开关磁阻电机功率变换器短路故障的容错控制方法技术

本发明专利技术公开一种开关磁阻电机功率变换器短路故障的容错控制方法。本方法针对三相不对称半桥结构中功率开关管的短路故障，以电流软斩波控制作为基本控制算法，根据不同的故障工况选取降额因子。对于故障相采用缩短导通角的方法来抑制故障相电流的过冲，对于健康相则实时改变相电流的波形和幅值来补偿故障相电流对输出转矩产生的不利影响，最后通过调整三相电路中功率开关管的占空比对导通相电路两端的电压进行局部调节，使得开关磁阻电机系统在降额运行下的故障转矩脉动得到进一步优化。本发明专利技术不增加硬件成本，控制算法简单易行并且取得较好的故障转矩脉动抑制效果，具有良好的工程应用价值。

Fault-Tolerant Control Method of Switched Reluctance Motor Power Converter Short Circuit Fault

【技术实现步骤摘要】
开关磁阻电机功率变换器短路故障的容错控制方法
本专利技术属于开关磁阻电机
，具体涉及一种开关磁阻电机功率变换器短路故障的容错控制方法。
技术介绍
开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor，SRM)是上世纪80年代发展起来的一种新型电机。该电机具有结构简单、机体坚固、可靠性高、可控参数多、调速范围广等优点，在工业应用中受到青睐，并且已经在电动汽车、家用电器、通用工业、航空等领域中得到了不同程度的应用和发展。开关磁阻电机系统(SwitchedReluctanceMotorDrive，SRD)中采用的功率变换器一般为不对称半桥型功率变换器结构，其各相电路互相独立，稳定性强并且容错性能好，这使SRM相比较其他电机在可靠性要求高或环境恶劣的工况条件下，具有更突出的优势和市场竞争力。然而功率变换器作为系统控制中的中枢执行机构，是系统中比较容易出现故障的薄弱环节，其功率开关管由于长期工作在高频、变频开关状态，损耗较大且发热严重，系统运行中的过压、过流和过热等原因可能造成功率开关管故障而使其失效。功率变换器故障将会对整个系统运行产生极大危害，会对驱动系统运行的平衡造成破坏，并会产生无法抑制的故障转矩，长期故障运行将会引起整个系统的损坏。因此，对系统中功率变换器实施故障容错十分必要。文献“开关磁阻电机功率变换器的故障诊断与容错策略”，卢胜利，陈昊，昝小舒，开关磁阻电机功率变换器的故障诊断与容错策略，电工技术学报，2009，24(11)：199-206。针对开关磁阻电机三相不对称半桥功率变换器进行短路故障研究，提出相对谱比系数的概念作为故障特征量以实现故障检测，并且给出了一种变角度容错方案以降低故障相产生的制动转矩。但是三相不对称半桥的重叠角有限，同时各相电路导通角的调节有限，因此不能达到较好的转矩脉动抑制效果。文献“FlexibleFault-TolerantTopologyforSwitchedReluctanceMotorDrives”,YihuaHu,ChunGan,WenpingCao,JiangfengZhang,WuhuaLi,StephenJ.Finney,IEEETransactionsonPowerElectronics,2016,31(6):4654-4668(“开关磁阻电机的一种柔性容错拓扑”，《IEEE学报-电力电子期刊》，2016年第31卷第6期4654～4668页)传统不对称半桥驱动拓扑上增加了单相桥和中继网环节，提出一种具有故障诊断、容错的新型SRM柔性容错拓扑结构。该结构通过改变拓扑对多种类型故障进行容错控制，可以取得较好的容错控制效果。但是硬件的增加提高了系统的成本，同时单相桥的高频使用会加速功率器件的损坏。综上，现有技术存在的主要问题是：1.采用复杂算法控制可以获得较好容错效果，但实现复杂，不能满足系统实时性要求，并且程序容易崩溃。2.采用简单控制算法，容错控制效果较差。3.采用硬件拓扑容错控制，添加较多的功率器件才能获得较好容错控制效果，系统成本大幅增加，同时功率器件的增加也使得系统故障率增加。
技术实现思路
本专利技术鉴于现有开关磁阻电机功率变换器故障容错控制策略中存在的缺点，提出了一种开关磁阻电机功率变换器短路故障的容错控制方法。该方法在不改变开关磁阻电机功率变换器拓扑结构的基础上，采用工程中广泛应用的电流软斩波控制与降额思想结合进行容错控制，通过缩短故障相的导通区间来改变故障相的参考电流，抑制故障相电流过冲的现象，同时根据故障相电流的变化实时改变健康相的电流波形和幅值，补偿由于故障相引起的电机转矩脉动，达到故障容错的目的。在此基础上通过改变功率变换器中功率器件的占空比实现对相电路端电压的局部调节，可以进一步抑制故障转矩脉动。为了实现上述目标，本专利技术提供了一种开关磁阻电机功率变换器短路故障的容错控制方法，包括对开关磁阻电机γ相电流、开关磁阻电机γ相转矩和开关磁阻电机转子位置角θ的采样，γ≥3，步骤如下：步骤1，建立开关磁阻电机模型步骤1.1，根据开关磁阻电机本体设计参数建立开关磁阻电机相电流-位置-转矩三维数据表，包括：将开关磁阻电机的一个转子电周期对应的转子电角度0°到360°区间均分为N份，得到转子电角度数组为R，R＝{θv|θv＝v×r，v＝0,1,...,N}，0°≤θv≤360°，其中r为将一个转子电周期对应的转子电角度0°到360°区间均分的单位转子电角度，N为将一个转子电周期对应的转子电角度0°到360°区间按单位转子电角度r进行均分得到的转子电角度个数，将转子电角度数组R中的N个转子电角度记为θv，v为转子电角度数组R中转子电角度θv按照从小到大排序对应的转子电角度的序列号，v＝0,1,...,N；将开关磁阻电机的磁链范围均分为M份，得到磁链数组F，F＝{ψm|ψm＝m×h，m＝0,1,...,M}，0≤ψm≤ψmax，其中h为将开关磁阻电机的磁链范围均分的单位磁链，M为将开关磁阻电机的磁链范围按照单位磁链h进行均分得到的磁链个数，将磁链数组F中的M个磁链记为ψm，m为磁链数组F中磁链ψm按照从小到大排序对应的磁链的序列号，m＝0,1,...,M，ψmax为开关磁阻电机所允许的最大磁链；根据开关磁阻电机转子电角度数组R和磁链数组F获取开关磁阻电机相电流数组P，P＝{iv,m|v＝0,1,...,N，m＝0,1,...,M}，iv,m为转子电角度θv和磁链ψm所对应的相电流，0≤iv,m≤Imax，Imax为开关磁阻电机所允许的最大相电流；根据转子电角度数组R、磁链数组F和相电流数组P之间的一一对应关系，计算开关磁阻电机的任一运行点Q处的理论瞬时电磁转矩TQ，从而得到开关磁阻电机理论转矩数组T＝{Tv,p|v＝0,1,...,N，p＝0,1,...,M}，Tv,p为转子电角度θv和相电流iv,m所对应的理论计算转矩，0≤Tv,p≤Tmax，Tmax为开关磁阻电机所允许的最大转矩；根据开关磁阻电机转子电角度数组R、相电流数组P和理论转矩数组T，拟合出开关磁阻电机电流-位置-理论转矩三维数据表；步骤1.2，在进行步骤1.1的同时，根据扭矩测量仪实时测得一个转子电周期中转矩数组为转子电角度θv和相电流iv,m所对应的实时测量转矩，其中将开关磁阻电机的转矩在一个转子电角度周期内的最小值为记为开关磁阻电机转矩最小值将开关磁阻电机的转矩在一个转子电角度周期内的最大值为记为开关磁阻电机转矩最大值根据开关磁阻电机转子电角度数组R和转矩数组T*，拟合出开关磁阻电机位置-转矩二维数据表；步骤2，参数设定与数据获取设定开关磁阻电机的开通角θon和开关磁阻电机的关断角θoff；令当前时刻为k时刻，通过位置传感器采集得到k时刻转子电角度θ(k)，通过电流传感器采集得到开关磁阻电机运转时k时刻电机电路的相电流ix(k)，x＝1,2,...,γ，x表示开关磁阻电机γ相电路的编号；记录k时刻驱动状态Gx：Gx＝1，表示k时刻电机的第x相电路驱动为励磁状态；Gx＝0，表示k时刻电机的第x相电路驱动为零电压续流状态；Gx＝-1，表示k时刻电机的第x相电路驱动为退磁状态；步骤3，判断导通状态根据步骤2得到k时刻转子电角度θ(k)，结合设定的开通角θon和设定的关断角θoff本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关磁阻电机功率变换器短路故障的容错控制方法，其特征在于，包括对开关磁阻电机γ相电流、开关磁阻电机γ相转矩和开关磁阻电机转子位置角θ的采样，γ≥3，步骤如下：步骤1，建立开关磁阻电机模型步骤1.1，根据开关磁阻电机本体设计参数建立开关磁阻电机相电流‑位置‑转矩三维数据，包括：将开关磁阻电机的一个转子电周期对应的转子电角度0°到360°区间均分为N份，得到转子电角度数组为R，R＝{θv|θv＝v×r，v＝0,1,...,N}，0°≤θv≤360°，其中r为将一个转子电周期对应的转子电角度0°到360°区间均分的单位转子电角度，N为将一个转子电周期对应的转子电角度0°到360°区间按单位转子电角度r进行均分得到的转子电角度个数，将转子电角度数组R中的N个转子电角度记为θv，v为转子电角度数组R中转子电角度θv按照从小到大排序对应的转子电角度的序列号，v＝0,1,...,N；将开关磁阻电机的磁链范围均分为M份，得到磁链数组F，F＝{ψm|ψm＝m×h，m＝0,1,...,M}，0≤ψm≤ψmax，其中h为将开关磁阻电机的磁链范围均分的单位磁链，M为将开关磁阻电机的磁链范围按照单位磁链h进行均分得到的磁链个数，将磁链数组F中的M个磁链记为ψm，m为磁链数组F中磁链ψm按照从小到大排序对应的磁链的序列号，m＝0,1,...,M，ψmax为开关磁阻电机所允许的最大磁链；根据开关磁阻电机转子电角度数组R和磁链数组F获取开关磁阻电机相电流数组P，P＝{iv,m|v＝0,1,...,N，m＝0,1,...,M}，iv,m为转子电角度θv和磁链ψm所对应的相电流，0≤iv,m≤Imax，Imax为开关磁阻电机所允许的最大相电流；根据转子电角度数组R、磁链数组F和相电流数组P之间的一一对应关系，计算开关磁阻电机的任一运行点Q处的理论瞬时电磁转矩TQ，...

【技术特征摘要】
1.一种开关磁阻电机功率变换器短路故障的容错控制方法，其特征在于，包括对开关磁阻电机γ相电流、开关磁阻电机γ相转矩和开关磁阻电机转子位置角θ的采样，γ≥3，步骤如下：步骤1，建立开关磁阻电机模型步骤1.1，根据开关磁阻电机本体设计参数建立开关磁阻电机相电流-位置-转矩三维数据，包括：将开关磁阻电机的一个转子电周期对应的转子电角度0°到360°区间均分为N份，得到转子电角度数组为R，R＝{θv|θv＝v×r，v＝0,1,...,N}，0°≤θv≤360°，其中r为将一个转子电周期对应的转子电角度0°到360°区间均分的单位转子电角度，N为将一个转子电周期对应的转子电角度0°到360°区间按单位转子电角度r进行均分得到的转子电角度个数，将转子电角度数组R中的N个转子电角度记为θv，v为转子电角度数组R中转子电角度θv按照从小到大排序对应的转子电角度的序列号，v＝0,1,...,N；将开关磁阻电机的磁链范围均分为M份，得到磁链数组F，F＝{ψm|ψm＝m×h，m＝0,1,...,M}，0≤ψm≤ψmax，其中h为将开关磁阻电机的磁链范围均分的单位磁链，M为将开关磁阻电机的磁链范围按照单位磁链h进行均分得到的磁链个数，将磁链数组F中的M个磁链记为ψm，m为磁链数组F中磁链ψm按照从小到大排序对应的磁链的序列号，m＝0,1,...,M，ψmax为开关磁阻电机所允许的最大磁链；根据开关磁阻电机转子电角度数组R和磁链数组F获取开关磁阻电机相电流数组P，P＝{iv,m|v＝0,1,...,N，m＝0,1,...,M}，iv,m为转子电角度θv和磁链ψm所对应的相电流，0≤iv,m≤Imax，Imax为开关磁阻电机所允许的最大相电流；根据转子电角度数组R、磁链数组F和相电流数组P之间的一一对应关系，计算开关磁阻电机的任一运行点Q处的理论瞬时电磁转矩TQ，从而得到开关磁阻电机理论转矩数组T＝{Tv,p|v＝0,1,...,N，p＝0,1,...,M}，Tv,p为转子电角度θv和相电流iv,m所对应的理论计算转矩，0≤Tv,p≤Tmax，Tmax为开关磁阻电机所允许的最大转矩；根据开关磁阻电机转子电角度数组R、相电流数组P和理论转矩数组T，拟合出开关磁阻电机电流-位置-理论转矩三维数据表；步骤1.2，在进行步骤1.1的同时，根据扭矩测量仪实时测得一个转子电周期中转矩数组为转子电角度θv和相电流iv,m所对应的实时测量转矩，其中将开关磁阻电机的转矩在一个转子电角度周期内的最小值为记为开关磁阻电机转矩最小值将开关磁阻电机的转矩在一个转子电角度周期内的最大值为记为开关磁阻电机转矩最大值根据开关磁阻电机转子电角度数组R和转矩数组T*，拟合出开关磁阻电机位置-转矩二维数据表；步骤2，参数设定与数据获取设定开关磁阻电机的开通角θon和开关磁阻电机的关断角θoff；令当前时刻为k时刻，通过位置传感器采集得到k时刻转子电角度θ(k)，通过电流传感器采集得到开关磁阻电机运转时k时刻电机电路的相电流ix(k)，x＝1,2,...,γ，x表示开关磁阻电机γ相电路的编号；记录k时刻驱动状态Gx：Gx＝1，表示k时刻电机的第x相电路驱动为励磁状态；Gx＝0，表示k时刻电机的第x相电路驱动为零电压续流状态；Gx＝-1，表示k时刻电机的第x相电路驱动为退磁状态；步骤3，判断导通状态根据步骤2得到k时刻转子电角度θ(k)，结合设定的开通角θon和设定的关断角θoff，通过换相控制单元确定k时刻开关磁阻电机的导通相，所述换相控制单元具体进行如下判断，当θon≤θ(k)≤θoff时，Sx＝1；当θon＜θ(k)或θ(k)>θoff时，Sx＝0；其中，Sx为导通区间信号，当Sx＝1时，第x相导通，当Sx＝0时，第x相关断，x＝1,2,...,γ；步骤4，选取降额因子及设定故障参考值记K时刻开关磁阻电机系统的降额因子为K时刻降额因子σ％，其中，Tref'为任一功率开关管发生短路故障后开关磁阻电机系统采取降额控制后γ相电路合成的参考转矩，记为参考转矩Tref'，Tav为γ相电路中的所有功率开关管在没有发生故障时开关磁阻电机γ相电路合成的平均转矩；计算得到开关磁阻电机系统采取降额控制后γ相电路的矩形降额参考电流Iref'，其中Iref为γ相电路中的所有功率开关管在没有发生故障时开关磁阻电机系统采用的矩形参考电流；步骤5，占空比获取规则将开关磁阻电机的参考相电流分为B份，得到参考相电流数组β，β＝{Irefer|Irefer＝ε×μ，ε＝0,1,...,B}，0≤Irefer≤Irefer_max，其中μ是将开关磁阻电机参考相电流范围均分的相电流差，B为参考相电流按照μ差值均分得到的相电流份数，将参考相电流数组B中的每一个参考电流定义为Irefer，ε为参考相电流数组B中每一个参考相电流Irefer按照从小到大排序所对应的相电流序列号，ε＝0,1,...,B，Irefer_max为开关磁阻电机所允许的最大参考相电流；将开关磁阻电机的转速分为Y份，得到转速数组U，U＝{Nr|Nr＝w×ρ，w＝0,1,...,Y}，0≤Nr≤Nmax，其中ρ是将开关磁阻电机转速范围均分的转速差，Y为转速按照ρ差值均分得到的转速份数，将转速数组U中的每一个转速定义为Nr，w为转速数组U中每一个转速Nr按照从小到大排序所对应的转速序列号，w＝0,1,...,Y，Nmax为开关磁阻电机所允许的最大转速；根据转速数组U，参考相电流数组β和K时刻降额因子σ％仿真分别获取开关磁阻电机x相电路的功率开关管的励磁占空比Dxe，Dxe＝{τx_ε,w|x＝1,2,...,γ，ε＝0,1,...,B，w＝0,1,...,Y}和退磁占空比Dxd，Dxd＝{τx_ε,w'|x＝1,2,...,γ，ε＝0,1,...,B，w＝0,1,...,Y}，τx_ε,w为开...

【专利技术属性】
技术研发人员：马铭遥，王瑞，杨淑英，李飞，杨晴晴，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34