專利名稱：多相永磁容錯電機的簡易最優(yōu)電流直接控制方法
多相永磁容錯電機的簡易最優(yōu)電流直接控制方法
一、 技術領域-
本發(fā)明所涉及的是一種新穎的基于多相永磁容錯電機的簡易最優(yōu)電流直接控制方法。
二背景技術：
從上世紀八十年代以來，隨著多電、全電飛機以及混合、純電動汽車的發(fā)展，電機驅動 系統(tǒng)迎來了新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。除了高功率密度、高效率，同時擁有高輸出性能(轉速、 轉矩脈動最小化)以及高可靠性成了電機驅動系統(tǒng)的關鍵所在。上世紀90年代，永磁容錯電 機及其控制系統(tǒng)的出現，為提高系統(tǒng)的安全可靠性提供了保障，已應用到航空領域。永磁容 錯電機，除了具有一般永磁電機的特點外(體積小、功率密度高等)，還具有物理隔離、熱 隔離、磁隔離電氣隔離以及抑制短路電流的特點，因此，永磁容錯電機本體具備很強的容錯 能力，若結合具有高性能的控制算法，那它既可實現容錯能力，又能滿足高輸出特性的要求。
1999年，英國Shefield大學的Jiabing Wang教授提出了最優(yōu)轉矩控制策略，在恒轉矩區(qū) 及恒功率區(qū)，該控制策略以銅耗最小為目標，轉矩脈動最小化為條件，引入拉普拉斯因子， 當某相繞組或功率管出現故障時，得到目標函數，如式(l)所示
F = ￡叫(,)+ , )2 (em ( ) 一 [r' (f)—7> ]} (1)
式中M指電機相數，、指繞組自感，^指乂相繞組的磁鏈，A指故障相，^指弱磁系數，。,風)
指j'相繞組磁鏈對轉子位置的導數，r'(o指給定電磁轉矩，zyw值故障相繞組所產生的電磁
轉矩，/^/)指/相繞組的給定電流，根據朗格朗日優(yōu)化算法，對目標函數求偏導數
竺=0，竺=0 7a (2)
， 3義 」 、乂
結合式(l)和(2)，得出正常相繞組的給定電流為
' -^-^--》/ (3)
2>,)〗2
J鈾
由于式(3)中第一相分式中的分母￡["7.(0]2沒有確定的變化范圍，當它很小時，甚至接近
零時，根據式(3)算出的給定電流將會遠遠大于電樞電流的極限/_，因此，正常相繞組的給 定電流不能直接取式(3)算出的電流值。如果有繞組電流超過電流極值，那么就要反復校核、
3迭代計算，重復大量的復雜算法，直到計算出各相繞組給定電流不超過電流極值/_為止。
由上分析可見，該控制策略的算法解析式不僅很復雜(如式(3)所示)，而且還需要復雜的多 次迭代計算才能得到最終正常相繞組的給定電流，整個控制算法復雜，不易軟件編程。因此 期待發(fā)明簡單易行，但具有容錯及高輸出性能的控制策略。本發(fā)明正是基于此要求提出了一 種簡單易行的最優(yōu)電流直接控制方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種簡易最優(yōu)電流直接控制方法應用在多相永磁容錯電機上。當電機某一相 繞組或功率管發(fā)生斷路或短路故障時，利用提出的簡單最優(yōu)電流直接控制方法，直接算出正 常相繞組的給定電流，補償故障相的平均輸出轉矩，同時抵消故障相的脈動轉矩，使得電機
輸出轉矩的平均值不變，轉矩脈動最小化，進而保證故障后的電機輸出轉速不變，實現m相 正常態(tài)向m-l相故障態(tài)的無縫切換，達到系統(tǒng)的容錯要求。其中本發(fā)明的最優(yōu)簡易電流直接 控制算法根據永磁容錯電機的功率守恒原則推導得出，物理概念清晰，并保證正常相繞組的
最優(yōu)給定電流小于電流極值/_，因此，不需要復雜的數學優(yōu)化及迭代算法，直接利用轉子位
置信號、故障診斷信號以及余弦表，通過數學四則運算直接算出正常相繞組的最優(yōu)給定電流， 簡化了軟件編程的復雜度，易于全數字控制系統(tǒng)的實現，這就是本發(fā)明的核心所在。
本發(fā)明的永磁容錯電機控制系統(tǒng)的容錯控制策略是通過位置傳感器得到電機的位置及 轉速信號，在每個控制周期中，利用外環(huán)轉速PI調節(jié)器得到電機正常態(tài)或者故障態(tài)的給定轉
矩r'(f)，結合轉子的位置信號和故障診斷信號，通過簡易最優(yōu)電流直接控制算法，直接算出
正常相繞組的最優(yōu)給定電流;X/ ,再利用數字滯環(huán)得到相應的PWM脈沖信號，最后通過功
率變換器作用于六相十極永磁容錯電機，使得故障態(tài)的電機輸出性能(輸出轉矩和轉速)不變， 實現高性能的容錯控制，如圖1所示。
本發(fā)明的簡易最優(yōu)電流直接控制算法以轉矩脈動最小化輸出為目標，根據功率守恒原則 推導得出。當電機正常工作時，電機的電磁轉矩可以表示為
，4ifenw)) (4)
W指7'相繞組第附次諧波空載反電勢，』w指y相繞組的第"次諧波電流， 指電機的 機械角速度。當某相繞組或者功率管發(fā)生故障時，對于正弦波電機，忽略空載反電勢內的諧
波成分，式(4)可以表示為<formula>formula see original document page 5</formula> (5)
斷路故障時7>( ) = 0;短路故障時7>(f) = cos[戸j-^^]x/4 。
p指電機的磁極對數，^指永磁體耦合到電樞繞組的磁鏈最大值，^指電樞繞組的峰值電流，7>(0值故障相繞組所產生的電磁轉矩，y指電流滯后角。為了使得電機能夠輸出額定轉矩，并且轉矩脈動最小化，則令電磁轉矩等于恒定的給定轉矩，艮P:
;(')=;r*(o (6)
則結合式(5)，第7相正常相繞組的電流解析式可以表示為
W畫j ")=^r5 cos(2w-, 3)，xco他,-"-/3)-w hi…加n;" (7)
由式(7)可見，第一項因式中的分母有確定的變化范圍，艮P:
S2 ~~^~~^ ^3肌 (8)
在這確定的變化范圍中的分母數值不會太小，能使得計算出來的電流幅值始終小于繞組的極值電流/_，因此，正常相的繞組電流無需復雜的多次迭代計算；另外，利用查表法直接得到公式中的余弦函數值，大大降低了軟件編程的復雜度，這就是該算法的最大特色。
為達到上述的技術要求，本發(fā)明的技術解決方案是，硬件系統(tǒng)由主回路，檢測回路，控制回路，故障診斷及辨識回路四大部分組成。主回路由永磁容錯電機(l)、功率變換器串聯(2)，并由功率變換器接到供電電網；檢測回路由電流傳感器(6)和位置傳感器(7)組成；控制回路由
模數轉換器(5)連于基于數字信號處理器(DSP)的控制單元(4)，產生功率變換器控制信號，再連于變換器的驅動電路(3);故障診斷及辨識回路由故障診斷及保護電路(8)組成，當電機某一相繞組或者控制器發(fā)生故障時，利用故障診斷及保護電路(8)直接將故障相隔離，并判斷出故障類型，進行相應的算法切換，如圖2所示。
本發(fā)明的優(yōu)點
(1) 可利用查表法，結合故障診斷信號直接通過四則運算得到正常相繞組的最優(yōu)給定電流，
無需復雜的迭代計算，因此，整個控制算法簡單，易于軟件編程；
(2) 最優(yōu)給定電流解析式對電機參數的依賴性小，使得控制程序具有很好的移植性及通用性；
(3) 可廣泛應用到三相、四相以及更多相的永磁容錯電機控制系統(tǒng)中，因此該控制算法具
5有一般適用性。
四

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圖1基于簡易最優(yōu)電流直接控制算法的多相永磁容錯電機及其控制系統(tǒng)框圖
圖2基于簡易最優(yōu)電流直接控制算法的多相永磁容錯電機及其控制系統(tǒng)的硬件組成框圖
圖l中的符號名稱分別是n'—給定轉速，"一實際轉速，r'一給定轉矩，^一電機轉子的位置，m相繞組的給定電流，z, ^一m相繞組的實際電流，PWM—功率管的驅動信號。
圖2中各框圖內的編號名稱分別是1、多相永磁容錯電機，2、功率變換器，3、變換器的驅動電路，4、基于數字控制信號處理器的控制系統(tǒng)，5、模數轉換器A/D， 6、電流傳感器，7、位置傳感器，8、故障診斷及保護電路。
五、 具體實施方法-
根據附圖2敘述本發(fā)明的具體實施方法及工作原理和過程。由圖2可知，多相永磁容錯電機控制系統(tǒng)的硬件結構包括多相永磁容錯電機(l)、功率變換器(2)二者連接而成的主回路；由電流傳感器(5)和位置傳感器(7)組成檢測回路模數轉換A/D(6)連于數字信號處理器(DSP)(4)，再通過變換器的驅動電路(3)組成控制回路。由故障診斷及保護電路(8)組成故障診斷及辨識回路。
多相永磁容錯電機的每相繞組分別由各自H橋式功率變換器供電，實現了電機繞組間的電氣隔離，避免了繞組間的故障傳染。功率變換器采用IGBT功率管或MOSFET場效應管；電流傳感器采用霍爾傳感器，傳感器將電機繞組上的實際電流信號轉換成弱電的模擬電壓信號，經過調理電路，送給DSP的A/D口，由它將模擬信號轉換成數字信號，便于電流閉環(huán)控制以及電機的斷路故障診斷；位置傳感器可采用光電碼盤或旋轉變換器，結合DSP，并利用M/T法將傳感器的脈沖轉換成電機的位置及轉速信號。
故障診斷及保護電路是整個硬件電路的關鍵所在，它有兩個作用 一方面，對系統(tǒng)發(fā)生的故障進行辨識，判斷出哪相發(fā)生故障，以及發(fā)生斷路故障還是短路故障，而后從硬件上封鎖故障相的驅動信號，并利用繼電器將故障相切除；另一方面，故障診斷信號通過調理電路送給DSP的I/0口，然后進行相應的算法切換，從而實現容錯控制。由于短路故障是系統(tǒng)中最危險的故障，短路故障診斷信號由硬件模擬比較電路直接輸出，實現快速保護功能(微秒級)；而斷路故障時，繞組中沒有電流，在短時間內(毫秒級)對電機輸出性能影響不大，因此，斷路故障可以采用DSP軟件辨識，降低硬件的復雜度。
短路故障診斷的硬件電路由采樣電阻、模擬放大電路、模擬比較電路以及光耦隔離電路組成，當繞組發(fā)生短路故障時，通過采樣電阻將相應繞組的電流信號轉變成電壓信號，經過放大與最大安全電流比較后，由光耦隔離電路輸出短路故障信號，用來封鎖相應故障相的功率變換器的PWM驅動信號，同時送給DSP進行算法切換。斷路故障診斷采用軟件辨識方式，利用A/D 口上的電流檢測信號，判斷電流值是否在連續(xù)幾個控制周期內都在某個設定電流閾值內，電流閾值設定為5%的額定電流，若都在電流閾值范圍內，那么該相繞組發(fā)生斷路故障，在軟件中立即進行算法切換，并封鎖相應故障相的功率變換器的PWM驅動信號，同時通過DSP的I/O 口送出斷路故障信號。
整個系統(tǒng)的工作過程是在每個控制周期中，將位置傳感器的脈動信號送給DSP，在DSP中，通過正交編碼電路，利用M/T法得到電機實際的轉速，與給定轉速比較后，通過PI調節(jié)器得到給定的電磁轉矩，根據轉子的位置，直接利用本發(fā)明的簡易最優(yōu)給定電流解析式(a)計算出各相繞組的給定電流，在軟件編程中無需迭代計算，通過數字滯環(huán)控制器確定各相繞組的PWM脈沖信號，經由變換器的驅動電路，發(fā)出24路脈沖信號去控制主回路中的功率變換器，從而給多相永磁容錯電機的各相繞組供電。若有故障發(fā)生，通過硬件故障診斷及保護電路和軟件斷路故障診斷算法輸出相應的故障信號，并封鎖相應故障相的驅動信號，給故障相H橋主功率模塊中的繼電器發(fā)送斷開信號，將故障相從母線上切除，同時，在DSP內進行相應的算法切換，實現系統(tǒng)的容錯功能。
權利要求
1、一種新穎的基于多相永磁容錯電機的簡易最優(yōu)電流直接控制方法，其特征在于，當電機某一相繞組或功率管發(fā)生斷路或短路故障時，利用簡易最優(yōu)電流直接控制算法，直接計算出正常相繞組的最優(yōu)給定電流，進而補償故障相的平均輸出轉矩，并抵消故障相產生的脈動轉矩，使得故障態(tài)時電機輸出特性不變，實現m相正常態(tài)向m-1相故障態(tài)的無縫切換，達到系統(tǒng)容錯要求。
2、 一種簡易最優(yōu)電流直接算法，該算法以電機輸出轉矩脈動最小化為目標，根據功率守恒 原則推導得出，如式(a)所示，其特征在于，分母有確定的安全變化范圍，整個電流計算過程中，無需復雜的迭代計算，系統(tǒng)在故障態(tài)時，僅需結合位置信號^- f查取軟件中預先編制的余弦表，通過數學四則運算直接得到正常相繞組的最優(yōu)給定電流，因此，該 算法編程簡單，易于實現實時控制的全數字式控制器；<formula>formula see original document page 2</formula>斷路故障時7>(0 = 0;短路故障時<formula>formula see original document page 2</formula>式中《指繞組總的相數，A指故障相繞組，/指正常相繞組，，x/W指故障態(tài)時正常相繞組的給定電流，r'(,)指給定電磁轉矩，？yw值故障相繞組所產生的電磁轉矩，p指電機的磁極對數，^指永磁體耦合到電樞繞組的磁鏈最大值， 指電機的機械轉速，7指 電流滯后角，^指短路相繞組電流。
全文摘要
本發(fā)明提出一種新穎的多相永磁容錯電機簡易最優(yōu)電流直接控制方法。該控制方法以永磁電機正弦波反電勢為前提，轉矩脈動最小化為目標，當永磁容錯電機的某一相繞組或功率管出現斷路或短路故障時，利用簡易最優(yōu)電流直接控制算法，直接計算出正常相繞組的最優(yōu)給定電流，進而補償故障相的平均輸出轉矩，并抵消故障相產生的脈動轉矩，使得電機輸出的轉矩脈動最小化，而轉速不變，并實現m相正常態(tài)向m-1相故障態(tài)的無縫切換。其中，由于簡易最優(yōu)電流直接算法解出的給定電流值在安全范圍內，其值可以直接作為正常相繞組的最優(yōu)給定電流，因此，在整個給定電流計算過程中，無需復雜的迭代計算，軟件編程簡單，易于實現實時控制的全數字式容錯控制系統(tǒng)，適合于高可靠性及高性能要求的航空航天及軍用場合。
文檔編號H02P25/02GK101662257SQ20091018343
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月21日 優(yōu)先權日2009年9月21日
發(fā)明者胡育文, 郝振洋, 黃文新 申請人:南京航空航天大學