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

本发明专利技术公开了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，使轴向磁场磁通切换容错电机发生单相断路故障时能够运行在容错状态，并使电机的铜耗最小化。逆变器采用三相四桥臂容错拓扑，根据相电流判断故障状态。当正常运行时，逆变器工作在三相三桥臂模式下，轴向磁场磁通切换容错电机控制系统采用i

Fault-tolerant control method of fault tolerant motor based on copper flux minimization for axial magnetic flux switching

The invention discloses a minimum axial field flux switching motor fault tolerant control method based on the consumption of copper, the axial field flux switching motor can run in fault tolerant single-phase circuit fault, and the motor copper loss minimization. The inverter uses three-phase four leg Fault Tolerant Topology, and judges the fault state according to the phase current. When the normal operation, the inverter in three-phase three leg mode, axial field flux switching fault tolerant motor control system using I

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于电气传动
，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。
技术介绍
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(Axialfiledflux-switchingfaulttolerantmachine，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。
技术实现思路
技术问题：本专利技术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：本专利技术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ia、ib、ic，中线电流iN，以及容错绕组电流if，逆变器母线电压Udc，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ia、ib、ic进行坐标变换，得到两相旋转坐标系下的定子d轴电流id和定子q轴电流iq；(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iq得到偏差值Δiq，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id得到偏差值Δid，将所述Δid与Δiq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Uα和转子β轴电压Uβ，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id＝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id＝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UNN恒等于0，非故障相电压矢量UxN,UyN∈{-Udc,0,Udc}；(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，Rf为容错绕组电阻，Is为电枢绕组电流有效值，为相永磁磁链幅值初始值，Rs为相绕组电阻，ψpm(if)为电机增磁过程中相永磁磁链幅值随电流if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if，得到电流偏差值Δif，将所述Δif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Uα和Uβ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。本专利技术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ik，有效值为Ik，其中k为表示a、b、c三相的符号，当在检测周期内检测到Ik∈(-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。本专利技术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if的变化函数ψpm(if)；2)通过电机容错绕组电阻Rf，电枢绕组电流有效值Is，相绕组电阻Rs，以及所述步骤1)得到的变化函数ψpm(if)计算出电机容错运行时的铜耗Pcopper(if)；3)将所述铜耗Pcopper(if)对容错电流if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专利技术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。本专利技术通过步骤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，所以本专利技术具有以下优点：(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为本专利技术方法的系统框图。图4为本专利技术方法的逻辑流程图。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Is-if曲线。图7为AFFSFT电机各个Is下的if-Pco本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)从电机主电路采集三相电流i

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)从电机主电路采集三相电流ia、ib、ic，中线电流iN，以及容错绕组电流if，逆变器母线电压Udc，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ia、ib、ic进行坐标变换，得到两相旋转坐标系下的定子d轴电流id和定子q轴电流iq；(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iq得到偏差值Δiq，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id得到偏差值Δid，将所述Δid与Δiq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Uα和转子β轴电压Uβ，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id＝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id＝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UNN恒等于0，非故障相电压矢量UxN,UyN∈{-Udc,0,Udc}；(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：

【专利技术属性】
技术研发人员：林明耀，顾卫钢，何春晓，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32