CN116683829A - 一种双y移0°双余度电机的故障自容错方法 - Google Patents

Abstract

一种双Y移0°双余度电机的故障自容错方法，涉及电机的故障自容错领域。本发明是为了解决双Y移0°双余度电动绞车的出现故障后，需要先针对故障绕组进行定位，而后再切除故障绕组，导致故障容错过程时间较长的问题。本发明所述的一种双Y移0°双余度电机的故障自容错方法，对双Y移0°双余度电机进行解耦控制，获得两套绕组的d、q轴电压给定值，将所述两套绕组的d、q轴电压给定值和电流反馈值输入至d、q轴电压扰动观测器，获得两套绕组的d、q轴电压扰动估计值，将故障套绕组的电压扰动估计值叠加到非故障套绕组的d、q轴电压给定值上，实现双Y移0°双余度电机的故障自容错。

Description

一种双Y移0°双余度电机的故障自容错方法

技术领域

本发明属于伺服控制技术领域，尤其涉及电机的故障自容错方法。

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。

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0°双余度电动绞车电机本体结构能够沿用单余度电机本体设计，设计过程简单。然而，双Y移0°双余度电机的两套绕组之间存在强耦合，增加了双余度电机的控制难度。一旦双Y移0°双余度电动绞车的出现故障，需要先针对故障绕组进行定位，而后再切除故障绕组，导致故障容错过程时间较长。

发明内容

本发明是为了解决双Y移0°双余度电动绞车的出现故障后，需要先针对故障绕组进行定位，而后再切除故障绕组，导致故障容错过程时间较长的问题，现提供一种双Y移0°双余度电机的故障自容错方法。

一种双Y移0°双余度电机的故障自容错方法，具体为：

对双Y移0°双余度电机进行解耦控制，获得两套绕组的x轴电压给定值，x＝d,q，

将所述两套绕组的x轴电压给定值和电流反馈值输入至x轴电压扰动观测器，获得两套绕组的x轴电压扰动估计值，

将故障套绕组的电压扰动估计值叠加到非故障套绕组的x轴电压给定值上，实现双Y移0°双余度电机的故障自容错。

进一步的，上述对双Y移0°双余度电机进行解耦控制，获得两套绕组的x轴电压给定值的方法包括：

通过下式获得两套绕组的x轴电压给定值：

其中，u_x1 ^*和u_x2 ^*分别为两套绕组x轴的电压给定值，u_x1和u_x2分别为两套绕组的x轴电压反馈值，L_xx为两套绕组的x轴互感，L_x为x轴自感，R为电机的相电阻，i_x1和i_x2分别为两套绕组的x轴电流反馈值。

进一步的，上述将所述两套绕组的x轴电压给定值和电流反馈值输入至x轴电压扰动观测器，获得两套绕组的x轴电压扰动估计值的方法包括：

x轴电压扰动观测器通过下式观测获得x轴电压扰动估计值：

其中， 为/>的一阶导数，i_x1和i_x2分别为两套绕组的x轴电流反馈值，/>和/>分别为两套绕组的x轴电流估计值，f_x1和f_x2分别为两套绕组的x轴电压扰动反馈值，/>和/>分别为两套绕组的x轴电压扰动估计值，

R为电机的相电阻，u_x1 ^*和u_x2 ^*分别为两套绕组x轴的电压给定值，L_xx为两套绕组的x轴互感，L_x为x轴自感，k₁为电流估计反馈参数，k₂为电压扰动估计反馈参数。

为最大程度的减少故障对电机控制系统带来的影响，需要在故障发生时更快的实现故障容错，为此，本发明提出一种针对故障具有抑制作用的解耦控制；此外，还提出一种基于故障电压观测补偿的方式进行故障容错，通过实时观测故障扰动电压，将故障扰动电压补偿的方式，无需进行故障定位，能够在故障发生的瞬间完成故障自容错，避免了诊断过程对于故障容错的速度影响，保障了故障下系统的稳定运行。本发明适用于任意相绕组开路故障，简化了故障容错的过程，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，能够实现故障后的硬件冗余备份。

附图说明

图1为双Y移0°双余度电动绞车的电机本体示意图；

图2为双Y移0°双余度电动绞车的q轴电流环；

图3绕组q轴电压扰动的实时观测器，其中s为微分算子，；

图4为基于扰动电压实时观测器的故障自容错框图；

图5基于故障自容错策略下，第一套绕组A相桥臂开路故障时，各绕组的电流轨迹图，其中，(a)表示第一套绕组电流轨迹、(b)表示第二套绕组电流轨迹、(c)表示两套绕组电流和轨迹；

图6为双Y移0°双余度电动绞车的整体结构示意图。

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。

如图1所示，双Y移0°双余度电机的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，两套绕组存在磁路耦合，因此其磁链和电压方程为：

其中，L_dd为两套绕组的d轴互感，L_qq为两套绕组的q轴互感，L_d为d轴自感，L_q为q轴自感，p为微分符号，w为电机电角速度，ψ_f为永磁体磁链，u_d1和u_d2分别为两套绕组的d轴电压反馈值，u_q1和u_q2分别为两套绕组的q轴电压反馈值，i_d1和i_d2分别为两套绕组的d轴电流反馈值，i_q1和i_q2分别为两套绕组的q轴电流反馈值，ψ_d1和ψ_d2分别为两套绕组的d轴磁链，ψ_q1和ψ_q2分别为两套绕组的q轴磁链，ψ_f为永磁体磁链，R为相电阻。

由电压方程得到两套绕组的电流状态方程：

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，等效的q轴电流环模型如图2，双Y移0°双余度电机的两套绕组的电流环存在交叉耦合，这种耦合将导致双余度开路故障后两套绕组均出现畸变。

本实施方式所述的一种双Y移0°双余度电机的故障自容错方法，具体为：

对双Y移0°双余度电机进行解耦控制，获得两套绕组的d、q轴电压给定值：

由下式看出：

采用解耦处理后的电压作为电流环的给定时，双余度电机的电流环实现了解耦，即第一套绕组的电流仅受到第一套绕组PI调节器的输出u_d1,u_q1控制，第二套绕组的电流仅受到第一套绕组PI调节器的输出u_d2,u_q2控制，实现了系统的解耦。

此外，当系统出现开路故障时，电流环PI调节器将会对故障引起的电流给定与实际电流的差值进行调节，由于故障绕组的实际电电流无法跟随电流给定，此时在故障相的电流失控区域内，PI调节器的积分部分将起到主导作用，比例调节部分可忽略。此外，由于双余度电机的耦合，故障时另一套绕组的电流也无法跟随给定，故障后两绕组的实际电压为：

其中，u_d1-OCF、u_q1-OCF分别为故障后一套绕组的dq轴实际电压，u_d2-OCF、u_q2-OCF分别为故障后另一套绕组的dq轴实际电压，Δu_d1、Δu_q1、Δu_d2、Δu_q2分别为开路故障对各相绕组造成的电压扰动，Δi_d1、Δi_q1、Δi_d2、Δi_q2分别为开路故障后绕组电流出现的电流畸变，K_p为PI控制的带宽参数。在故障区域，PI调节器的输出存在积分作用，因此PI调节器的输出起主要作用，可忽略由于电流畸变引起的电阻压降变化，而非故障绕组由于存在电压钳位，不存在故障引起的电压扰动，由上式可得：

由上式可知，采用本实施方式提出的解耦控制时，当开路故障出现时，非故障套绕组的电流将会自动补偿故障套绕组产生的电流畸变，而双余度电机的耦合程度较高，接近为1。

为进一步补偿故障产生的电流畸变，本实施方式结合电压扰动实时观测器，如图3，通过观测各绕组出现的电压扰动，并将电压扰动重新施加到非故障绕组进行故障容错，如图4。具体的，将所述两套绕组的x轴电压给定值和电流反馈值输入至x轴电压扰动观测器，获得两套绕组的x轴电压扰动估计值。

x轴电压扰动观测器通过下式观测获得x轴电压扰动估计值：

其中， 为/>的一阶导数，i_x1和i_x2分别为两套绕组的x轴电流反馈值，/>和/>分别为两套绕组的x轴电流估计值，f_x1和f_x2分别为两套绕组的x轴电压扰动反馈值，/>和/>分别为两套绕组的x轴电压扰动估计值，

R为电机的相电阻，u_x1 ^*和u_x2 ^*分别为两套绕组x轴的电压给定值，L_xx为两套绕组的x轴互感，L_x为x轴自感，k₁为电流估计反馈参数，k₂为电压扰动估计反馈参数。

将故障套绕组的电压扰动估计值叠加到非故障套绕组的x轴电压给定值上，实现双Y移0°双余度电机的故障自容错。

采用本实施方式所述故障容错策略后，当电机的某一套绕组出现开路故障时，另一套绕组的电流将自动补偿故障套绕组的电流畸变，保证双余度电机整体的输出电流稳定，如图5。

本发明能够实现在电机正常运行时实现解耦控制，在故障出现时，该解耦控制能够实现对故障绕组电流畸变对电机输出总电流的影响，同时实现解耦控制和故障自容错。

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 (3)

1.一种双Y移0°双余度电机的故障自容错方法，其特征在于，

对双Y移0°双余度电机进行解耦控制，获得两套绕组的x轴电压给定值，x＝d,q，

将所述两套绕组的x轴电压给定值和电流反馈值输入至x轴电压扰动观测器，获得两套绕组的x轴电压扰动估计值，

将故障套绕组的电压扰动估计值叠加到非故障套绕组的x轴电压给定值上，实现双Y移0°双余度电机的故障自容错。

2.根据权利要求1所述的一种双Y移0°双余度电机的故障自容错方法，其特征在于，所述对双Y移0°双余度电机进行解耦控制，获得两套绕组的x轴电压给定值的方法包括：

通过下式获得两套绕组的x轴电压给定值：

其中，u_x1 ^*和u_x2 ^*分别为两套绕组x轴的电压给定值，u_x1和u_x2分别为两套绕组的x轴电压反馈值，L_xx为两套绕组的x轴互感，L_x为x轴自感，R为电机的相电阻，i_x1和i_x2分别为两套绕组的x轴电流反馈值。

3.根据权利要求1或2所述的一种双Y移0°双余度电机的故障自容错方法，其特征在于，所述将所述两套绕组的x轴电压给定值和电流反馈值输入至x轴电压扰动观测器，获得两套绕组的x轴电压扰动估计值的方法包括：

x轴电压扰动观测器通过下式观测获得x轴电压扰动估计值：

其中， 为/>的一阶导数，i_x1和i_x2分别为两套绕组的x轴电流反馈值，和/>分别为两套绕组的x轴电流估计值，f_x1和f_x2分别为两套绕组的x轴电压扰动反馈值，和/>分别为两套绕组的x轴电压扰动估计值，

R为电机的相电阻，u_x1 ^*和u_x2 ^*分别为两套绕组x轴的电压给定值，L_xx为两套绕组的x轴互感，L_x为x轴自感，k₁为电流估计反馈参数，k₂为电压扰动估计反馈参数。