本發(fā)明屬于電氣傳動技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種容錯控制方法，特別是涉及一種基于銅耗最小的軸向磁場磁通切換容錯電機容錯控制方法。

背景技術(shù)：

電機的容錯控制技術(shù)在航天、交通以及軍工等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，在故障狀態(tài)下電機的可持續(xù)運行，能夠有效提高整個系統(tǒng)的可靠性和安全性，近年來，很多國內(nèi)外的專家和學(xué)者都致力于容錯電機的研究。

軸向磁場磁通切換容錯電機(Axial filed flux-switching fault tolerant machine，AFFSFTM)是一種新型的定子永磁型磁通切換電機，它將磁通切換理念和軸向磁場電機有效地結(jié)合起來，并使用E形導(dǎo)磁鐵芯代替原有的U形導(dǎo)磁鐵芯，結(jié)構(gòu)如圖1所示。所以AFFSFT電機結(jié)合了永磁同步電機和磁通切換電機特點，一方面具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、控制靈活等優(yōu)點；一方面具有高效率、高功率密度等優(yōu)點。該電機E形導(dǎo)磁鐵芯的中間齒上繞有勵磁繞組，使電機在正常運行時能夠使用弱磁調(diào)速；而當(dāng)電機發(fā)生故障，啟用容錯控制時，勵磁繞組又能夠作為容錯繞組對系統(tǒng)進行輔助容錯。此外，AFFSFT電機三相繞組之間的互感相較于自感很小，有效減小了相間耦合，因此，當(dāng)電機發(fā)生單相故障時，故障相對非故障相的影響較小，這樣的結(jié)構(gòu)使AFFSFT電機具有很好的容錯性能。

在電機的運行過程中，單相故障一般分為4種：單相功率管斷路，單相功率管短路，單相繞組斷路，單相繞組短路。其中控制系統(tǒng)逆變橋最容易發(fā)生的是單相功率管斷路故障，而電相繞組故障中，也以斷路故障的危害最大。由于軸向磁場磁通切換容錯電機是一種新型的容錯電機，對于其容錯控制，未見相相關(guān)文獻與報道，但由于該電機的各種優(yōu)點，能夠勝任航天、交通、軍工等多種場合，安全性與可靠性問題尤為重要，因此其容錯控制方法的研究非常有必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種適用于軸向磁場磁通切換容錯電機，以電機整體的銅耗最小化為目標(biāo)控制容錯繞組的電流，使電機運行在容錯狀態(tài)時非故障相電流得到優(yōu)化，并大大提高了電能的利用率的基于銅耗最小的軸向磁場磁通切換容錯電機容錯控制方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的基于銅耗最小的軸向磁場磁通切換容錯電機容錯控制方法，包括以下步驟：

(1)從電機主電路采集三相電流i_a、i_b、i_c，中線電流i_N，以及容錯繞組電流i_f，逆變器母線電壓U_dc，對電機進行初始位置檢測，從電機編碼器上采集信號，送入控制器進行處理，得出轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)子位置角θ；

(2)將所述步驟(1)采集到的電壓、電流信號，經(jīng)過跟隨、濾波、偏置和A/D轉(zhuǎn)換送入控制器，然后對所述三相電流i_a、i_b、i_c進行坐標(biāo)變換，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子d軸電流i_d和定子q軸電流i_q；

(3)用給定轉(zhuǎn)速n^*減去編碼器實測轉(zhuǎn)速n，得到的轉(zhuǎn)速偏差Δn輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，經(jīng)比例積分計算后得到電流轉(zhuǎn)矩分量參考值用所述減去步驟(2)中坐標(biāo)變換得到的定子q軸電流i_q得到偏差值Δi_q，用電流勵磁分量參考值減去步驟(2)中坐標(biāo)變換得到的定子d軸電流i_d得到偏差值Δi_d，將所述Δi_d與Δi_q輸入相應(yīng)的電流調(diào)節(jié)器，輸出值經(jīng)過前饋解耦環(huán)節(jié)和Park反變換得到轉(zhuǎn)子α軸電壓U_α和轉(zhuǎn)子β軸電壓U_β，并送入SVPWM發(fā)生器進行處理；

(4)根據(jù)三相電流判斷故障狀態(tài)，當(dāng)檢測到軸向磁場磁通切換容錯電機運行狀態(tài)正常時，進入步驟5)，當(dāng)檢測到軸向磁場磁通切換容錯電機發(fā)生單相故障時，進入步驟6)；

(5)采用i_d＝0的控制策略，即將步驟3)中的電流勵磁分量參考值設(shè)為零，逆變器工作在三相三橋臂模式下，SVPWM發(fā)生器確定相電壓矢量進入步驟9)；

(6)電機容錯控制依舊采用i_d＝0的控制策略，逆變器工作在兩相三橋臂模式下，SVPWM發(fā)生器通過算法切換，使故障相電壓矢量由中線N相電壓矢量代替，使逆變器運行在兩相三橋臂模式下，此時中線N相電壓矢量U_NN恒等于0，非故障相電壓矢量U_xN,U_yN∈{-U_dc,0,U_dc}；

(7)容錯繞組給電機增磁，確定容錯繞組電流參考值其取值滿足：

其中，R_f為容錯繞組電阻，I_s為電樞繞組電流有效值，為相永磁磁鏈幅值初始值，R_s為相繞組電阻，ψ_pm(i_f)為電機增磁過程中相永磁磁鏈幅值隨電流i_f的變化函數(shù)關(guān)系；

(8)用容錯繞組電流參考值減去所述步驟(1)中采集到的實際電流i_f，得到電流偏差值Δi_f，將所述Δi_f輸入脈沖寬度調(diào)制模塊，運算輸出4路脈沖寬度調(diào)制信號，驅(qū)動控制容錯繞組電流的H橋逆變器并進入步驟(9)；

(9)SVPWM發(fā)生器根據(jù)判斷輸入量U_α和U_β所在的扇區(qū)，計算出所述步驟(5)或步驟(6)中所得相電壓矢量的作用時間，運算輸出8路脈沖寬度調(diào)制信號，驅(qū)動三相四橋臂逆變器工作。

本發(fā)明方法的一種優(yōu)選方案中，步驟(4)中，根據(jù)采集到的相電流有效值判斷故障狀態(tài)，即：實測相電流為i_k，有效值為I_k，其中k為表示a、b、c三相的符號，當(dāng)在檢測周期內(nèi)檢測到I_k∈(-ε,ε)，則判斷軸向磁場磁通切換容錯電機有單相斷路故障發(fā)生；當(dāng)在連續(xù)兩個以上檢測周期內(nèi)檢測到其中k₁表示故障相，k₂、k₃表示非故障相，且滿足k₁,k₂,k₃∈[a,b,c]，k₁≠k₂≠k₃，則判斷軸向磁場磁通切換容錯電機有單相短路故障發(fā)生；當(dāng)前面兩種狀況均沒有時，判斷電機狀態(tài)正常，其中ε為一個接近于零的數(shù)。

本發(fā)明方法的一種優(yōu)選方案中，步驟(7)中按照如下方式確定容錯繞組電流參考值

1)通過實驗或者電機有限元仿真數(shù)據(jù)，得到電機增磁過程中相永磁磁鏈幅值隨電流i_f的變化函數(shù)ψ_pm(i_f)；

2)通過電機容錯繞組電阻R_f，電樞繞組電流有效值I_s，相繞組電阻R_s，以及所述步驟1)得到的變化函數(shù)ψ_pm(i_f)計算出電機容錯運行時的銅耗P_copper(i_f)；

3)將所述銅耗P_copper(i_f)對容錯電流i_f求導(dǎo)，使導(dǎo)數(shù)表達式等于零的容錯電流值，即為容錯繞組電流參考值

本發(fā)明在分析軸向磁場磁通切換容錯電機的基礎(chǔ)上，結(jié)合三相四橋臂的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用容錯繞組進行輔助，并且通過算法，以電機整體的銅耗最小化為目標(biāo)控制容錯繞組的電流，使電機運行在容錯狀態(tài)時非故障相電流得到優(yōu)化，并大大提高了電能的利用率。

有益效果：軸向磁場磁通切換容錯電機控制系統(tǒng)逆變橋最容易發(fā)生的是單相功率管斷路故障，而電相繞組故障中，也以斷路故障的危害最大。針對這兩種單相斷路故障，會破壞驅(qū)動系統(tǒng)運行的平衡，產(chǎn)生無法抑制的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速脈動，長時間故障運行會給電機帶來不可逆的損害。本發(fā)明通過步驟4)至步驟7)的軸向磁場磁通切換容錯電機控制系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確檢測故障狀態(tài)，使的電機在發(fā)生故障后能夠運行在容錯狀態(tài)，所以本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)該控制系統(tǒng)能夠使軸向磁場磁通切換容錯電機在發(fā)生故障后及時運行在容錯狀態(tài)；

(2)該控制系統(tǒng)能夠優(yōu)化軸向磁場磁通切換容錯電機容錯運行時非故障相的電流，提高容錯運行時電機的帶負(fù)載能力；

(3)該控制系統(tǒng)能夠通過控制軸向磁場磁通切換容錯電機容錯繞組電流的大小，使電機容錯運行時的銅耗最小化，大大提高了運行的效率。

附圖說明

圖1為AFFSFT電機本體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2為AFFSFT電機逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3為本發(fā)明方法的系統(tǒng)框圖。

圖4為本發(fā)明方法的邏輯流程圖。

圖5為AFFSFT電機運行時的三相電流及N相電流波形。

圖6為AFFSFT電機銅耗最小化的I_s-i_f曲線。

圖7為AFFSFT電機各個I_s下的i_f-P_copper曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合實例和說明書附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

本發(fā)明是一種基于銅耗最小的軸向磁場磁通切換電機容錯控制方法，該電機由兩個結(jié)構(gòu)相同的外定子和一個內(nèi)轉(zhuǎn)子組成，兩者均為凸極結(jié)構(gòu)，永磁體和電樞繞組都置于定子上，圖1為其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。每個定子包括6個E形導(dǎo)磁鐵芯、6塊永磁體、6個電樞線圈和6個容錯(勵磁)線圈。每個電樞線圈繞在兩個相鄰E形導(dǎo)磁鐵芯的側(cè)邊齒上，每個容錯(勵磁)線圈繞在E形導(dǎo)磁鐵芯的中間齒上，相鄰側(cè)邊齒間嵌入永磁體，永磁體沿切向交替充磁，兩側(cè)定子上正對的永磁體充磁方向相反。定子繞組采用集中繞組，定子1上的A相線圈由線圈A11和A12串聯(lián)組成，定子2上的A相線圈由線圈A21和線圈A22串聯(lián)組成，兩側(cè)定子繞組可串聯(lián)連接，B相與C相同理。轉(zhuǎn)子共有14個齒，均勻分布在非導(dǎo)磁圓環(huán)的外圓周上。

本發(fā)明為了能夠?qū)崿F(xiàn)軸向磁場磁通切換容錯電機的容錯運行，如圖2所示，電樞繞組逆變橋采用了三相四橋臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即A、B、C三相電樞繞組呈星形連接，并將中線N相引出，作為第四相接入逆變橋，而容錯(勵磁)繞組逆變器采用H橋結(jié)構(gòu)。

圖3為實現(xiàn)本發(fā)明基于銅耗最小的軸向磁場磁通切換容錯電機容錯控制方法的系統(tǒng)框圖，該控制系統(tǒng)由直流電源、母線電容、DSP控制器、功率變換器、電壓電流傳感器、AFFSFT電機、光電編碼器等組成。

直流母線給整個系統(tǒng)供電，經(jīng)過電容濾波后送給功率變換器，霍爾電壓傳感器采集母線電壓，經(jīng)過調(diào)理后送入控制器。功率變換器的輸出端接AFFSFT電機，霍爾電流傳感器采集相電流和容錯繞組電流，調(diào)理后送入控制器，編碼器電路采集轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置信號，處理后送入控制器計算轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速。控制器輸出12路PWM信號分別驅(qū)動功率變換器中的12個功率管。

本發(fā)明的基于最小銅耗的軸向磁場磁通切換容錯電機容錯控制方法，圖4所示，具體包括以下步驟：

(1)五個霍爾電流傳感器分別從電機主電路采集定子三相電流i_a、i_b、i_c，中線電流i_N，以及容錯繞組電流i_f，霍爾電壓傳感器采集逆變器母線電壓U_dc，對電機進行初始位置檢測，從電機編碼器上采集信號，送入控制器進行處理，得出轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)子位置角θ；

(2)將采集到的電壓、電流信號，經(jīng)過跟隨、濾波、偏置和A/D轉(zhuǎn)換送入控制器，然后對三相電流i_a、i_b、i_c進行坐標(biāo)變換，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子d軸電流i_d和定子q軸電流i_q；

(3)用給定轉(zhuǎn)速n^*減去編碼器實測轉(zhuǎn)速n，得到的轉(zhuǎn)速偏差Δn輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，經(jīng)比例積分計算后得到電流轉(zhuǎn)矩分量參考值用減去2)中采集到的定子q軸電流i_q得到偏差值Δi_q，用電流勵磁分量參考值減去2)中采集到的定子d軸電流i_d得到偏差值Δi_d，將Δi_d與Δi_q輸入相應(yīng)的電流調(diào)節(jié)器，輸出值經(jīng)過前饋解耦環(huán)節(jié)和Park反變換得到轉(zhuǎn)子α軸電壓U_α和轉(zhuǎn)子β軸電壓U_β，并送入SVPWM發(fā)生器進行處理；

(4)根據(jù)采集到的相電流有效值判斷故障狀態(tài)，即實測相電流為i_k(k＝a,b,c)，其有效值為I_k(k＝a,b,c)，當(dāng)在檢測周期內(nèi)檢測到I_k∈(-ε,ε)，其中ε為一個接近于零的數(shù)，或者在連續(xù)兩個以上檢測周期內(nèi)檢測到其中一相的電流有效值明顯大于另外兩相，則可判斷軸向磁場磁通切換容錯電機有單相路故障發(fā)生，進入步驟6)，否則判斷電機狀態(tài)正常，進入步驟5)；

(5)逆變器工作在三相三橋臂模式下，SVPWM發(fā)生器按照常規(guī)算法正常運算，根據(jù)矢量控制原理，在d-q坐標(biāo)系中，得出軸向磁場系統(tǒng)切換容錯電機的數(shù)學(xué)模型。

三相電流分別為：

磁鏈方程：

電壓方程：

轉(zhuǎn)矩方程：

其中，i_a、i_b、i_c分別為定子三相電流，I_m為相電流幅值，θ為相位角；ψ_d、ψ_q分別d軸與q軸磁鏈，i_d、i_q分別為d軸與q軸電流，L_d、L_q分別為d軸與q軸電感，ψ_pm為永磁體磁鏈；u_d、u_q分別為d軸與q軸電壓，R_s為電樞繞組電阻，ω_e為電角速度；T_e為電磁轉(zhuǎn)矩，p為電機極對數(shù)。

采用i_d＝0的SVPWM控制，即步驟3)中的電流勵磁分量參考值設(shè)為零，此時，逆變器八個電壓矢量合成的相電壓矢量U_AN、U_BN和U_CN，以及三相電壓經(jīng)過Clark變換后在αβ0坐標(biāo)系下的電壓U_α和U_β的取值如表1所示，進入步驟9)；

表1 AFFSFT電機正常運行時的電壓矢量表

(6)電機容錯控制依舊采用i_d＝0的控制策略，逆變器工作在兩相三橋臂模式下，軸向磁場磁通切換容錯電機控制系統(tǒng)故障前總磁動勢為：

其中，TMMF為總磁動勢，F(xiàn)_a、F_b、F_c分別為A、B、C相磁動勢，N為電樞繞組匝數(shù)，α為空間旋轉(zhuǎn)因子。

假設(shè)軸向磁場磁通切換容錯電機A相發(fā)生斷路故障，總磁動勢為：

其中，TMMF'為容錯控制總磁動勢，F(xiàn)_b'、F_c'為容錯控制時的B、C相磁動勢；i_b'、i_c'為容錯控制時的B、C相電流。

為了保證軸向磁場磁通切換永磁電機能夠容錯運行，令式(6)和式(5)實部和虛部分別相等，從而可得：

為實現(xiàn)這樣的電流分配，SVPWM發(fā)生器通過算法切換，使A相電壓矢量由中線N相電壓矢量代替，此時，逆變器八個電壓矢量合成的相電壓矢量U_NN、U_BN和U_CN，以及三相電壓經(jīng)過Clark變換后在αβ0坐標(biāo)系下的電壓U_α和U_β的取值如表2所示，與表1相同；

表2 AFFSFT電機容錯運行時的電壓矢量表

(7)電機容錯前后的銅耗計算：

電機正常運行時的銅耗為：

電機直接以步驟6)的電流分配方式容錯運行時的銅耗：

在步驟6)的基礎(chǔ)上，使用容錯繞組進行輔助，容錯運行時的銅耗：

基于銅耗最小的容錯控制方法，就是使容錯繞組參考電流取到式(10)導(dǎo)數(shù)等于0的點，即滿足：

其中，R_f為容錯繞組電阻，I_s為電樞繞組電流有效值，為相永磁磁鏈幅值初始值，R_s為相繞組電阻，ψ_pm(i_f)為電機增磁過程中相永磁磁鏈幅值隨電流i_f的變化函數(shù)，無論是通過有限元仿真還是實驗，都可以測得ψ_pm(i_f)是一個單調(diào)遞增函數(shù)，且隨著i_f的增加，其導(dǎo)數(shù)趨于零；

(8)用容錯繞組電流參考值減去步驟1)中采集到的實際電流i_f，得到電流偏差值Δi_f，將Δi_f輸入脈沖寬度調(diào)制模塊，運算輸出4路脈沖寬度調(diào)制信號，驅(qū)動控制容錯繞組電流的H橋逆變器；

(9)SVPWM發(fā)生器根據(jù)判斷輸入量U_α和U_β所在的扇區(qū)，計算出步驟5)或步驟6)中所得相電壓矢量的作用時間，運算輸出8路脈沖寬度調(diào)制信號，驅(qū)動三相四橋臂逆變器工作。

上述實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發(fā)明權(quán)利要求進行改進和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護范圍。