基于铜耗最小的轴向磁场磁通切换容错电机容错控制方法

技术领域

本发明属于电气传动技术领域，涉及一种容错控制方法，特别是涉及一种基于铜耗最小的轴向磁场磁通切换容错电机容错控制方法。

背景技术

电机的容错控制技术在航天、交通以及军工等领域都有重要的应用，在故障状态下电机的可持续运行，能够有效提高整个系统的可靠性和安全性，近年来，很多国内外的专家和学者都致力于容错电机的研究。

轴向磁场磁通切换容错电机(Axial filed flux-switching fault tolerant machine，AFFSFTM)是一种新型的定子永磁型磁通切换电机，它将磁通切换理念和轴向磁场电机有效地结合起来，并使用E形导磁铁芯代替原有的U形导磁铁芯，结构如图1所示。所以AFFSFT电机结合了永磁同步电机和磁通切换电机特点，一方面具有结构简单、体积小、控制灵活等优点；一方面具有高效率、高功率密度等优点。该电机E形导磁铁芯的中间齿上绕有励磁绕组，使电机在正常运行时能够使用弱磁调速；而当电机发生故障，启用容错控制时，励磁绕组又能够作为容错绕组对系统进行辅助容错。此外，AFFSFT电机三相绕组之间的互感相较于自感很小，有效减小了相间耦合，因此，当电机发生单相故障时，故障相对非故障相的影响较小，这样的结构使AFFSFT电机具有很好的容错性能。

在电机的运行过程中，单相故障一般分为4种：单相功率管断路，单相功率管短路，单相绕组断路，单相绕组短路。其中控制系统逆变桥最容易发生的是单相功率管断路故障，而电相绕组故障中，也以断路故障的危害最大。由于轴向磁场磁通切换容错电机是一种新型的容错电机，对于其容错控制，未见相相关文献与报道，但由于该电机的各种优点，能够胜任航天、交通、军工等多种场合，安全性与可靠性问题尤为重要，因此其容错控制方法的研究非常有必要。

发明内容

技术问题：本发明提供一种适用于轴向磁场磁通切换容错电机，以电机整体的铜耗最小化为目标控制容错绕组的电流，使电机运行在容错状态时非故障相电流得到优化，并大大提高了电能的利用率的基于铜耗最小的轴向磁场磁通切换容错电机容错控制方法。

技术方案：本发明的基于铜耗最小的轴向磁场磁通切换容错电机容错控制方法，包括以下步骤：

(1)从电机主电路采集三相电流i_a、i_b、i_c，中线电流i_N，以及容错绕组电流i_f，逆变器母线电压U_dc，对电机进行初始位置检测，从电机编码器上采集信号，送入控制器进行处理，得出转速n和转子位置角θ；

(2)将所述步骤(1)采集到的电压、电流信号，经过跟随、滤波、偏置和A/D转换送入控制器，然后对所述三相电流i_a、i_b、i_c进行坐标变换，得到两相旋转坐标系下的定子d轴电流i_d和定子q轴电流i_q；

(3)用给定转速n^*减去编码器实测转速n，得到的转速偏差Δn输入转速调节器，经比例积分计算后得到电流转矩分量参考值用所述减去步骤(2)中坐标变换得到的定子q轴电流i_q得到偏差值Δi_q，用电流励磁分量参考值减去步骤(2)中坐标变换得到的定子d轴电流i_d得到偏差值Δi_d，将所述Δi_d与Δi_q输入相应的电流调节器，输出值经过前馈解耦环节和Park反变换得到转子α轴电压U_α和转子β轴电压U_β，并送入SVPWM发生器进行处理；

(4)根据三相电流判断故障状态，当检测到轴向磁场磁通切换容错电机运行状态正常时，进入步骤5)，当检测到轴向磁场磁通切换容错电机发生单相故障时，进入步骤6)；

(5)采用i_d＝0的控制策略，即将步骤3)中的电流励磁分量参考值设为零，逆变器工作在三相三桥臂模式下，SVPWM发生器确定相电压矢量进入步骤9)；

(6)电机容错控制依旧采用i_d＝0的控制策略，逆变器工作在两相三桥臂模式下，SVPWM发生器通过算法切换，使故障相电压矢量由中线N相电压矢量代替，使逆变器运行在两相三桥臂模式下，此时中线N相电压矢量U_NN恒等于0，非故障相电压矢量U_xN,U_yN∈{-U_dc,0,U_dc}；

(7)容错绕组给电机增磁，确定容错绕组电流参考值其取值满足：

其中，R_f为容错绕组电阻，I_s为电枢绕组电流有效值，为相永磁磁链幅值初始值，R_s为相绕组电阻，ψ_pm(i_f)为电机增磁过程中相永磁磁链幅值随电流i_f的变化函数关系；

(8)用容错绕组电流参考值减去所述步骤(1)中采集到的实际电流i_f，得到电流偏差值Δi_f，将所述Δi_f输入脉冲宽度调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号，驱动控制容错绕组电流的H桥逆变器并进入步骤(9)；

(9)SVPWM发生器根据判断输入量U_α和U_β所在的扇区，计算出所述步骤(5)或步骤(6)中所得相电压矢量的作用时间，运算输出8路脉冲宽度调制信号，驱动三相四桥臂逆变器工作。

本发明方法的一种优选方案中，步骤(4)中，根据采集到的相电流有效值判断故障状态，即：实测相电流为i_k，有效值为I_k，其中k为表示a、b、c三相的符号，当在检测周期内检测到I_k∈(-ε,ε)，则判断轴向磁场磁通切换容错电机有单相断路故障发生；当在连续两个以上检测周期内检测到其中k₁表示故障相，k₂、k₃表示非故障相，且满足k₁,k₂,k₃∈[a,b,c]，k₁≠k₂≠k₃，则判断轴向磁场磁通切换容错电机有单相短路故障发生；当前面两种状况均没有时，判断电机状态正常，其中ε为一个接近于零的数。

本发明方法的一种优选方案中，步骤(7)中按照如下方式确定容错绕组电流参考值

1)通过实验或者电机有限元仿真数据，得到电机增磁过程中相永磁磁链幅值随电流i_f的变化函数ψ_pm(i_f)；

2)通过电机容错绕组电阻R_f，电枢绕组电流有效值I_s，相绕组电阻R_s，以及所述步骤1)得到的变化函数ψ_pm(i_f)计算出电机容错运行时的铜耗P_copper(i_f)；

3)将所述铜耗P_copper(i_f)对容错电流i_f求导，使导数表达式等于零的容错电流值，即为容错绕组电流参考值

本发明在分析轴向磁场磁通切换容错电机的基础上，结合三相四桥臂的逆变器拓扑结构，使用容错绕组进行辅助，并且通过算法，以电机整体的铜耗最小化为目标控制容错绕组的电流，使电机运行在容错状态时非故障相电流得到优化，并大大提高了电能的利用率。

有益效果：轴向磁场磁通切换容错电机控制系统逆变桥最容易发生的是单相功率管断路故障，而电相绕组故障中，也以断路故障的危害最大。针对这两种单相断路故障，会破坏驱动系统运行的平衡，产生无法抑制的转矩和转速脉动，长时间故障运行会给电机带来不可逆的损害。本发明通过步骤4)至步骤7)的轴向磁场磁通切换容错电机控制系统，能够准确检测故障状态，使的电机在发生故障后能够运行在容错状态，所以本发明具有以下优点：

(1)该控制系统能够使轴向磁场磁通切换容错电机在发生故障后及时运行在容错状态；

(2)该控制系统能够优化轴向磁场磁通切换容错电机容错运行时非故障相的电流，提高容错运行时电机的带负载能力；

(3)该控制系统能够通过控制轴向磁场磁通切换容错电机容错绕组电流的大小，使电机容错运行时的铜耗最小化，大大提高了运行的效率。

附图说明

图1为AFFSFT电机本体拓扑结构。

图2为AFFSFT电机逆变器拓扑结构。

图3为本发明方法的系统框图。

图4为本发明方法的逻辑流程图。

图5为AFFSFT电机运行时的三相电流及N相电流波形。

图6为AFFSFT电机铜耗最小化的I_s-i_f曲线。

图7为AFFSFT电机各个I_s下的i_f-P_copper曲线。

具体实施方式

下面结合实例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

本发明是一种基于铜耗最小的轴向磁场磁通切换电机容错控制方法，该电机由两个结构相同的外定子和一个内转子组成，两者均为凸极结构，永磁体和电枢绕组都置于定子上，图1为其拓扑结构图。每个定子包括6个E形导磁铁芯、6块永磁体、6个电枢线圈和6个容错(励磁)线圈。每个电枢线圈绕在两个相邻E形导磁铁芯的侧边齿上，每个容错(励磁)线圈绕在E形导磁铁芯的中间齿上，相邻侧边齿间嵌入永磁体，永磁体沿切向交替充磁，两侧定子上正对的永磁体充磁方向相反。定子绕组采用集中绕组，定子1上的A相线圈由线圈A11和A12串联组成，定子2上的A相线圈由线圈A21和线圈A22串联组成，两侧定子绕组可串联连接，B相与C相同理。转子共有14个齿，均匀分布在非导磁圆环的外圆周上。

本发明为了能够实现轴向磁场磁通切换容错电机的容错运行，如图2所示，电枢绕组逆变桥采用了三相四桥臂的拓扑结构，即A、B、C三相电枢绕组呈星形连接，并将中线N相引出，作为第四相接入逆变桥，而容错(励磁)绕组逆变器采用H桥结构。

图3为实现本发明基于铜耗最小的轴向磁场磁通切换容错电机容错控制方法的系统框图，该控制系统由直流电源、母线电容、DSP控制器、功率变换器、电压电流传感器、AFFSFT电机、光电编码器等组成。

直流母线给整个系统供电，经过电容滤波后送给功率变换器，霍尔电压传感器采集母线电压，经过调理后送入控制器。功率变换器的输出端接AFFSFT电机，霍尔电流传感器采集相电流和容错绕组电流，调理后送入控制器，编码器电路采集转速与转子位置信号，处理后送入控制器计算转子位置与转速。控制器输出12路PWM信号分别驱动功率变换器中的12个功率管。

本发明的基于最小铜耗的轴向磁场磁通切换容错电机容错控制方法，图4所示，具体包括以下步骤：

(1)五个霍尔电流传感器分别从电机主电路采集定子三相电流i_a、i_b、i_c，中线电流i_N，以及容错绕组电流i_f，霍尔电压传感器采集逆变器母线电压U_dc，对电机进行初始位置检测，从电机编码器上采集信号，送入控制器进行处理，得出转速n和转子位置角θ；

(2)将采集到的电压、电流信号，经过跟随、滤波、偏置和A/D转换送入控制器，然后对三相电流i_a、i_b、i_c进行坐标变换，得到两相旋转坐标系下的定子d轴电流i_d和定子q轴电流i_q；

(3)用给定转速n^*减去编码器实测转速n，得到的转速偏差Δn输入转速调节器，经比例积分计算后得到电流转矩分量参考值用减去2)中采集到的定子q轴电流i_q得到偏差值Δi_q，用电流励磁分量参考值减去2)中采集到的定子d轴电流i_d得到偏差值Δi_d，将Δi_d与Δi_q输入相应的电流调节器，输出值经过前馈解耦环节和Park反变换得到转子α轴电压U_α和转子β轴电压U_β，并送入SVPWM发生器进行处理；

(4)根据采集到的相电流有效值判断故障状态，即实测相电流为i_k(k＝a,b,c)，其有效值为I_k(k＝a,b,c)，当在检测周期内检测到I_k∈(-ε,ε)，其中ε为一个接近于零的数，或者在连续两个以上检测周期内检测到其中一相的电流有效值明显大于另外两相，则可判断轴向磁场磁通切换容错电机有单相路故障发生，进入步骤6)，否则判断电机状态正常，进入步骤5)；

(5)逆变器工作在三相三桥臂模式下，SVPWM发生器按照常规算法正常运算，根据矢量控制原理，在d-q坐标系中，得出轴向磁场系统切换容错电机的数学模型。

三相电流分别为：

磁链方程：

电压方程：

转矩方程：

其中，i_a、i_b、i_c分别为定子三相电流，I_m为相电流幅值，θ为相位角；ψ_d、ψ_q分别d轴与q轴磁链，i_d、i_q分别为d轴与q轴电流，L_d、L_q分别为d轴与q轴电感，ψ_pm为永磁体磁链；u_d、u_q分别为d轴与q轴电压，R_s为电枢绕组电阻，ω_e为电角速度；T_e为电磁转矩，p为电机极对数。

采用i_d＝0的SVPWM控制，即步骤3)中的电流励磁分量参考值设为零，此时，逆变器八个电压矢量合成的相电压矢量U_AN、U_BN和U_CN，以及三相电压经过Clark变换后在αβ0坐标系下的电压U_α和U_β的取值如表1所示，进入步骤9)；

表1 AFFSFT电机正常运行时的电压矢量表

(6)电机容错控制依旧采用i_d＝0的控制策略，逆变器工作在两相三桥臂模式下，轴向磁场磁通切换容错电机控制系统故障前总磁动势为：

其中，TMMF为总磁动势，F_a、F_b、F_c分别为A、B、C相磁动势，N为电枢绕组匝数，α为空间旋转因子。

假设轴向磁场磁通切换容错电机A相发生断路故障，总磁动势为：

其中，TMMF'为容错控制总磁动势，F_b'、F_c'为容错控制时的B、C相磁动势；i_b'、i_c'为容错控制时的B、C相电流。

为了保证轴向磁场磁通切换永磁电机能够容错运行，令式(6)和式(5)实部和虚部分别相等，从而可得：

为实现这样的电流分配，SVPWM发生器通过算法切换，使A相电压矢量由中线N相电压矢量代替，此时，逆变器八个电压矢量合成的相电压矢量U_NN、U_BN和U_CN，以及三相电压经过Clark变换后在αβ0坐标系下的电压U_α和U_β的取值如表2所示，与表1相同；

表2 AFFSFT电机容错运行时的电压矢量表

(7)电机容错前后的铜耗计算：

电机正常运行时的铜耗为：

电机直接以步骤6)的电流分配方式容错运行时的铜耗：

在步骤6)的基础上，使用容错绕组进行辅助，容错运行时的铜耗：

基于铜耗最小的容错控制方法，就是使容错绕组参考电流取到式(10)导数等于0的点，即满足：

其中，R_f为容错绕组电阻，I_s为电枢绕组电流有效值，为相永磁磁链幅值初始值，R_s为相绕组电阻，ψ_pm(i_f)为电机增磁过程中相永磁磁链幅值随电流i_f的变化函数，无论是通过有限元仿真还是实验，都可以测得ψ_pm(i_f)是一个单调递增函数，且随着i_f的增加，其导数趋于零；

(8)用容错绕组电流参考值减去步骤1)中采集到的实际电流i_f，得到电流偏差值Δi_f，将Δi_f输入脉冲宽度调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号，驱动控制容错绕组电流的H桥逆变器；

(9)SVPWM发生器根据判断输入量U_α和U_β所在的扇区，计算出步骤5)或步骤6)中所得相电压矢量的作用时间，运算输出8路脉冲宽度调制信号，驱动三相四桥臂逆变器工作。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。