CN115133844B - 一种电励磁双凸极电机失磁故障下的容错电动运行方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于电励磁双凸极电机失磁故障下的容错电动运行方法，涉及电励磁双凸极电机技术领域，该方法在转速环的基础上增加了转矩环，基于转子位置角和三相电流实际值依次经过转速环、转矩环和电流环得到三相电流给定值，然后将三相电流给定值和三相电流实际值进行比较得到比较信号，对比较信号通过滞环输出PWM信号驱动出现失磁故障的电励磁双凸极电机的桥式变换器，使得三相电流实际值跟随三相电流给定值，对失磁电动运行过程中换相及非换相阶段的转矩脉动均有良好的降低作用。

Description

一种电励磁双凸极电机失磁故障下的容错电动运行方法

技术领域

本申请涉及电励磁双凸极电机技术领域，尤其是一种电励磁双凸极电机失磁故障下的容错电动运行方法。

背景技术

电励磁双凸极电机的定子上有电枢绕组和励磁绕组，转子上无绕组，结构简单、可靠、灵活。由于励磁磁场的存在，电励磁双凸极电机只连接不控整流桥即可发电，发电简单可靠，在航空航天、汽车等重要场合具有较好的应用前景。励磁绕组的存在增强了系统控制的灵活性，但同时也带来了安全和可靠性的问题。励磁绕组的老化、发热、侵蚀等将影响系统的安全运行；同时励磁电源也会因为过电流、反向电压脉冲等原因而发生故障，严重时导致系统失磁。

当电励磁双凸极电机失去励磁时采用原有的控制策略将无法进一步电动与发电。目前针对电励磁双凸极电机失磁故障的容错控制策略研究较少且主要集中在失磁容错发电研究这一领域。现有技术包括：(1)史立伟等公开的“电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，授权日：2017年5月17日，授权号：CN104579067B)提出三相四桥臂变换器来实现电机励磁故障的容错发电功能。(2)周兴伟等公开的“一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法”(中国，公开日：2017年5月22日，公开号：CN107147339A)实现四相电励磁双凸极电机在失磁故障时进一步容错发电。(3)温腾翔等公开的“电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，公开日：2018年6月5日，公开号：CN108123646A)提出了使用桥式变换器进行失磁容错发电研究，简化了变换器结构，但是发电功率较低。(4)赵峰等公开的“电励磁双凸极电机失磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，公开日：2019年9月17日，公开号：CN110247597A)采用半桥进行控制，同样存在发电功率低的问题。(5)王开淼等公开的“电励磁双凸极电机失磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，公开日：2019年3月8日，公开号：CN109450340A)提出了采用H桥变换器进行失磁发电，所提控制策略可以使得每相绕组单独励磁与发电，发电功率较高，但开关管数量较多。(6)史宏俊等公开的“通过提高母线电压保证容错发电功率的电励磁双凸极电机”(中国，公开日：2022年01月04日，公开号：CN113890433A)提出了H桥升压变换器来进一步提高容错发电功率，但是开关管数量较多。

上述这些专利都是针对失磁容错发电控制展开的研究。针对电励磁双凸极电机失磁故障的容错电动控制策略较少，只有王开淼等公开的“电励磁双凸极电机失磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，公开日：2019年3月8日，公开号：CN109450340A)介绍了使用H桥变换器进行失磁电动控制，但是开关管数量较多且所采用的控制策略为转速电流闭环控制，失磁容错起动时，转矩脉动较大。杨岚的《失磁状态下容错运行的DSEM系统设计》(2018年硕士学位论文)所提方法均为单周期转速电流闭环失磁容错控制，失磁容错电动时，转矩脉动较大。

因此目前针对失磁发电容错领域的研究较为广泛，而针对失磁容错起动方面的研究较少，且现有的失磁容错起动方法普遍存在转矩脉动较大，器件较多等问题。

发明内容

本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种电励磁双凸极电机失磁故障下的容错电动运行方法，本申请的技术方案如下：

一种电励磁双凸极电机失磁故障下的容错电动运行方法，该方法包括：

采集电励磁双凸极电机的转子位置角u和三相电流实际值，三相电流实际值包括电励磁双凸极电机的三相绕组的相电流实际值i_a、i_b和i_c；

基于转子位置角u和三相电流实际值i_a、i_b和i_c依次经过转速环、转矩环和电流环得到三相电流给定值，三相电流给定值包括三相绕组的相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*；

将三相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*和三相电流实际值i_a、i_b和i_c进行比较得到比较信号，对比较信号通过滞环输出PWM信号驱动出现失磁故障的电励磁双凸极电机的桥式变换器，桥式变换器连接三相绕组。

其进一步的技术方案为，得到三相电流给定值的方法包括：

由转子位置角u得到电机转速实际值ω_m，将电机转速实际值ω_m和电机转速给定值

的差值作为转速环PI调节器的输入，由转速环PI调节器输出转矩给定值

根据转子位置角u和三相电流实际值i_a、i_b和i_c确定转矩实际值T_e；

将转矩给定值

和转矩实际值T_e的差值作为转矩环PI调节器的输入，由转矩环PI调节器输出电流调节量i_m；

根据电流调节量i_m和转子位置角u输出三相电流给定值。

其进一步的技术方案为，根据电流调节量i_m和转子位置角u输出三相电流给定值，包括：

在电励磁双凸极电机的每个涵盖两个电感周期的控制周期内，按照转子位置角u所在的电角度范围对应的函数形式结合电流调节量i_m得到三相电流给定值。

其进一步的技术方案为，电励磁双凸极电机的每个相绕组在每个控制周期内包括正向励磁状态和负向励磁状态。

其进一步的技术方案为，该方法还包括：

获取电角度划分参数x，并依据电角度划分参数x将两个电感周期划分为多个连续且不重合的电角度范围，从0°开始到720°为止的每间隔120°通过电角度划分参数x划分为两个电角度范围，0°<x<120°。

其进一步的技术方案为，

(1)当转子位置角u∈[0，x)时，

(2)当转子位置角u∈[x,120°)时，

(3)当转子位置角u∈[120°,120°+x)时，

(4)当转子位置角u∈[120°+x,240°)时，

(5)当转子位置角u∈[240°,240°+x)时，

(6)当转子位置角u∈[240°+x,360°)时，

(7)当转子位置角u∈[360°,360°+x)时，

(8)当转子位置角u∈[360°+x,480°)时，

(9)当转子位置角u∈[480°,480°+x)时，

(10)当转子位置角u∈[480°+x,600°)时，

(11)当转子位置角u∈[600°,600°+x)时，

(12)当转子位置角u∈[600°+x,720°)时，

其进一步的技术方案为，该方法包括：

采集电励磁双凸极电机的励磁绕组电流i_f；

当根据励磁绕组电流i_f确定电励磁双凸极电机出现失磁故障时，确定三相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*并对比较信号通过滞环输出PWM信号驱动桥式变换器；

当根据励磁绕组电流i_f确定电励磁双凸极电机未出现失磁故障时，按照三相六状态角度位置控制策略驱动桥式变换器进行正常电动运行。

本申请的有益技术效果是：

本申请公开了一种电励磁双凸极电机失磁故障下的容错电动运行方法，该方法在转速环的基础上增加了转矩环，基于转子位置角u和三相电流实际值i_a、i_b和i_c依次经过转速环、转矩环和电流环得到三相电流给定值，然后采用滞环控制三相电流实际值跟随三相电流给定值，对失磁电动运行过程中换相及非换相阶段的转矩脉动均有良好的降低作用。

三相电流给定值的函数形式可以根据电机自感和转矩特性来设计并调节电角度划分参数x，由此得到各相电流给定值，而后采用电流滞环控制使各相电流实际值跟随电流给定值，控制方便灵活，且可以进一步降低转矩脉动，使得失磁电动运行过程中具有良好的转矩脉动抑制效果。

附图说明

图1是本申请公开的容错电动运行方法适用的电励磁双凸极电机的控制系统的系统结构图。

图2是本申请一个实施例中的容错电动运行方法的控制逻辑图。

图3是电励磁双凸极电机失磁故障下按照本申请提供的容错电动运行方法运行时的自感曲线及三相电流给定曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种电励磁双凸极电机失磁故障下的容错电动运行方法，该方法应用于电励磁双凸极电机的控制系统中，请参考图1所示的控制系统，在电励磁双凸极电机的控制系统中，直流电源U_dc、稳压电容C和桥式变换器并联，电励磁双凸极电机的三相绕组A、B、C采用星型连接，且三相绕组A、B、C的出线端分别连接在桥式变换器上。励磁侧电源U_f通过励磁电路连接在励磁绕组L_f两端提供励磁绕组电流i_f。

控制器通过位置传感器采集转子位置角u，位置传感器可以由光电编码器实现。控制器还采集三相电流实际值和励磁绕组电流i_f，三相电流实际值包括电励磁双凸极电机的三相绕组的相电流实际值i_a、i_b和i_c。控制器连接并控制桥式变换器以及励磁电路。本申请公开的容错电动运行方法由控制器实现，其控制逻辑请参考图2：

基于转子位置角u和三相电流实际值i_a、i_b和i_c依次经过转速环、转矩环和电流环得到三相电流给定值，三相电流给定值包括三相绕组的相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*。具体的：

1、由转子位置角u通过位置转速转换器得到电机转速实际值ω_m，位置转速转换器实现的转换过程是目前常用的，本申请不赘述。将电机转速实际值ω_m和电机转速给定值

的差值作为转速环PI调节器的输入，由转速环PI调节器输出转矩给定值

2、根据转子位置角u和三相电流实际值i_a、i_b和i_c利用转矩观测器确定转矩实际值T_e。在实际实现时，预先建立有转矩实际值与u、i_a、i_b和i_c的对应数据表，则转矩观测器通过查表即可确定转矩实际值T_e。

3、将转矩给定值

和转矩实际值T_e的差值作为转矩环PI调节器的输入，由转矩环PI调节器输出电流调节量i_m。

4、电流环控制器根据电流调节量i_m和转子位置角u输出三相电流给定值。

在一个实施例中，电励磁双凸极电机的每个控制周期涵盖两个电感周期，则在电励磁双凸极电机的每个控制周期内，按照转子位置角u所在的电角度范围对应的函数形式结合电流调节量i_m得到三相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*。

而每两个电感周期内的电角度范围的划分方式也不是固定的，可以根据实际情况自定义调节并获取电角度划分参数x，并依据电角度划分参数x将两个电感周期划分为多个连续且不重合的电角度范围，从0°开始到720°为止的每间隔120°通过电角度划分参数x划分为两个电角度范围，0°<x<120°。由此每两个电角度范围被划分为12个电角度范围，分别为[0，x)、[x,120°)、[120°,120°+x)、[120°+x,240°)、[240°,240°+x)、[240°+x,360°)、[360°,360°+x)、[360°+x,480°)、[480°,480°+x)、[480°+x,600°)、[600°,600°+x)和[600°+x,720°)。

电励磁双凸极电机失磁后转矩只包含磁阻转矩

其中L_a、L_b、L_c分别表示三相绕组的自感，_u表示转子位置角，因此在设计电流给定函数时仅考虑磁阻转矩。那么在一个实施例中，不同电角度范围对应的函数形式结合电流调节量i_m得到的三相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*分别为：

(1)当转子位置角u∈[0，x)时，

(2)当转子位置角u∈[x,120°)时，

(3)当转子位置角u∈[120°,120°+x)时，

(4)当转子位置角u∈[120°+x,240°)时，

(5)当转子位置角u∈[240°,240°+x)时，

(6)当转子位置角u∈[240°+x,360°)时，

(7)当转子位置角u∈[360°,360°+x)时，

(8)当转子位置角u∈[360°+x,480°)时，

(9)当转子位置角u∈[480°,480°+x)时，

(10)当转子位置角u∈[480°+x,600°)时，

(11)当转子位置角u∈[600°,600°+x)时，

(12)当转子位置角u∈[600°+x,720°)时，

在得到三相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*后，将三相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*和三相电流实际值i_a、i_b和i_c进行比较得到比较信号，对比较信号通过滞环输出PWM信号驱动出现失磁故障的电励磁双凸极电机的桥式变换器，使得三相电流实际值跟随三相电流给定值，实现容错起动运行并降低转矩脉动。

基于本申请的方法，电励磁双凸极电机失磁电动容错时自感曲线及三相电流给定值的曲线图如图3所示。由于电励磁双凸极电机的三相绕组采用星型连接，因此三相电流给定值相加为零。且结合图3，每个相绕组在每个控制周期内包括正向励磁状态和负向励磁状态。

该方法改进了控制器的控制逻辑，在转速环的基础上增加了转矩环，并不需要对控制系统的结构做复杂改进，电路结构简单。在实际应用时，控制器采集电励磁双凸极电机的励磁绕组电流i_f以检测是否出现失磁故障，具体检测方法是现有的，本申请不赘述。当根据励磁绕组电流i_f确定电励磁双凸极电机出现失磁故障时，按照本申请提供的上述方法确定三相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*，继而对比较信号通过滞环输出PWM信号驱动桥式变换器。当根据励磁绕组电流i_f确定电励磁双凸极电机未出现失磁故障时，按照传统的三相六状态角度位置控制策略驱动桥式变换器进行正常电动运行。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电励磁双凸极电机失磁故障下的容错电动运行方法，其特征在于，所述方法包括：

采集电励磁双凸极电机的转子位置角u和三相电流实际值，所述三相电流实际值包括所述电励磁双凸极电机的三相绕组的相电流实际值i_a、i_b和i_c；

基于转子位置角u和三相电流实际值i_a、i_b和i_c依次经过转速环、转矩环和电流环得到三相电流给定值，所述三相电流给定值包括三相绕组的相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*；

将三相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*和三相电流实际值i_a、i_b和i_c进行比较得到比较信号，对所述比较信号通过滞环输出PWM信号驱动出现失磁故障的所述电励磁双凸极电机的桥式变换器，所述桥式变换器连接所述三相绕组；

其中，所述容错电动运行方法还包括：获取电角度划分参数x，并依据所述电角度划分参数x将两个电感周期划分为多个连续且不重合的电角度范围，从0°开始到720°为止的每间隔120°通过电角度划分参数x划分为两个电角度范围，0°<x<120°；得到三相电流给定值的方法包括：

由所述转子位置角u得到电机转速实际值ω_m，将电机转速实际值ω_m和电机转速给定值

的差值作为转速环PI调节器的输入，由所述转速环PI调节器输出转矩给定值

根据所述转子位置角u和三相电流实际值i_a、i_b和i_c确定转矩实际值T_e；

将转矩给定值

和转矩实际值T_e的差值作为转矩环PI调节器的输入，由所述转矩环PI调节器输出电流调节量i_m；

根据所述电流调节量i_m和转子位置角u输出三相电流给定值，包括在所述电励磁双凸极电机的每个涵盖两个电感周期的控制周期内，按照转子位置角u所在的电角度范围对应的函数形式结合电流调节量i_m得到三相电流给定值。

2.根据权利要求1所述的容错电动运行方法，其特征在于，所述电励磁双凸极电机的每个相绕组在每个控制周期内包括正向励磁状态和负向励磁状态。

3.根据权利要求1所述的容错电动运行方法，其特征在于，

(1)当转子位置角u∈[0，x)时，

(2)当转子位置角u∈[x,120°)时，

(3)当转子位置角u∈[120°,120°+x)时，

(4)当转子位置角u∈[120°+x,240°)时，

(5)当转子位置角u∈[240°,240°+x)时，

(6)当转子位置角u∈[240°+x,360°)时，

(7)当转子位置角u∈[360°,360°+x)时，

(8)当转子位置角u∈[360°+x,480°)时，

(9)当转子位置角u∈[480°,480°+x)时，

(10)当转子位置角u∈[480°+x,600°)时，

(11)当转子位置角u∈[600°,600°+x)时，

(12)当转子位置角u∈[600°+x,720°)时，

4.根据权利要求1所述的容错电动运行方法，其特征在于，所述方法包括：

采集所述电励磁双凸极电机的励磁绕组电流i_f；

当根据励磁绕组电流i_f确定所述电励磁双凸极电机出现失磁故障时，确定三相电流给定值i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*并对所述比较信号通过滞环输出PWM信号驱动桥式变换器；

当根据励磁绕组电流i_f确定所述电励磁双凸极电机未出现失磁故障时，按照三相六状态角度位置控制策略驱动所述桥式变换器进行正常电动运行。

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