本實用新型屬于控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，尤其涉及一種失磁故障容錯控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

永磁同步電機控制系統(tǒng)具有高效率、高控制精度、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)及振動噪聲低等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

但同時，永磁電機內(nèi)的永磁體容易產(chǎn)生退磁，使電機的勵磁電動勢降低，輸出轉(zhuǎn)矩下降，甚至使電機不能正常工作，嚴(yán)重制約了永磁電機的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

因此，失磁故障的檢測和容錯控制在永磁同步電機中有著至關(guān)重要的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決以上問題，本實用新型提供了一種失磁故障容錯控制系統(tǒng)，用于解決永磁同步電機的失磁故障。

根據(jù)本實用新型的一個實施例，提供了一種失磁故障容錯控制系統(tǒng)，包括：

失磁故障檢測模塊，根據(jù)永磁同步電機的角度信息、d軸和q軸電壓及反饋電流實時檢測永磁同步電機的磁鏈信號；

容錯控制模塊，與所述失磁故障檢測模塊連接，用于根據(jù)磁鏈信號和預(yù)定算法生成補償電流來對永磁同步電機的氣隙磁通進(jìn)行微調(diào)，以使得在永磁同步電機發(fā)生失磁故障時進(jìn)行容錯控制。

根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述系統(tǒng)還包括電壓空間矢量PWM控制模塊和三相逆變器，其中，

電壓空間矢量PWM控制模塊，分別與所述容錯控制模塊和所述三相逆變器連接，根據(jù)容錯控制模塊輸出的d軸和q軸電壓產(chǎn)生PWM調(diào)制波，從而控制所述三相逆變器產(chǎn)生用于驅(qū)動永磁同步電機的三相驅(qū)動電流。

根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述系統(tǒng)還包括分別與所述失磁故障檢測模塊和所述容錯控制模塊連接的坐標(biāo)變換模塊，用于根據(jù)永磁同步電機的輸入電流和旋轉(zhuǎn)角度信息產(chǎn)生d軸和q軸反饋電流，以輸出給所述失磁故障檢測模塊和所述容錯控制模塊。

根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述系統(tǒng)還包括與所述坐標(biāo)變換模塊連接的電流傳感器，用于將永磁同步電機的輸入電流反饋至所述坐標(biāo)變換模塊。

根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述系統(tǒng)還包括與所述坐標(biāo)變換模塊連接的位置傳感器，用于將永磁同步電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度信息反饋至所述坐標(biāo)變換模塊。

根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述系統(tǒng)還包括與所述位置傳感器和所述失磁故障檢測模塊連接的微分器，用于將永磁同步電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度信息處理為角速度信息后輸出給所述失磁故障檢測模塊。

根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述容錯控制模塊進(jìn)一步包括：

容錯控制單元，與所述失磁故障檢測模塊連接，根據(jù)所述失磁故障檢測模塊輸出的磁鏈信號和預(yù)定算法產(chǎn)生補償電流；

第一PI調(diào)節(jié)單元，根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速得到電流矢量；

最大轉(zhuǎn)矩電流比控制單元，與所述第一PI調(diào)節(jié)單元連接，用于將所述電流矢量按照預(yù)定算法產(chǎn)生q軸電流以及與補償電流疊加的d軸電流i_d^*；

第二PI調(diào)節(jié)單元，與所述電壓空間矢量PWM控制模塊和反饋給失磁故障檢測模塊連接，用于將q軸電流生成對應(yīng)的電壓并輸出給所述電壓空間矢量PWM控制模塊和反饋給所述失磁故障檢測模塊；

第三PI調(diào)節(jié)單元，與所述電壓空間矢量PWM控制模塊和反饋給失磁故障檢測模塊連接，用于將與補償電流疊加后的d軸電流i_d^*生成對應(yīng)的電壓并輸出給所述電壓空間矢量PWM控制模塊和反饋給所述失磁故障檢測模塊。

根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述容錯控制模塊還包括與所述最大轉(zhuǎn)矩電流比控制單元、所述第二PI調(diào)節(jié)單元和所述第三PI調(diào)節(jié)單元連接的定子電流限幅單元，用于限制輸出給永磁同步電機的定子電流超過極限值。

根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述容錯控制單元進(jìn)一步包括：

上位機，用于給定永磁同步電機正常工作情況下的氣隙磁通信號；

氣隙磁通計算模塊，與所述失磁故障檢測模塊連接，根據(jù)所述失磁故障檢測模塊輸出的磁鏈信號和預(yù)定算法來獲取實際氣隙磁通信號；

失磁故障判斷模塊，與所述氣隙磁通計算模塊和上位機連接，用于將所述氣隙磁通計算模塊輸出的實際氣隙磁通信號與上位機給定的氣隙磁通信號比較，以判斷永磁同步電機的失磁情況；

氣隙磁通處理器，與所述失磁故障判斷模塊連接，用于接收實際氣隙磁通信號和上位機給定的氣隙磁通信號，并將兩者的差值作為微調(diào)信號輸出；

氣隙磁通調(diào)節(jié)器，與所述氣隙磁通處理器連接，根據(jù)微調(diào)信號及預(yù)設(shè)運算法則生成補償電流以與所述最大轉(zhuǎn)矩電流比控制單元輸出的d軸電流i_d^*進(jìn)行疊加處理。

本實用新型的有益效果：

本實用新型通過磁通信號產(chǎn)生補償電流，通過利用補償電流對永磁同步電機的氣隙磁通進(jìn)行微調(diào)，使得故障電機仍能穩(wěn)定運行，性能指標(biāo)維持在一定的容許范圍內(nèi)，從而有效解決了永磁電機內(nèi)永磁體退磁問題。

本實用新型的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而了解。本實用新型的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要的附圖做簡單的介紹：

圖1是根據(jù)本實用新型的一個實施例的一種失磁故障容錯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；以及

圖2是根據(jù)本實用新型的一個實施例的容錯控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖及實施例來詳細(xì)說明本實用新型的實施方式，借此對本實用新型如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。需要說明的是，只要不構(gòu)成沖突，本實用新型中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結(jié)合，所形成的技術(shù)方案均在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。

為了保證永磁同步電機的安全性和可靠性，在永磁同步電機工作的過程中， 需要實時對其磁鏈狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并在永磁同步電機出現(xiàn)失磁故障的情況下，能夠及時的對失磁故障進(jìn)行容錯控制。

容錯控制的目的是使故障牽引系統(tǒng)在失磁的情況下仍能維持穩(wěn)定運行，并使性能指標(biāo)維持在一定容許范圍內(nèi)。由于永磁電機內(nèi)永磁體退磁，會導(dǎo)致電機的氣隙磁通發(fā)生改變。因此，要實現(xiàn)容錯控制的關(guān)鍵問題就是，在電流約束條件下如何調(diào)整交直軸電流分配關(guān)系來使故障電機的氣隙磁通維持在正常值。

如圖1所示為根據(jù)本實用新型的一個實施例的失磁故障容錯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，以下參考圖1來對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，該失磁故障容錯控制系統(tǒng)包括失磁故障檢測模塊和容錯控制模塊。其中，失磁故障檢測模塊根據(jù)永磁同步電機的角度信息、d軸和q軸電壓及反饋電流實時檢測永磁同步電機轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈信號；容錯控制模塊與失磁故障檢測模塊連接，根據(jù)失磁故障檢測模塊輸出的實際磁鏈信號和預(yù)定算法生成補償電流來對永磁同步電機的氣隙磁通進(jìn)行微調(diào)，以使得在永磁同步電機發(fā)生失磁故障時進(jìn)行容錯控制，減少失磁故障給牽引系統(tǒng)帶來的影響。

在本實用新型中，當(dāng)永磁同步電機發(fā)生失磁故障時，容錯控制模塊根據(jù)失磁故障檢測模塊提供的磁鏈信號和預(yù)先設(shè)定的算法產(chǎn)生補償電流，通過補償電流對永磁同步電機的氣隙磁通進(jìn)行微調(diào)，使得故障電機仍能穩(wěn)定運行，性能指標(biāo)維持在一定的容許范圍內(nèi)，從而有效解決了永磁電機內(nèi)永磁體退磁問題。

在本實用新型的一個實施例中，該系統(tǒng)還包括電壓空間矢量PWM控制模塊和三相逆變器，其中，電壓空間矢量PWM控制模塊分別與容錯控制模塊和三相逆變器連接，用以根據(jù)容錯控制模塊輸出的d和q軸電壓u_d、u_q產(chǎn)生PWM調(diào)制波來控制三相逆變器，該三相逆變器將產(chǎn)生三相驅(qū)動電流來驅(qū)動永磁同步電機。

在本實用新型的一個實施例中，該系統(tǒng)還包括分別與失磁故障檢測模塊和容錯控制模塊連接的坐標(biāo)變換模塊，用于根據(jù)永磁同步電機的輸入反饋電流和旋轉(zhuǎn)角度信息產(chǎn)生d和q軸反饋電流，并輸出給失磁故障檢測模塊和容錯控制模塊。

在本實用新型的一個實施例中，該系統(tǒng)還包括與坐標(biāo)變換模塊連接的電流傳感器，用于將永磁同步電機的三相輸入電流反饋至坐標(biāo)變換模塊。在本實用新型的一個實施例中，該系統(tǒng)還包括與坐標(biāo)變換模塊連接的位置傳感器，用于將永磁同步電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度信息反饋至坐標(biāo)變換模塊。在本實用新型的一個實施例中，該系統(tǒng)還包括與位置傳感器和失磁故障檢測模塊連接的微分器，用于將永磁 同步電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度信息處理為角速度信息后輸出給失磁故障檢測模塊。

在本實用新型的一個實施例中，該容錯控制模塊進(jìn)一步包括容錯控制單元、第一PI調(diào)節(jié)單元、最大轉(zhuǎn)矩電流比控制單元、第二PI調(diào)節(jié)單元和第三PI調(diào)節(jié)單元。其中，容錯控制單元根據(jù)失磁故障檢測模塊輸出的磁鏈信號產(chǎn)生補償電流；第一PI調(diào)節(jié)單元根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速得到電流矢量；最大轉(zhuǎn)矩電流比控制單元將電流矢量按照預(yù)定算法產(chǎn)生q軸電流以及與補償電流疊加的d軸電流i_d^*；第二PI調(diào)節(jié)單元用于將q軸電流生成對應(yīng)的電壓并輸出給所述電壓空間矢量PWM控制模塊和反饋給失磁故障檢測模塊；第三PI調(diào)節(jié)單元用于將與補償電流疊加的d軸電流i_d^*生成對應(yīng)的電壓并輸出給電壓空間矢量PWM控制模塊和反饋給失磁故障檢測模塊。

在本實用新型的一個實施例中，容錯控制模塊還包括與最大轉(zhuǎn)矩電流比控制單元、第二PI調(diào)節(jié)單元和第三PI調(diào)節(jié)單元連接的定子電流限幅單元，用于限制輸出給永磁同步電機的定子電流超過極限值。

在本實用新型的一個實施例中，該容錯控制單元進(jìn)一步包括上位機、氣隙磁通計算模塊、失磁故障判斷模塊、氣隙磁通處理器和氣隙磁通調(diào)節(jié)器。其中，上位機用于給定永磁同步電機正常工作情況下的氣隙磁通信號；氣隙磁通計算模塊與失磁故障檢測模塊連接，根據(jù)失磁故障檢測模塊輸出的磁鏈信號和預(yù)定算法來獲取實際氣隙磁通信號；失磁故障判斷模塊與氣隙磁通計算模塊和上位機連接，用于將氣隙磁通計算模塊輸出的實際氣隙磁通信號與上位機給定的氣隙磁通信號比較，以判斷永磁同步電機的失磁情況；氣隙磁通處理器與失磁故障判斷模塊連接，用于接收實際氣隙磁通信號和上位機給定的氣隙磁通信號，并將兩者的差值作為微調(diào)信號輸出；氣隙磁通調(diào)節(jié)器與氣隙磁通處理器連接，根據(jù)微調(diào)信號及預(yù)設(shè)運算法則生成補償電流以與最大轉(zhuǎn)矩電流比控制單元輸出的d軸電流i_d^*進(jìn)行疊加處理。

如圖1所示為根據(jù)本實用新型的一個實施例的失磁故障容錯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中，失磁故障檢測模塊(2)與容錯控制模塊(1)相連，電壓空間矢量PWM控制模塊(3)與三相逆變器(4)相連，電壓空間矢量PWM控制模塊(3)以圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目標(biāo)來控制三相逆變器(4)的工作。位置傳感器(7)與永磁同步電機和坐標(biāo)變換模塊(5)相連，用于獲取永磁同步電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度，并將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度輸入坐標(biāo)變換模塊(5)。電流傳感器(6)與永磁同步電機和坐 標(biāo)變換模塊(5)相連，用于根據(jù)三相交流電源獲取三相交流電源反饋電流，并將反饋電流輸入坐標(biāo)變換模塊(5)。坐標(biāo)變換模塊(5)與容錯控制模塊(1)相連，用于將電流傳感器獲取的三相交流電源反饋電流i_a、i_b、i_c轉(zhuǎn)換為d和q軸電流，并將d和q軸電流輸入容錯控制模塊(1)。以上所有模塊連接后，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在該系統(tǒng)工作時，失磁故障檢測模塊(2)用于檢測永磁同步電機PMSM轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈情況，將檢測的磁鏈信號輸入到容錯控制模塊(1)。在永磁同步電機發(fā)生失磁故障時，容錯控制單元內(nèi)將會產(chǎn)生補償電流，用于對電機氣隙磁通的微調(diào)，以減少失磁故障給牽引系統(tǒng)帶來的影響。

具體的，容錯控制模塊(1)根據(jù)失磁故障檢測模塊(2)輸出的磁鏈信號和坐標(biāo)變換模塊(5)輸出的d和q軸反饋電流信號i_d、i_q來獲得相應(yīng)的電壓信號u_d、u_q。電壓信號u_d、u_q再經(jīng)過電壓空間矢量PWM控制模塊(3)來達(dá)到控制永磁同步電機的目的。坐標(biāo)變換模塊(5)根據(jù)位置傳感器(7)輸出的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度信號θ和電流傳感器(6)輸出的反饋電流i_a、i_b、i_c，來獲得d和q軸反饋電流信號i_d、i_q，從而形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

如圖2所示為根據(jù)本實用新型的一個實施例的容錯控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖，該容錯控制模塊包括容錯控制單元、第一PI調(diào)節(jié)單元、最大轉(zhuǎn)矩電流比控制單元、第二PI調(diào)節(jié)單元、第三PI調(diào)節(jié)單元和定子電流限幅單元。容錯控制單元進(jìn)一步包括上位機(14)、氣隙磁通計算模塊(10)、失磁故障判斷模塊(11)、氣隙磁通處理器(12)和氣隙磁通調(diào)節(jié)器(13)。

氣隙磁通計算模塊(10)與失磁故障檢測模塊(2)和失磁故障判斷模塊(11)相連，用于根據(jù)失磁故障檢測模塊(2)輸出的磁鏈信號來計算電機的氣隙磁通，并將獲得的電機氣隙磁通輸出給失磁故障判斷模塊(11)。失磁故障判斷模塊(11)與氣隙磁通處理器(12)和上位機(14)相連，用于判斷氣隙磁通計算模塊(11)輸出的電機氣隙磁通與上位機給定的正常情況的電機氣隙磁通是否相等。當(dāng)兩者相等，則沒有發(fā)生失磁故障。反之，則發(fā)生了失磁故障。

氣隙磁通處理器(12)與失磁故障判斷模塊(11)相連，用于對氣隙磁通計算模塊(10)輸出的電機氣隙磁通與上位機給定的正常情況的電機氣隙磁通做差值處理，并將氣隙磁通差值輸出給氣隙磁通調(diào)節(jié)器(13)。當(dāng)氣隙磁通差值不為零時，則電機發(fā)生了失磁故障，氣隙磁通調(diào)節(jié)器(13)將按照預(yù)先定義的算法產(chǎn) 生補償電流，來使故障情況下的氣隙磁通值維持在正常值，從而使故障電機的性能指標(biāo)維持在一定容許范圍內(nèi)；當(dāng)氣隙磁通差值為零時，則電機沒有發(fā)生失磁故障，氣隙磁通調(diào)節(jié)器(13)輸出的補償電流為零。

最大轉(zhuǎn)矩電流比控制單元(8)根據(jù)位置傳感器(7)輸出的反饋角度信息和預(yù)定角度信息，按照預(yù)先定義的算法產(chǎn)生d和q軸電流當(dāng)電機發(fā)生失磁故障時，氣隙磁通調(diào)節(jié)器(13)輸出的補償電流Δi_d與最大轉(zhuǎn)矩電流比控制模塊產(chǎn)生的電流相疊加，疊加后的值作為d軸電流。定子電流限幅單元(9)，用于限制容錯控制情況下的定子電流超過極限值。當(dāng)電機正常運行時，氣隙磁通調(diào)節(jié)器(13)輸出的補償電流Δi_d為零，電機按照最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略運行。

優(yōu)選的，當(dāng)永磁同步電機正常運行時，容錯控制模塊(1)中的氣隙磁通調(diào)節(jié)器(13)輸出的補償電流為零；當(dāng)永磁同步電機發(fā)生失磁故障時，容錯控制模塊中的氣隙磁通調(diào)節(jié)器(13)輸出的補償電流不為零，利用其輸出的補償電流來對故障電機氣隙磁通進(jìn)行微調(diào)，從而使故障電機的性能指標(biāo)維持在一定容許范圍內(nèi)。顯然，通過氣隙磁通調(diào)節(jié)器(13)輸出的補償電流可以使故障電機的性能指標(biāo)維持在一定容許范圍內(nèi)。

具體的，首先通過失磁故障檢測模塊(2)檢測出電機實際磁鏈，然后通過氣隙磁通計算模塊(10)，按照預(yù)先定義的算法計算出電機的氣隙磁通。當(dāng)電機沒有發(fā)生失磁故障時，按最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，將給定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速的靜差，通過第一PI調(diào)節(jié)單元后得到電流矢量，然后根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制單元(8)中預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)矩電流關(guān)系算出d、q軸電流分量給定值此時，氣隙磁通調(diào)節(jié)器(13)輸出的補償電流為零。

當(dāng)電機發(fā)生失磁故障時，需進(jìn)行容錯控制，將正常情況下的氣隙磁通和實際反饋氣隙磁通的偏差，通過氣隙磁通調(diào)節(jié)器(13)后得到補償電流，將它與最大轉(zhuǎn)矩電流比控制單元(8)輸出來的d軸電流分量相疊加，得容錯控制下d軸電流給定量。

雖然本實用新型所公開的實施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本實用新型而采用的實施方式，并非用以限定本實用新型。任何本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型所公開的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細(xì)節(jié)上作任何的修改與變化，但本實用新型的專利保護(hù)范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。