多相永磁容错电机的简易最优电流直接控制方法技术

本发明专利技术提出一种新颖的多相永磁容错电机简易最优电流直接控制方法。该控制方法以永磁电机正弦波反电势为前提，转矩脉动最小化为目标，当永磁容错电机的某一相绕组或功率管出现断路或短路故障时，利用简易最优电流直接控制算法，直接计算出正常相绕组的最优给定电流，进而补偿故障相的平均输出转矩，并抵消故障相产生的脉动转矩，使得电机输出的转矩脉动最小化，而转速不变，并实现ｍ相正常态向ｍ－１相故障态的无缝切换。其中，由于简易最优电流直接算法解出的给定电流值在安全范围内，其值可以直接作为正常相绕组的最优给定电流，因此，在整个给定电流计算过程中，无需复杂的迭代计算，软件编程简单，易于实现实时控制的全数字式容错控制系统，适合于高可靠性及高性能要求的航空航天及军用场合。

【技术实现步骤摘要】
一、
-本专利技术所涉及的是一种新颖的基于。二
技术介绍
从上世纪八十年代以来，随着多电、全电飞机以及混合、纯电动汽车的发展，电机驱动 系统迎来了新的发展机遇和挑战。除了高功率密度、高效率，同时拥有高输出性能(转速、 转矩脉动最小化)以及高可靠性成了电机驱动系统的关键所在。上世纪90年代，永磁容错电 机及其控制系统的出现，为提高系统的安全可靠性提供了保障，已应用到航空领域。永磁容 错电机，除了具有一般永磁电机的特点外(体积小、功率密度高等)，还具有物理隔离、热 隔离、磁隔离电气隔离以及抑制短路电流的特点，因此，永磁容错电机本体具备很强的容错 能力，若结合具有高性能的控制算法，那它既可实现容错能力，又能满足高输出特性的要求。1999年，英国Shefield大学的Jiabing Wang教授提出了最优转矩控制策略，在恒转矩区 及恒功率区，该控制策略以铜耗最小为目标，转矩脉动最小化为条件，引入拉普拉斯因子， 当某相绕组或功率管出现故障时，得到目标函数，如式(l)所示F = ￡叫(,)+ , )2 (em ( ) 一 [r' (f)—7> ]} (1)式中M指电机相数，、指绕组自感，^指乂相绕组的磁链，A指故障相，^指弱磁系数，。,风)指j'相绕组磁链对转子位置的导数，r'(o指给定电磁转矩，zyw值故障相绕组所产生的电磁转矩，/^/)指/相绕组的给定电流，根据朗格朗日优化算法，对目标函数求偏导数竺=0，竺=0 7a (2)， 3义 」 、乂结合式(l)和(2)，得出正常相绕组的给定电流为' -^-^--》/ (3)2>,)〗2J鈾由于式(3)中第一相分式中的分母￡[7.(0]2没有确定的变化范围，当它很小时，甚至接近零时，根据式(3)算出的给定电流将会远远大于电枢电流的极限/_，因此，正常相绕组的给 定电流不能直接取式(3)算出的电流值。如果有绕组电流超过电流极值，那么就要反复校核、3迭代计算，重复大量的复杂算法，直到计算出各相绕组给定电流不超过电流极值/_为止。由上分析可见，该控制策略的算法解析式不仅很复杂(如式(3)所示)，而且还需要复杂的多 次迭代计算才能得到最终正常相绕组的给定电流，整个控制算法复杂，不易软件编程。因此 期待专利技术简单易行，但具有容错及高输出性能的控制策略。本专利技术正是基于此要求提出了一 种简单易行的最优电流直接控制方法。
技术实现思路
本专利技术提出一种简易最优电流直接控制方法应用在多相永磁容错电机上。当电机某一相 绕组或功率管发生断路或短路故障时，利用提出的简单最优电流直接控制方法，直接算出正 常相绕组的给定电流，补偿故障相的平均输出转矩，同时抵消故障相的脉动转矩，使得电机输出转矩的平均值不变，转矩脉动最小化，进而保证故障后的电机输出转速不变，实现m相 正常态向m-l相故障态的无缝切换，达到系统的容错要求。其中本专利技术的最优简易电流直接 控制算法根据永磁容错电机的功率守恒原则推导得出，物理概念清晰，并保证正常相绕组的最优给定电流小于电流极值/_，因此，不需要复杂的数学优化及迭代算法，直接利用转子位置信号、故障诊断信号以及余弦表，通过数学四则运算直接算出正常相绕组的最优给定电流， 简化了软件编程的复杂度，易于全数字控制系统的实现，这就是本专利技术的核心所在。本专利技术的永磁容错电机控制系统的容错控制策略是通过位置传感器得到电机的位置及 转速信号，在每个控制周期中，利用外环转速PI调节器得到电机正常态或者故障态的给定转矩r'(f)，结合转子的位置信号和故障诊断信号，通过简易最优电流直接控制算法，直接算出正常相绕组的最优给定电流;X/ ,再利用数字滞环得到相应的PWM脉冲信号，最后通过功率变换器作用于六相十极永磁容错电机，使得故障态的电机输出性能(输出转矩和转速)不变， 实现高性能的容错控制，如图1所示。本专利技术的简易最优电流直接控制算法以转矩脉动最小化输出为目标，根据功率守恒原则 推导得出。当电机正常工作时，电机的电磁转矩可以表示为，4ifenw)) (4) W指7'相绕组第附次谐波空载反电势，』w指y相绕组的第次谐波电流， 指电机的 机械角速度。当某相绕组或者功率管发生故障时，对于正弦波电机，忽略空载反电势内的谐波成分，式(4)可以表示为<formula>formula see original document page 5</formula> (5)断路故障时7>( ) = 0;短路故障时7>(f) = cos[戸j-^^]x/4 。p指电机的磁极对数，^指永磁体耦合到电枢绕组的磁链最大值，^指电枢绕组的峰值电流，7>(0值故障相绕组所产生的电磁转矩，y指电流滞后角。为了使得电机能够输出额定转矩，并且转矩脉动最小化，则令电磁转矩等于恒定的给定转矩，艮P: ;(')=;r*(o (6)则结合式(5)，第7相正常相绕组的电流解析式可以表示为W画j )=^r5 cos(2w-, 3)，xco他,--/3)-w hi…加n; (7)由式(7)可见，第一项因式中的分母有确定的变化范围，艮P:S2 ~~^~~^ ^3肌 (8)在这确定的变化范围中的分母数值不会太小，能使得计算出来的电流幅值始终小于绕组的极值电流/_，因此，正常相的绕组电流无需复杂的多次迭代计算；另外，利用查表法直接得到公式中的余弦函数值，大大降低了软件编程的复杂度，这就是该算法的最大特色。为达到上述的技术要求，本专利技术的技术解决方案是，硬件系统由主回路，检测回路，控制回路，故障诊断及辨识回路四大部分组成。主回路由永磁容错电机(l)、功率变换器串联(2)，并由功率变换器接到供电电网；检测回路由电流传感器(6)和位置传感器(7)组成；控制回路由模数转换器(5)连于基于数字信号处理器(DSP)的控制单元(4)，产生功率变换器控制信号，再连于变换器的驱动电路(3);故障诊断及辨识回路由故障诊断及保护电路(8)组成，当电机某一相绕组或者控制器发生故障时，利用故障诊断及保护电路(8)直接将故障相隔离，并判断出故障类型，进行相应的算法切换，如图2所示。本专利技术的优点(1) 可利用查表法，结合故障诊断信号直接通过四则运算得到正常相绕组的最优给定电流，无需复杂的迭代计算，因此，整个控制算法简单，易于软件编程；(2) 最优给定电流解析式对电机参数的依赖性小，使得控制程序具有很好的移植性及通用性；(3) 可广泛应用到三相、四相以及更多相的永磁容错电机控制系统中，因此该控制算法具5有一般适用性。四附图说明-图1基于简易最优电流直接控制算法的多相永磁容错电机及其控制系统框图图2基于简易最优电流直接控制算法的多相永磁容错电机及其控制系统的硬件组成框图图l中的符号名称分别是n'—给定转速，一实际转速，r'一给定转矩，^一电机转子的位置，m相绕组的给定电流，z, ^一m相绕组的实际电流，PWM—功率管的驱动信号。图2中各框图内的编号名称分别是1、多相永磁容错电机，2、功率变换器，3、变换器的驱动电路，4、基于数字控制信号处理器的控制系统，5、模数转换器A/D， 6、电流传感器，7、位置传感器，8、故障诊断及保护电路。五、 具体实施方法-根据附图2叙述本专利技术的具体实施方法及工作原理和过程。由图2可知，多相永本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新颖的基于多相永磁容错电机的简易最优电流直接控制方法，其特征在于，当电机某一相绕组或功率管发生断路或短路故障时，利用简易最优电流直接控制算法，直接计算出正常相绕组的最优给定电流，进而补偿故障相的平均输出转矩，并抵消故障相产生的脉动转矩，使得故障态时电机输出特性不变，实现ｍ相正常态向ｍ－１相故障态的无缝切换，达到系统容错要求。

【技术特征摘要】
1、一种新颖的基于多相永磁容错电机的简易最优电流直接控制方法，其特征在于，当电机某一相绕组或功率管发生断路或短路故障时，利用简易最优电流直接控制算法，直接计算出正常相绕组的最优给定电流，进而补偿故障相的平均输出转矩，并抵消故障相产生的脉动转矩，使得故障态时电机输出特性不变，实现m相正常态向m-1相故障态的无缝切换，达到系统容错要求。2、 一种简易最优电流直接算法，该算法以电机输出转矩脉动最小化为目标，根据功率守恒 原则推导得出，如式(a)所示，其特征在于，分母有确定的安全变化范围，整个电流计算过程中，无需复杂的迭代计算，系统在故障态时，仅需结合位置信号^- f查取软件中预先编制的余弦表，通过数学四则运算直接得到正常相绕组的最优给定电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝振洋，胡育文，黄文新，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]