易出现电流失控的问题，现提供双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，能够对两套绕组进行实现电流独立控制，互不干扰。
双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，包括以下步骤：
步骤一：分别判断双Y移0°双余度电动绞车电机的两套绕组是否故障，任一套绕组出现故障，则执行步骤二，否则执行步骤三；
步骤二：封锁故障套绕组的PWM信号，将故障套绕组的给定电流值设为0，然后执行步骤三；
步骤三：建立虚拟电流环，将两套绕组的给定电流信号替换为虚拟电流环的虚拟给定电流，将两套绕组的反馈电流信号替换为虚拟电流环的虚拟反馈电流，然后执行步骤四；
步骤四：分别计算两套绕组对应虚拟电流环的给定电压值，然后执行步骤五；
步骤五：根据虚拟电流环的给定电压值分别计算两套绕组的给定电压值，然后执行步骤六；
步骤六：将两套绕组的给定电压值以及电机位置信号分别经过各自的三相SVPWM调制，然后将两个调制结果分别通过两套绕组的驱动单元对双Y移0°双余度电动绞车电机的两套绕组进行驱动。
进一步的，上述双Y移0°双余度电动绞车电机中，两套绕组共用一个定子，两套绕组的相同相绕组分布在同一个定子槽内，且电角度完全相同。
进一步的，上述步骤一中，首先分别采集双Y移0°双余度电动绞车电机两套绕组的母线电压信号、反馈电流信号和电机位置信号，然后根据两套绕组的母线电压信号、反馈电流信号和电机位置信号分别判断两套绕组是否出现故障。
进一步的，判断绕组是否出现故障的具体方法为：
当绕组反馈电流在100个连续采样周期内的采样绝对值均小于设置阈值，则认为绕组出现开路故障，其中，一个采样周期为100us。
进一步的，上述反馈电流信号包括：电机在dq坐标系下两套绕组的q轴反馈电流值iq1和iq2、以及d轴反馈电流值id1和id2，母线电压信号包括：电机两套绕组的直流母线电压值Udc1和Udc2，电机位置信号为电机的电角度θ。
进一步的，当iq1和iq2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的q轴反馈电流值，id1和id2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的d轴反馈电流值时，则两套绕组对应虚拟电流环中的q轴虚拟反馈电流值分别为(iq1+iq2)和(iq1-iq2)，d轴虚拟反馈电流值分别为(id1+id2)和(id1-id2)。
进一步的，虚拟电流环的虚拟电流状态方程为：
Figure BDA0003550094230000021
其中，uq1和uq2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的q轴给定电压值，Lq为电机在dq坐标系下的q轴自感，Lqq为两套绕组的q轴互感，R为相电阻。
进一步的，根据下式分别计算两套绕组对应虚拟电流环的给定电压值：
Figure BDA0003550094230000022
其中，ud1 *和ud2 *分别为两套绕组对应虚拟电流环的d轴给定电压值，uq1 *和uq2 *分别为两套绕组对应虚拟电流环的q轴给定电压值，(id1+id2)*和(id1-id2)*分别为两套绕组对应虚拟电流环的d轴虚拟给定电流值，(iq1+iq2)*和(iq1-iq2)*分别为两套绕组对应虚拟电流环的q轴虚拟给定电流值，(id1+id2)和(id1-id2)分别为两套绕组对应虚拟电流环的d轴虚拟反馈电流值，(iq1+iq2)和(iq1-iq2)分别为两套绕组对应虚拟电流环的q轴虚拟反馈电流值，iq1和iq2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的q轴反馈电流值，id1和id2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的d轴反馈电流值，Kp为PI控制的带宽参数，s为微分算子。
进一步的，根据下式分别计算两套绕组的给定电压值：
Figure BDA0003550094230000031
其中，ud1和ud2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的d轴给定电压值，uq1和uq2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的q轴给定电压值，Ld为电机在dq坐标系下的d轴自感，Lq为电机在dq坐标系下的q轴自感，Ldd为两套绕组的d轴互感，Lqq为两套绕组的q轴互感，R为相电阻。
进一步的，两套绕组对应虚拟电流环的控制参数G1(s)和G2(s)表达式如下：
Figure BDA0003550094230000032
其中，Kp为PI控制的带宽参数，s为微分算子，Lq为电机在dq坐标系下的q轴自感，Lqq为两套绕组的q轴互感，R为相电阻，
Figure BDA0003550094230000033
为延迟环节，Td为开关周期。
本发明能够实现对双Y移0°双余度电动绞车两套绕组的解耦控制，两套绕组电流能够分别控制从而实现转矩分配，且解耦控制程序简单，调制过程沿用三相电机，两套绕组共用一个定子，减小了电机体积。且两绕组控制程序高度对称，出现故障后可采用直接切除故障绕组的方式进行容错，满足其高可靠性的需求。
本发明的两驱动单元和逆变器均采用独立电源，可实现故障后的硬件冗余备份。
本发明可实现在两套绕组均正常供电的热备份，两绕组的电流可独立控制，实现绕组电流的任意分配，即仅其中一套绕组输出转矩，另一套绕组作为备份，当工作绕组出现故障，备份绕组可直接切入，故障绕组直接切除，避免备份绕组故障后再上电的延迟，有效减少故障后的切换时间。
附图说明
图1为双Y移0°双余度电动绞车电机的结构示意图；
图2为双Y移0°双余度电动绞车电机的电气控制结构示意图；
图3为双Y移0°双余度电动绞车电机q轴电流环的结构图；
图4为双Y移0°双余度电动绞车电机q轴虚拟电流环的结构图；
图5为双Y移0°双余度电动绞车电机的解耦控制结构框图；
图6为双Y移0°双余度电动绞车电机的解耦备份控制程序流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：参照图1至图6具体说明本实施方式。
如图1所示，双Y移0°双余度电机中两套余度绕组共用一个定子，两套绕组的相同相绕组分布在同一个定子槽内，电角度完全相同，保证两余度绕组的对称性。
如图2所示，双Y移0°双余度电动绞车的两套余度绕组由两套完全相同的逆变器控制，且两套逆变器的供电独立，实现了硬件的冗余备份，故障后直接切除故障套逆变器，实现故障后的容错运行，增强了系统的可靠性。
然而由于电机本体未做磁隔离处理，两套绕组存在磁路耦合，因此其磁链和电压方程分别为：
Figure BDA0003550094230000051
Figure BDA0003550094230000052
式中，ψd1和ψd2分别为两套绕组的d轴磁链，ψq1和ψq2分别为两套绕组的q轴磁链，ψf为永磁体磁链，Ld和Lq分别为dq坐标系下d轴和q轴自感(其中两套绕组的d轴自感相同，两套绕组的q轴自感相同)，Ldd和Lqq分别为两套绕组在dq坐标系下的d轴和q轴互感，iq1和iq2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的q轴反馈电流值，id1和id2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的d轴反馈电流值，ud1和ud2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的d轴给定电压值，uq1和uq2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的q轴给定电压值，p为微分符号，w为电机电角速度，R为相电阻。
由电压方程得到两套绕组的电流状态方程：
Figure BDA0003550094230000053
由双Y移0°双余度电流状态方程可知，双Y移0°双余度电机的各绕组的电流受两套绕组的电压同时影响，导致传统的双dq方式无法独立控制两套绕组的电流，双Y移0°双余度电机的两套绕组之间存在强耦合。等效的q轴电流环模型如图3所示。双Y移0°双余度电机的两套绕组由于互感的存在，电流环存在交叉耦合，这种耦合不仅会导致原有控制器参数无法实现单套电流环的独立控制，两绕组独立控制过程中容易出现电流失控，还会造成潜在的不稳定，磁链耦合越严重，电流环的稳定裕度越低。
为实现双Y移0°双余度电机的解耦控制，本实施方式中采用双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，来解决以上问题，所述热备份解耦控制方法包括以下步骤：
步骤一：首先分别采集双Y移0°双余度电动绞车电机两套绕组的母线电压信号、反馈电流信号和电机位置信号。其中，反馈电流信号包括：电机在dq坐标系下两套绕组的q轴反馈电流值iq1和iq2、以及d轴反馈电流值id1和id2，母线电压信号包括：电机两套绕组的直流母线电压值Udc1和Udc2，电机位置信号为电机的电角度θ。
然后根据两套绕组的母线电压信号、反馈电流信号和电机位置信号分别判断两套绕组是否出现故障。判断绕组是否出现故障的具体方法为：
当绕组反馈电流在100个连续采样周期内的采样绝对值均小于设置阈值，则认为绕组出现开路故障，其中，一个采样周期为100us。
若出现故障，可分为两种情况：第一，两套绕组均出现故障直接停机并切断电源，但是此种情况较为少见，因此本实施方式不予考虑。第二，任意一套绕组出现故障，这是本实施方式需要考虑的情况。此时故障套绕组执行步骤二。若两套绕组均正常，则直接执行步骤三。
步骤二：封锁故障套绕组的PWM信号，将故障套绕组的给定电流值设为0，然后执行步骤三。
步骤三：建立虚拟电流环，将两套绕组的给定电流信号替换为虚拟电流环的虚拟给定电流，将两套绕组的反馈电流信号替换为虚拟电流环的虚拟反馈电流，然后执行步骤四。
为提高双Y移0°双余度电动绞车的动态性能和稳定裕度，上述步骤分别设计虚拟环路，以保证两虚拟环路的动态性能和稳定裕度一致。两套绕组对应虚拟电流环的控制参数G1(s)和G2(s)表达式如下：
Figure BDA0003550094230000061
其中，Kp为PI控制的带宽参数，s为微分算子，
Figure BDA0003550094230000062
为延迟环节，Td为开关周期。
采用虚拟环路补偿后，两虚拟环路动态性能和稳定裕度一致。实际运行过程中，转速环的输出为两套绕组的电流和(iq1+iq2)，如图5所示，虚拟环路的虚拟给定电流值(iq1+iq2)*，通过主机对两绕组的q轴电流给定可进行任意分配，(iq1-iq2)*为分配后的虚拟环路的虚拟给定电流值，由于两虚环路动态性能一致，可实现(iq1+iq2)和(iq1-iq2)同时达到给定，则此时两绕组电流iq1和iq2可同时达到给定。
虚拟电流环的虚拟电流状态方程为：
Figure BDA0003550094230000063
步骤四：根据下式分别计算两套绕组对应虚拟电流环的给定电压值，然后执行步骤五。
Figure BDA0003550094230000071
其中，ud1 *和ud2 *分别为两套绕组对应虚拟电流环的d轴给定电压值，uq1 *和uq2 *分别为两套绕组对应虚拟电流环的q轴给定电压值，(id1+id2)*和(id1-id2)*分别为两套绕组对应虚拟电流环的d轴虚拟给定电流值，(iq1+iq2)*和(iq1-iq2)*分别为两套绕组对应虚拟电流环的q轴虚拟给定电流值，(id1+id2)和(id1-id2)分别为两套绕组对应虚拟电流环的d轴虚拟反馈电流值，(iq1+iq2)和(iq1-iq2)分别为两套绕组对应虚拟电流环的q轴虚拟反馈电流值。
步骤五：根据虚拟电流环的给定电压值分别计算两套绕组的给定电压值，然后执行步骤六；
Figure BDA0003550094230000072
步骤六：将两套绕组的给定电压值以及电机位置信号分别经过各自的三相SVPWM调制，然后将两个调制结果分别通过两套绕组的驱动单元对双Y移0°双余度电动绞车电机的两套绕组进行驱动。
如图4所示，由于虚拟环路之间不存在耦合，本实施方式通过对虚拟环路设计调节器，实现双Y移0°双余度电机的解耦控制，再保证双余度电动绞车电流环稳定性的同时，通过修改电流差虚拟电流环的给定值，可以实现双Y移0°双余度电动绞车的两套绕组的输出电流分配。
图5为双Y移0°双余度电动绞车解耦控制结构框图，双Y移0°双余度电动绞车的两套绕组共用一个转速环进行控制，转速环给定为两套绕组的q轴电流和，而两套绕组的电流环控制独立控制，通过控制两套绕组的电流之差，可实现两套绕组的输出电流分配，该结构控制采用虚拟环路的控制方法，电流和虚拟环路和电流差虚拟环路，这两个虚拟环路相互独立，因此，可通过控制两虚拟环路的电流进而控制两套绕组的电流，提高系统的稳定性，同时实现系统的冗余备份。
当系统出现故障时，可由采样模块采样到故障后的电流信号，故障检测模块会提供分析故障电流的特征信息定位故障绕组，将故障绕组的信息传递给数据处理模块，数据处理模块会封锁故障套绕组的PWM信号，实现对故障套绕组的切除，同时，将故障套绕组的电流给定设为0，由备份绕组输出电流，完全承担负载转矩。
本实施方式中双Y移0°双余度电机共用控制单元。两套绕组对应的驱动单元结构相同，采用隔离母线的供电方式。其中，共用控制单元包括：信号采样模块、数据处理模块、故障检测模块和故障容错模块。
图6为双Y移0°双余度电动绞车解耦备份控制程序流程图，信号采样模块负责采集电机位置信号(电角度)、各绕组电流和各驱动单元的母线电压信号，采集信号用于电机的故障诊断(对故障逆变器进行定位)以及后续的解耦控制。
数据处理模块负责接收反馈的绕组电流信号、电机位置信号，通过将反馈的两绕组电流信号进行变换，得到解耦控制所需要的虚拟电流，以虚拟电流为控制目标，构建虚拟电流环并设计虚拟环路的电流调节器，计算虚拟环路的电压给定ud1 *、ud2 *、uq1 *和uq2 *，从虚拟环路的电压给定反推得到各绕组的电压给定ud1、ud2、uq1和uq2，利用三相电机的调制技术实现对驱动单元的控制，简化双余度电机的调制过程，实现两套绕组电流的解耦控制。
故障检测模块监测电机的反馈信号，通过反馈信号进行故障诊断，确定故障套绕组；故障容错模块根据故障检测定位的故障绕组，封锁故障绕组驱动单元PWM信号，切除故障套绕组，并将故障套绕组的电压给定传递给备份绕组，实现故障绕组切换，并保证故障前后电流、转矩相对平稳；
驱动单元用于给定电压的执行，驱动单元包括隔离驱动电源模块、隔离光耦、过流保护模块。第一、第二驱动单元相互独立，两驱动单元采用独立的供电单元，逆变器的母线也相互独立，当其中一套驱动单元或逆变器出现故障时，由故障检测模块进行故障诊断，将故障信号传给共用控制单元进行仲裁，由共用控制单元给定故障封锁信号，封锁故障驱动单元的PWM信号，从而实现故障绕组的切除，保证系统的正常运行。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：分别判断双Y移0°双余度电动绞车电机的两套绕组是否故障，任一套绕组出现故障，则执行步骤二，否则执行步骤三；
步骤二：封锁故障套绕组的PWM信号，将故障套绕组的给定电流值设为0，然后执行步骤三；
步骤三：建立虚拟电流环，将两套绕组的给定电流信号替换为虚拟电流环的虚拟给定电流，将两套绕组的反馈电流信号替换为虚拟电流环的虚拟反馈电流，然后执行步骤四；
步骤四：分别计算两套绕组对应虚拟电流环的给定电压值，然后执行步骤五；
步骤五：根据虚拟电流环的给定电压值分别计算两套绕组的给定电压值，然后执行步骤六；
步骤六：将两套绕组的给定电压值以及电机位置信号分别经过各自的三相SVPWM调制，然后将两个调制结果分别通过两套绕组的驱动单元对双Y移0°双余度电动绞车电机的两套绕组进行驱动。
2.根据权利要求1所述的双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，其特征在于，双Y移0°双余度电动绞车电机中，两套绕组共用一个定子，两套绕组的相同相绕组分布在同一个定子槽内，且电角度完全相同。
3.根据权利要求1所述的双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，其特征在于，步骤一中，首先分别采集双Y移0°双余度电动绞车电机两套绕组的母线电压信号、反馈电流信号和电机位置信号，然后根据两套绕组的母线电压信号、反馈电流信号和电机位置信号分别判断两套绕组是否出现故障。
4.根据权利要求3所述的双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，其特征在于，判断绕组是否出现故障的具体方法为：
当绕组反馈电流在100个连续采样周期内的采样绝对值均小于设置阈值，则认为绕组出现开路故障，其中，一个采样周期为100us。
5.根据权利要求3所述的双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，其特征在于，反馈电流信号包括：电机在dq坐标系下两套绕组的q轴反馈电流值iq1和iq2、以及d轴反馈电流值id1和id2，母线电压信号包括：电机两套绕组的直流母线电压值Udc1和Udc2，电机位置信号为电机的电角度θ。
6.根据权利要求1所述的双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，其特征在于，当iq1和iq2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的q轴反馈电流值，id1和id2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的d轴反馈电流值时，则两套绕组对应虚拟电流环中的q轴虚拟反馈电流值分别为(iq1+iq2)和(iq1-iq2)，d轴虚拟反馈电流值分别为(id1+id2)和(id1-id2)。
7.根据权利要求6所述的双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，其特征在于，虚拟电流环的虚拟电流状态方程为：
Figure FDA0003550094220000021
其中，uq1和uq2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的q轴给定电压值，Lq为电机在dq坐标系下的q轴自感，Lqq为两套绕组的q轴互感，R为相电阻。
8.根据权利要求1所述的双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，其特征在于，根据下式分别计算两套绕组对应虚拟电流环的给定电压值：
Figure FDA0003550094220000022
其中，ud1 *和ud2 *分别为两套绕组对应虚拟电流环的d轴给定电压值，uq1 *和uq2 *分别为两套绕组对应虚拟电流环的q轴给定电压值，(id1+id2)*和(id1-id2)*分别为两套绕组对应虚拟电流环的d轴虚拟给定电流值，(iq1+iq2)*和(iq1-iq2)*分别为两套绕组对应虚拟电流环的q轴虚拟给定电流值，(id1+id2)和(id1-id2)分别为两套绕组对应虚拟电流环的d轴虚拟反馈电流值，(iq1+iq2)和(iq1-iq2)分别为两套绕组对应虚拟电流环的q轴虚拟反馈电流值，iq1和iq2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的q轴反馈电流值，id1和id2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的d轴反馈电流值，Kp为PI控制的带宽参数，s为微分算子。
9.根据权利要求8所述的双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，其特征在于，根据下式分别计算两套绕组的给定电压值：
Figure FDA0003550094220000031
其中，ud1和ud2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的d轴给定电压值，uq1和uq2分别为电机在dq坐标系下两套绕组的q轴给定电压值，Ld为电机在dq坐标系下的d轴自感，Lq为电机在dq坐标系下的q轴自感，Ldd为两套绕组的d轴互感，Lqq为两套绕组的q轴互感，R为相电阻。
10.根据权利要求1所述的双Y移0°双余度电动绞车的热备份解耦控制方法，其特征在于，两套绕组对应虚拟电流环的控制参数G1(s)和G2(s)表达式如下：
Figure FDA0003550094220000032
其中，Kp为PI控制的带宽参数，s为微分算子，Lq为电机在dq坐标系下的q轴自感，Lqq为两套绕组的q轴互感，R为相电阻，
Figure FDA0003550094220000033
为延迟环节，Td为开关周期。
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