CN103427731A - 一种四相永磁容错电机短路补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四相永磁容错电机短路补偿控制方法，采用集中绕组，接独立的H桥驱动逆变器，以实现完全的故障隔离。当某一相绕组发生短路故障时，就会在该相产生较大的短路电流，导致电机不平衡运行。利用转矩等效原理，通过调整其他非故障相电流的幅值和相位，使故障前后电机输出的电磁转矩相等，以实现短路故障容错控制。

Description

一种四相永磁容错电机短路补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机短路补偿控制方法，特别是一种四相永磁容错电机短路补偿控制方法。

背景技术

近年来，随着交流电动机调速技术的迅速发展，研究多电以及全电飞机已经成为航空领域里一个炙手可热的课题。而多电飞机***的关键技术之一就是电力作动***的设计。由于电力作动***广泛应用于飞机刹车、舵面控制以及油泵等关键电力传动***中，一旦发生故障，故障后电机缺相运行，输出转矩将出现较大的波动，产生较大的机械噪声，***的整体性能大大降低，甚至不能工作，造成重大损失。因此电力作动***必须具有很强的安全可靠性和容错性，研究提高***可靠性的控制策略，减少或避免因故障造成的损失，具有十分重要的现实意义。

自20世纪70年代以来，国外的学者展开了对电机驱动***可靠性技术的研究，并且取得了一些成果，从现有的文献来看，在方法上主要有两种：采用冗余结构和提高***容错性能。具体的实现途径主要有以下几个方面：研究具有容错性能的电机结构，开发高可靠性驱动电路的拓扑结构，研究高可靠性的智能控制策略。

现有的容错控制策略，仅限于开路故障，而且算法复杂，需要多次复杂的迭代才能得出最终施加在正常相绕组上的给定电流，整个控制过程不易软件编程。本发明提出了一种简单，易操作适用于短路故障的容错控制策略，大大提高了***的可靠性和容错性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种简单、有效的容错控制策略，使电机在满足特定技术指标的前提下带故障运行的四相永磁容错电机短路补偿控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种四相永磁容错电机短路补偿控制方法，步骤包括：

1）所述的四相永磁容错电机分为A、B、C、D四相，将每相绕组两端引出，连接上独立的H桥逆变器，并对电力电子器件采取热隔离和物理隔离，之后执行步骤2）；

2）利用霍尔电流传感器检测各相绕组的电流，之后执行步骤3）；

3）当检测到A相绕组电流幅值I_am＞I_m时，I_m为电机正常运行时所通电流的幅值，可知A相发生短路故障，执行步骤4）；当检测到B相绕组电流幅值I_bm＞I_m时，即B相绕组发生短路故障，执行步骤5）；当检测到C相绕组电流幅值I_cm＞I_m时，即C相绕组发生短路故障，执行步骤6）；当检测到D相绕组电流幅值I_dm＞I_m时，即D相绕组发生短路故障，执行步骤7）,当I_am≤I_m且I_bm≤I_m且I_cm≤I_m且I_dm≤I_m时，则执行步骤2）；

4）数字信号处理器控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断调整B相绕组电流幅值与A相绕组短路电流幅值一致，B相绕组电流相位与A相绕组正常运行时电流相位一致，并把C、D两相绕组的电流幅值调整为C、D两相绕组正常运行时电流幅值的2倍，C、D两相绕组的电流相位保持不变，本方法结束；

5）数字信号处理器控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断调整C相绕组电流幅值与B相绕组短路电流幅值一致，C相绕组电流相位与B相绕组正常运行时电流相位一致，并把A、D两相绕组的电流幅值调整为A、D两相绕组正常运行时电流幅值的2倍，A、D两相绕组的电流相位保持不变，本方法结束；

6）数字信号处理器控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断调整D相绕组电流幅值与C相绕组短路电流幅值一致，D相绕组电流相位与C相绕组正常运行时电流相位一致，并把A、B两相绕组的电流幅值调整为A、B两相绕组正常运行时电流幅值的2倍，A、B两相绕组的电流相位保持不变，本方法结束；

7）数字信号处理器控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断调整A相绕组电流幅值与D相绕组短路电流幅值一致，A相绕组电流相位与D相绕组正常运行时电流相位一致，并把B、C两相绕组的电流幅值调整为B、C两相绕组正常运行时电流幅值的2倍，B、C两相绕组的电流相位保持不变，本方法结束。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：采用集中绕组，接独立的H桥驱动逆变器，以实现完全的故障隔离。当某一相绕组发生短路故障时，就会在该相产生较大的短路电流，导致电机不平衡运行。利用转矩等效原理，通过调整其他非故障相电流的幅值和相位，使故障前后电机输出的电磁转矩相等，以实现短路故障容错控制。

附图说明

图1为容错控制***的***框图。

图2为四相永磁容错电机结构图

图3为永磁容错电机驱动电路的拓扑结构。

图4为四相永磁容错电机正常运行时所加的电流波形。

图5为四相永磁容错电机正常运行时输出的电磁转矩波形。

图6为A相绕组发生短路故障时的短路电流波形。

图7为A相绕组发生故障时的电磁转矩波形。

图8为A相绕组发生故障时的B相的容错电流波形。

图9为A相绕组发生故障时C、D相的容错电流波形。

图10为A相绕组发生短路故障容错后的电磁转矩波形。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释。

如图1所示，本发明的容错控制***的***框图，i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*、i_d ^*分别为A、B、C、D相的指令电流，i_a、i_b、i_c、i_d分别为通过霍尔电流传感器检测到的A、B、C、D相的实际电流，通过加法器求得i^*-i的值，将其作为电流滞环比较器的输入，通过电流滞环比较器的输出来驱动功率器件的导通和关断。

如图2所示，本发明涉及的四相永磁容错电机定子采用集中绕组，空间上径向相对的定子极串联形成一相，相与相之间是独立的（这种独立包括电路和磁路的独立），某一相绕组发生短路故障时，并不影响其他非故障相的正常工作，实现了完全的电、磁隔离。

如图3所示，驱动电路采用独立的H桥逆变器驱动，容错电机的每相绕组两端均被引出，接独立的H桥逆变器，并对电力电子器件采取热隔离和物理隔离。这种结构实现了完全的相间电隔离，大大提高了绕组独立运行的能力，即使某一相或几相绕组发生短路故障，不能再通过相应的桥供电，通过非故障相工作仍能维持电机运转。

当电机的某相发生短路故障时，将在该相产生较大的短路电流，导致电机不平衡运行。利用等效转矩原理，通过调整其他非故障相电流的幅值和相位，使电机故障前后输出等效的电磁转矩，实现短路容错控制。

电机正常运行时，根据电磁转矩计算公式得：

$T_e=\frac{P_e}{\mathrm{\Ω}}=\frac{e_a{i}_a+e_b{i}_b+e_c{i}_c+e_d{i}_d}{\mathrm{\Ω}}---\left(1\right)$

其中，P_e、T_e分别为电机正常运行时的电磁功率和电磁转矩，e_a、e_b、e_c、e_d分别为A、B、C、D相绕组反电动势，i_a、i_b、i_c、i_d为正常运行时A、B、C、D相所通电流，Ω为电机输出的机械角速度。

各相绕组的空载反电动势为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a=E_m\cos ({\mathrm{p\θ}}_r+\mathrm{\π}/2)\\ e_b=E_m\cos \left({\mathrm{p\θ}}_r\right)\\ e_c=E_m\cos ({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π}/2)\\ e_d=E_m\cos ({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π})\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，p为极对数，θ_r为转子位置角，E_m为空载反电动势幅值。

电机正常工作时所加电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=I_m\cos ({\mathrm{p\θ}}_r+\mathrm{\π}/2)\\ i_b=I_m\cos \left({\mathrm{p\θ}}_r\right)\\ i_c=I_m\cos ({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π}/2)\\ i_d=I_m\cos ({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π})\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，I_m为电机正常运行时所加电流的幅值。

把公式（2）、（3）带入公式（1）得公式（4）：

$T_e=\frac{P_e}{\mathrm{\Ω}}=\frac{E_m{I}_m{\cos }^2({\mathrm{p\θ}}_r+\mathrm{\π}/2)+E_m{I}_m{\cos }^2\left({\mathrm{p\θ}}_r\right)}{\mathrm{\Ω}}$

$+\frac{E_m{I}_m{\cos }^2({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π}/2)+E_m{I}_m{\cos }^2({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π})}{\mathrm{\Ω}}---\left(4\right)$

$=\frac{{2E}_m{I}_m}{\mathrm{\Ω}}$

当A相发生短路故障时，根据电磁转矩计算公式得：

${T_e}^{\′}=\frac{P_e^{\′}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{e_a{i_a}^{\′}+e_b{i}_b+e_c{i}_c+e_d{i}_d}{\mathrm{\Ω}}---\left(5\right)$

其中，P_e′、T_e′分别为电机A相发生短路故障时的电磁功率和电磁转矩，i_a′为A相绕组稳态时的短路电流。

由图6可知，短路电流i_a′＝I_am′cos(pθ_r-π)（I_am′为稳态时A相绕组短路电流的幅值），将其带入公式（5）得：

$T_e^{\′}=\frac{P_e^{\′}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{E_m{I_{\mathrm{am}}}^{\′}\cos ({\mathrm{p\θ}}_r+\mathrm{\π}/2)\cos ({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π})+E_m{I}_m{\cos }^2\left({\mathrm{p\θ}}_r\right)}{\mathrm{\Ω}}$

$+\frac{E_m{I}_m{\cos }^2({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π}/2)+E_m{I}_m{\cos }^2({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π})}{\mathrm{\Ω}}---\left(6\right)$

$=\frac{E_m{I_{\mathrm{am}}}^{\′}\cos ({\mathrm{p\θ}}_r+\mathrm{\π}/2)\cos ({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π})+E_m{I}_m{\cos }^2\left({\mathrm{p\θ}}_r\right)}{\mathrm{\Ω}}+\frac{E_m{I}_m}{\mathrm{\Ω}}$

由公式（6）可以看出E_mI_am′cos(pθ_r+π/2)cos(pθ_r-π)+E_mI_mcos²(pθ_r)是一个随转子位置角θ_r变化的量，因此，A相发生短路故障时所输出的电磁转矩T′_e会有很大的波动。

采用短路容错控制策略，根据电磁转矩计算公式得：

${T_e}^{\′\′}=\frac{{P_e}^{\′\′}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{e_a{i_a}^{\′}+e_b{i_b}^{\′}+e_c{e_c}^{\′}+e_d{i_d}^{\′}}{\mathrm{\Ω}}---\left(7\right)$

其中，P_e′′、T_e′′分别为电机短路容错时的电磁功率和电磁转矩，i_b′、i_c′、i_d′分别为B、C、D相绕组的短路容错电流。

取i_c′＝2i_c，i_d′＝2i_d，i_b′＝I_am′cos(pθ_r+π/2)，将其带入公式（7）得：

${T_e}^{\′\′}=\frac{{P_e}^{\′\′}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{E_m{I_{\mathrm{am}}}^{\′}\cos ({\mathrm{p\θ}}_r+\mathrm{\π}/2)\cos ({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π})+E_m{I_{\mathrm{am}}}^{\′}\cos \left({\mathrm{p\θ}}_r\right)\cos ({\mathrm{p\θ}}_r+\mathrm{\π}/2)}{\mathrm{\Ω}}$

$+\frac{{2E}_m{I}_m{\cos }^2({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π}/2)+{2E}_m{I}_m{\cos }^2({\mathrm{p\θ}}_r-\mathrm{\π})}{\mathrm{\Ω}}$

$=\frac{{2E}_m{I}_m}{\mathrm{\Ω}}=T_e$

利用霍尔电流传感器检测到每相绕组的电流，当检测到某相绕组电流I＞I_m（I_m为电机正常运行时所通电流的幅值），可知该相发生短路故障，数字信号处理器（DSP）就会执行事先编写好的容错控制程序,并产生相应的控制信号来控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断，产生相应的容错控制电流。

如图6所示，以A相为例，首先将编写好的容错控制程序写入DSP芯片，当电流传感器检测到A相电流幅值I_am＞I_m时，可知A相发生短路故障，DSP就会去执行相应的容错控制程序。即调整B相绕组的电流，使其幅值与A相绕组短路电流幅值一致，相位与A相绕组正常运行时电流相位一致；同时把C、D两相绕组的电流幅值调整为正常运行时电流幅值的2倍，相位保持不变。

A相发生短路故障时的容错控制电流可通过以下式子推得，根据转矩等效原理得：

$T_e={T_e}^{\′\′}=\frac{e_a{i}_a+e_b{i}_b+e_c{i}_c+e_d{i}_d}{\mathrm{\Ω}}=\frac{e_a{i_a}^{\′}+e_b{i_b}^{\′}+e_c{i_c}^{\′}+e_d{i_d}^{\′}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{{2E}_m{I}_m}{\mathrm{\Ω}}$

取i_c′＝2i_c，i_d′＝2i_d带入上式：

E_mI_am′cos(pθ_r+π/2)cos(pθ_r-π)+E_mcos(pθ_r)i_b′

+2E_mI_mcos²(pθ_r-π/2)+2E_mI_mcos²(pθ_r-π)＝2E_mI_m

得i_b′＝I_am′cos(pθ_r+π/2)

如图4所示，为电机正常运行时所加的电流波形，由于所设计样机具有正弦反电动势，如公式（2）所示，因此，适用于永磁无刷交流电机（Brushless AC，BLAC）控制方式，驱动电流如公式（3）所示。

如图5所示，为电机正常运行时的电磁转矩波形，由公式（4）计算得到电机输出的理论电磁转矩约为9.46Nm，通过对仿真数据进行计算得到电机正常运行时输出电磁转矩的平均值约为9.34Nm，与理论值基本一致。

A相发生短路故障时，A相产生短路电流电流如图6所示，如图7所示，电机输出的电磁转矩，如图5所示，与正常运行时的电磁转矩，相比脉动很大，此时处理器开始执行容错控制程序：如图8所示，将B相电流的幅值调整为与A相短路电流幅值一致，相位与A相正常运行时的相位一致；如图9所示，把C、D相电流调整为原来的2倍，相位保持不变。容错电机输出的电磁转矩波形，如图10所示，可以看出稳态时，电机输出的电磁转矩与正常运行时的电磁转矩基本相同。

通过上述的公式运算和仿真验证，即可得出一种四相永磁容错电机短路补偿控制方法，步骤包括：

1）所述的四相永磁容错电机分为A、B、C、D四相，将每相绕组两端引出，连接上独立的H桥逆变器，并对电力电子器件采取热隔离和物理隔离，之后执行步骤2）；

2）利用霍尔电流传感器检测各相绕组的电流，之后执行步骤3）；

3）当检测到A相绕组电流幅值I_am＞I_m时，I_m为电机正常运行时所通电流的幅值，可知A相发生短路故障，执行步骤4）；当检测到B相绕组电流幅值I_bm＞I_m时，即B相绕组发生短路故障，执行步骤5）；当检测到C相绕组电流幅值I_cm＞I_m时，即C相绕组发生短路故障，执行步骤6）；当检测到D相绕组电流幅值I_dm＞I_m时，即D相绕组发生短路故障，执行步骤7）,当I_am≤I_m且I_bm≤I_m且I_cm≤I_m且I_dm≤I_m时，则执行步骤2）；

4）数字信号处理器控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断调整B相绕组电流幅值与A相绕组短路电流幅值一致，B相绕组电流相位与A相绕组正常运行时电流相位一致，并把C、D两相绕组的电流幅值调整为C、D两相绕组正常运行时电流幅值的2倍，C、D两相绕组的电流相位保持不变，本方法结束；

5）数字信号处理器控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断调整C相绕组电流幅值与B相绕组短路电流幅值一致，C相绕组电流相位与B相绕组正常运行时电流相位一致，并把A、D两相绕组的电流幅值调整为A、D两相绕组正常运行时电流幅值的2倍，A、D两相绕组的电流相位保持不变，本方法结束；

6）数字信号处理器控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断调整D相绕组电流幅值与C相绕组短路电流幅值一致，D相绕组电流相位与C相绕组正常运行时电流相位一致，并把A、B两相绕组的电流幅值调整为A、B两相绕组正常运行时电流幅值的2倍，A、B两相绕组的电流相位保持不变，本方法结束；

7）数字信号处理器控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断调整A相绕组电流幅值与D相绕组短路电流幅值一致，A相绕组电流相位与D相绕组正常运行时电流相位一致，并把B、C两相绕组的电流幅值调整为B、C两相绕组正常运行时电流幅值的2倍，B、C两相绕组的电流相位保持不变，本方法结束。

Claims (1)

1.一种四相永磁容错电机短路补偿控制方法，其特征在于步骤包括：

1）所述的四相永磁容错电机分为A、B、C、D四相，将每相绕组两端引出，连接上独立的H桥逆变器，并对电力电子器件采取热隔离和物理隔离，之后执行步骤2）；

2）利用霍尔电流传感器检测各相绕组的电流，之后执行步骤3）；

3）当检测到A相绕组电流幅值I_am＞I_m时，I_m为电机正常运行时所通电流的幅值，可知A相发生短路故障，执行步骤4）；当检测到B相绕组电流幅值I_bm＞I_m时，即B相绕组发生短路故障，执行步骤5）；当检测到C相绕组电流幅值I_cm＞I_m时，即C相绕组发生短路故障，执行步骤6）；当检测到D相绕组电流幅值I_dm＞I_m时，即D相绕组发生短路故障，执行步骤7）,当I_am≤I_m且I_bm≤I_m且I_cm≤I_m且I_dm≤I_m时，则执行步骤2）；

4）数字信号处理器控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断调整B相绕组电流幅值与A相绕组短路电流幅值一致，B相绕组电流相位与A相绕组正常运行时电流相位一致，并把C、D两相绕组的电流幅值调整为C、D两相绕组正常运行时电流幅值的2倍，C、D两相绕组的电流相位保持不变，本方法结束；

5）数字信号处理器控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断调整C相绕组电流幅值与B相绕组短路电流幅值一致，C相绕组电流相位与B相绕组正常运行时电流相位一致，并把A、D两相绕组的电流幅值调整为A、D两相绕组正常运行时电流幅值的2倍，A、D两相绕组的电流相位保持不变，本方法结束；

6）数字信号处理器控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断调整D相绕组电流幅值与C相绕组短路电流幅值一致，D相绕组电流相位与C相绕组正常运行时电流相位一致，并把A、B两相绕组的电流幅值调整为A、B两相绕组正常运行时电流幅值的2倍，A、B两相绕组的电流相位保持不变，本方法结束；

7）数字信号处理器控制H桥逆变器上各个晶闸管的通断调整A相绕组电流幅值与D相绕组短路电流幅值一致，A相绕组电流相位与D相绕组正常运行时电流相位一致，并把B、C两相绕组的电流幅值调整为B、C两相绕组正常运行时电流幅值的2倍，B、C两相绕组的电流相位保持不变，本方法结束。

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