CN116633088B - 一种双凸极电机电流传感器零偏故障诊断和容错控制方法 - Google Patents

一种双凸极电机电流传感器零偏故障诊断和容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种双凸极电机电流传感器零偏故障诊断和容错控制方法，涉及双凸极电机领域，该方法无需添加其他器件也无需改变电流传感器的放置位置，只需获取电流传感器在对应换相点处的电流输出值即可实现电流传感器的零偏故障诊断以及零偏电流值的确定，并根据零偏电流值实现对故障电流传感器输出电流的补偿以便实现***容错控制。所提方法可以避免过电流的现象，无需复杂的相电流构造，诊断范围广，诊断方法简单可靠，容错控制下的转矩输出与正常的相同。

Description

一种双凸极电机电流传感器零偏故障诊断和容错控制方法
技术领域
本申请涉及双凸极电机领域，尤其是一种双凸极电机电流传感器零偏故障诊断和容错控制方法。
背景技术
双凸极电机是在开关磁阻电机的基础上发展而来的一种新型电机，其定子和转子均为凸极结构，三相电枢绕组集中安装在定子上，转子无绕组，因此具有结构简单、控制灵活、容错性能好、适合高速运行等优点，成为研究热点。
双凸极电机驱动***常见的控制策略是转速电流双闭环控制，其中，电流闭环需要精确的相电流反馈信息。但是在双凸极电机驱动***运行过程中，容易出现电流传感器零偏故障，当电流传感器出现零偏故障时，电流传感器的输出值等于真实值叠加一个零偏电流值，电流传感器的零偏故障对双凸极电机驱动***运行过程的影响主要体现在：(1)根据电流闭环作用，可能会使得双凸极电机驱动***出现过流，造成大的转矩脉动；(2)双凸极电机驱动***控制需要精确的相电流信息，一旦电流传感器出现零偏故障，则会降低***的控制性能。上述两种情况都会影响双凸极电机驱动***的运行可靠性。
发明内容
本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种双凸极电机电流传感器零偏故障诊断和容错控制方法，本申请的技术方案如下：
一种双凸极电机电流传感器零偏故障诊断和容错控制方法，该双凸极电机驱动控制方法包括：
获取第一电流传感器CS1的电流输出值ics1以及第二电流传感器CS2的电流输出值ics2，第一电流传感器CS1与双凸极电机的第一相绕组串联，第二电流传感器CS2与双凸极电机的第二相绕组串联，且以桥式变换器的桥臂流向三相绕组的中性点的方向为电流正方向，第一相绕组和第二相绕组是双凸极电机的三相绕组中的任意两相；
根据第一电流传感器CS1在第一换相点θ1处的电流输出值ics1|θ1，以及第二电流传感器CS2在第二换相点θ2处的电流输出值ics2|θ2对两个电流传感器进行零偏故障诊断；第一换相点θ1是以第一相绕组作为非导通相的电角度区间的换相角度，第二换相点θ2是以第二相绕组作为非导通相的电角度区间的换相角度；
当确定两个电流传感器都正常工作、未出现零偏故障时，以电流输出值ics1作为第一相绕组的相电流、以电流输出值ics2作为第二相绕组的相电流进行闭环反馈驱动双凸极电机；否则根据电流输出值ics1和电流输出值ics2进行容错控制。
其进一步的技术方案为，对两个电流传感器进行零偏故障诊断，包括：
当第一电流传感器CS1在第一换相点θ1处的电流输出值ics1|θ1＝0且第二电流传感器CS2在第二换相点θ2处的电流输出值ics2|θ2＝0时，确定两个电流传感器都正常工作、未出现零偏故障；
否则确定存在电流传感器出现零偏故障并定位存在零偏故障的电流传感器。
其进一步的技术方案为，根据电流输出值ics1和电流输出值ics2进行容错控制，包括：
根据出现零偏故障的电流传感器在对应的换相点处的电流输出值确定电流传感器对应的相绕组的相电流，以未出现零偏故障的电流传感器的电流输出值直接作为对应的相绕组的相电流；
基于确定的第一相绕组的相电流和第二相绕组的相电流进行闭环反馈驱动双凸极电机。
其进一步的技术方案为，确定电流传感器对应的相绕组的相电流，包括对于任意一个出现零偏故障的电流传感器：
以电流传感器在对应的换相点处的电流输出值为电流传感器的零偏电流值，并利用零偏电流值修正电流传感器的电流输出值得到对应的相绕组的相电流。
其进一步的技术方案为，定位存在零偏故障的电流传感器包括：
当第一电流传感器CS1在第一换相点θ1处的电流输出值ics1|θ1≠0，第二电流传感器CS2在第二换相点θ2处的电流输出值ics2|θ2＝0时，确定第一电流传感器CS1出现零偏故障且零偏电流值iset1＝ics1|θ1，而第二电流传感器CS2正常工作；
当第一电流传感器CS1在第一换相点θ1处的电流输出值ics1|θ＝0°＝0，第二电流传感器CS2在第二换相点θ2处的电流输出值ics2|θ＝120°≠0时，确定第一电流传感器CS1正常工作，而第二电流传感器CS2出现零偏故障且零偏电流值iset2＝ics2|θ＝120°；
当第一电流传感器CS1在第一换相点θ1处的电流输出值ics1|θ1≠0，且第二电流传感器CS2在第二换相点θ2处的电流输出值ics2|θ2≠0时，确定第一电流传感器CS1出现零偏故障且零偏电流值iset1＝ics1|θ1，第二电流传感器CS2也出现零偏故障且零偏电流值iset2＝ics2|θ2。
其进一步的技术方案为，当第一电流传感器CS1出现零偏故障，而第二电流传感器CS2正常工作时，确定第一相绕组的相电流ia＝ics1-iset1、第二相绕组的相电流ib＝ics2；
当第二电流传感器CS2出现零偏故障，而第一电流传感器CS1正常工作时，确定第一相绕组的相电流ia＝ics1、第二相绕组的相电流ib＝ics2-iset2；
当第一电流传感器CS1和第二电流传感器CS2均出现零偏故障时，确定第一相绕组的相电流ia＝ics1-iset1、第二相绕组的相电流ib＝ics2-iset2；
本申请的有益技术效果是：
本申请公开了一种双凸极电机电流传感器零偏故障诊断和容错控制方法，该方法无需添加其他器件也无需改变电流传感器的放置位置，只需获取电流传感器的电流输出值和转子位置角，即可实现单个和两个电流传感器的零偏故障的诊断，从而可以避免过电流的现象，无需复杂的相电流构造，诊断范围广，诊断方法简单可靠。
该方法不仅可以定位存在零偏故障的电流传感器，还可以实现电流传感器的零偏故障容错运行，容错控制下的转矩输出与正常的相同，即没有损失转矩性能。该方法还可以进一步推广到无刷直流电机驱动***中的电流传感器的零偏故障诊断。
附图说明
图1是常见的双凸极电机驱动***的功率变换器拓扑图。
图2是图1的双凸极电机驱动***在一个电角度周期内的电感曲线、功率管导通逻辑以及相电流曲线。
图3是本申请一种双凸极电机电流传感器零偏故障诊断和容错控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种双凸极电机电流传感器零偏故障诊断和容错控制方法，该双凸极电机驱动控制方法针对双凸极电机驱动***，请参考图1所示的通用的双凸极电机驱动***的拓扑图，直流电源Udc连接桥式变换器的直流母线的正负两端，直流母线电容C跨接在桥式变换器的直流母线的正负两端之间。桥式变换器包括开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6组成的三个桥臂，三个桥臂的桥臂中点分别连接双凸极电机的三相绕组A、B、C，三相绕组A、B、C采用星型连接且具有中性点N。
该双凸极电机驱动***中设置有两个电流传感器，第一电流传感器CS1与双凸极电机的第一相绕组串联，第二电流传感器CS2与双凸极电机的第二相绕组串联。第一相绕组和第二相绕组是双凸极电机的三相绕组中的任意两相，比如图1以第一相绕组为A相绕组，第二相绕组为B相绕组为例。
电流传感器用于感应所串联的相绕组的相电流，本申请以桥式变换器的桥臂流向三相绕组的中性点的方向为电流正方向。在双凸极电机驱动***工作过程中，获取第一电流传感器CS1的电流输出值ics1以及第二电流传感器CS2的电流输出值ics2并确定双凸极电机的转子位置角θ。本申请获取到的电流输出值ics1和电流输出值ics2是连续电流曲线，结合获取到的转子位置角θ，即可确定各个转子位置角θ下的电流输出值ics1和电流输出值ics2。双凸极电机驱动***的一个电角度周期覆盖0°～360°，并划分为0°～120°、120°～240°、240°～360°这三个电角度区间，以图1所示的拓扑图为例，桥式变换器的导通逻辑为：
(1)在0°～120°电角度区间内，开关管T1和T2导通，A相绕组和C相绕组为导通相绕组，B相绕组为非导通相绕组。
(2)在120°～240°电角度区间内，开关管T3和T4导通，A相绕组和B相绕组为导通相绕组，C相绕组为非导通相绕组。
(3)在240°～360°电角度区间内，开关管T5和T6导通，B相绕组和C相绕组为导通相绕组，A相绕组为非导通相绕组。
一个电角度周期内的电感曲线、功率管导通逻辑以及相电流曲线如图2所示，其中La、Lb、Lc分别表示A相绕组、B相绕组和C相绕组的自感，ia、ib、ic分别表示A相绕组、B相绕组和C相绕组的相电流。
结合图2可以看出，当双凸极电机驱动***正常运行时：在0°～120°电角度区间内，B相绕组为非导通相绕组，在120°时进行换相，此时B相绕组的相电流ib应当为0。在120°～240°电角度区间内，C相绕组为非导通相绕组，在240°时进行换相，此时C相绕组的相电流ic应当为0。在240°～360°电角度区间内，A相绕组为非导通相绕组，在0°或360°时进行换相，此时A相绕组的相电流ia应当为0。
而与相绕组所串联的电流传感器在未出现零偏故障时，其电流输出值就是所串联的相绕组的相电流，比如在图1中，第一电流传感器CS1未出现零偏故障时的电流输出值ics1应该就是A相绕组的相电流ia，同样的第二电流传感器CS2未出现零偏故障时的电流输出值ics2应该就是B相绕组的相电流ib。
所以基于上述分析可知，无论电流传感器与哪个相绕组串联，当电流传感器未出现零偏故障时：在120°时进行换相时，与B相绕组串联的电流传感器应当为0。在240°时进行换相时，与C相绕组串联的电流传感器应当为0。在0°或360°时进行换相时，与A相绕组串联的电流传感器应当为0。基于这一原理，本申请的双凸极电机驱动控制方法的控制逻辑如图3所示：
根据第一电流传感器CS1和第二电流传感器CS2的安装位置，结合桥式变换器中开关管的导通逻辑，即可确定第一电流传感器CS1对应的第一换相点θ1以及第二电流传感器CS2对应的第二换相点θ2，其中，第一换相点θ1是以第一相绕组作为非导通相的电角度区间的换相角度，第二换相点θ2是以第二相绕组作为非导通相的电角度区间的换相角度。比如在图1的拓扑结构结合图2的导通逻辑的基础上，第一电流传感器CS1对应的第一换相点θ1为0°或360°，第二电流传感器CS2对应的第二换相点θ2为120°，其他拓扑结构及导通逻辑的情况下都是类似的。
根据第一电流传感器CS1在第一换相点θ1处的电流输出值ics1|θ1，以及第二电流传感器CS2在第二换相点θ2处的电流输出值ics2|θ22对两个电流传感器进行零偏故障诊断，以确定是否存在电流传感器出现零偏故障。包括：
当第一电流传感器CS1在第一换相点θ1处的电流输出值ics1|θ1＝0且第二电流传感器CS2在第二换相点θ2处的电流输出值ics2|θ2＝0时，确定两个电流传感器都正常工作、未出现零偏故障。否则确定存在电流传感器出现零偏故障。
在确定存在电流传感器出现零偏故障后，还可以进一步定位存在零偏故障的电流传感器，包括如下几种情况：
(1)当第一电流传感器CS1在第一换相点θ1处的电流输出值ics1|θ1≠0，第二电流传感器CS2在第二换相点θ2处的电流输出值ics2|θ2＝0时，确定第一电流传感器CS1出现零偏故障且零偏电流值iset1＝ics1|θ1，而第二电流传感器CS2正常工作。
(2)当第一电流传感器CS1在第一换相点θ1处的电流输出值ics1|θ1＝0，第二电流传感器CS2在第二换相点θ2处的电流输出值ics2|θ2≠0时，确定第一电流传感器CS1正常工作，而第二电流传感器CS2出现零偏故障且零偏电流值iset2＝ics2|θ2；
(3)当第一电流传感器CS1在第一换相点θ1处的电流输出值ics1|θ1≠0，且第二电流传感器CS2在第二换相点θ2处的电流输出值ics2|θ2≠0时，确定第一电流传感器CS1出现零偏故障且零偏电流值iset1＝ics1|θ1，第二电流传感器CS2也出现零偏故障且零偏电流值iset2＝ics2|θ2。
在另一个实施例中，在确定存在电流传感器出现零偏故障并进一步定位存在零偏故障的电流传感器后，还可以实现容错控制，请参考图3所示的流程图，容错控制的方法包括：
当第一电流传感器CS1出现零偏故障，而第二电流传感器CS2正常工作时，确定第一相绕组的相电流ia＝ics1-iset1、第二相绕组的相电流ib＝ics2；
当第二电流传感器CS2出现零偏故障，而第一电流传感器CS1正常工作时，确定第一相绕组的相电流ia＝ics1、第二相绕组的相电流ib＝ics2-iset2；
当第一电流传感器CS1和第二电流传感器CS2均出现零偏故障时，确定第一相绕组的相电流ia＝ics1-iset1、第二相绕组的相电流ib＝ics2-iset2；
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种双凸极电机电流传感器零偏故障诊断和容错控制方法，其特征在于，所述双凸极电机的驱动控制方法包括：
获取第一电流传感器（CS1）的电流输出值（i cs1）以及第二电流传感器（CS2）的电流输出值（i cs2），所述第一电流传感器（CS1）与所述双凸极电机的第一相绕组串联，所述第二电流传感器（CS2）与所述双凸极电机的第二相绕组串联，且以桥式变换器的桥臂流向三相绕组的中性点的方向为电流正方向，所述第一相绕组和所述第二相绕组是所述双凸极电机的三相绕组中的任意两相；
根据所述第一电流传感器（CS1）在第一换相点（θ1）处的电流输出值i cs1|θ1，以及所述第二电流传感器（CS2）在第二换相点（θ2）处的电流输出值i cs2|θ2对两个电流传感器进行零偏故障诊断；所述第一换相点（θ1）是以所述第一相绕组作为非导通相的电角度区间的换相角度，所述第二换相点（θ2）是以所述第二相绕组作为非导通相的电角度区间的换相角度；
当所述第一电流传感器（CS1）在所述第一换相点（θ1）处的电流输出值i cs1|θ1=0且所述第二电流传感器（CS2）在所述第二换相点（θ2）处的电流输出值i cs2|θ2=0时，确定两个电流传感器都正常工作、未出现零偏故障，以所述电流输出值（i cs1）作为所述第一相绕组的相电流、以所述电流输出值（i cs2）作为所述第二相绕组的相电流进行闭环反馈驱动所述双凸极电机；
当所述第一电流传感器（CS1）在所述第一换相点（θ1）处的电流输出值i cs1|θ1=0，所述第二电流传感器（CS2）在所述第二换相点（θ2）处的电流输出值i cs2|θ2≠0时，确定所述第一电流传感器（CS1）正常工作，而所述第二电流传感器（CS2）出现零偏故障且零偏电流值i set2=i cs2|θ2，确定所述第一相绕组的相电流i a=i cs1、所述第二相绕组的相电流i b=i cs2-i set2，基于确定的所述第一相绕组的相电流和所述第二相绕组的相电流进行闭环反馈驱动所述双凸极电机；
当所述第一电流传感器（CS1）在所述第一换相点（θ1）处的电流输出值i cs1|θ1≠0，所述第二电流传感器（CS2）在所述第二换相点（θ2）处的电流输出值i cs2|θ2=0时，确定所述第一电流传感器（CS1）出现零偏故障且零偏电流值i set1=i cs1|θ1，而所述第二电流传感器（CS2）正常工作，确定所述第一相绕组的相电流i a=i cs1-i set1、所述第二相绕组的相电流i b=i cs2，基于确定的所述第一相绕组的相电流和所述第二相绕组的相电流进行闭环反馈驱动所述双凸极电机；
当所述第一电流传感器（CS1）在所述第一换相点（θ1）处的电流输出值i cs1|θ1≠0，且所述第二电流传感器（CS2）在所述第二换相点（θ2）处的电流输出值i cs2|θ2≠0时，确定所述第一电流传感器（CS1）出现零偏故障且零偏电流值i set1=i cs1|θ1，所述第二电流传感器（CS2）也出现零偏故障且零偏电流值i set2=i cs2|θ2，确定所述第一相绕组的相电流i a=i cs1-i set1、所述第二相绕组的相电流i b=i cs2-i set2，基于确定的所述第一相绕组的相电流和所述第二相绕组的相电流进行闭环反馈驱动所述双凸极电机。
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