一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法

摘要

本发明公开了一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法，所述的双绕组永磁容错电机是由12槽定子和10极表贴式永磁体转子组成，其定子中包括两套相互独立的对称的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组；该方法通过建立双绕组永磁容错电机控制系统的数学模型，再根据建立的模型以及采集到的和给定的电机信号，分别依次经过速度控制器、电流控制器、SVPWM和逆变器来实现对电机的控制，同时增加了故障诊断与余度通信功能，能分别对控制系统是否存在绕组断路或短路故障进行诊断与处理。本发明简单易行，具有高可靠性和强容错性，能够很好地实现对系统断路或短路故障的容错控制，适合于高可靠性及高性能要求的航空航天及军用场合。

主权项

一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法，其特征在于，包括双绕组容错电机、霍尔传感器、abc/dq变换器、逆变器、电流控制器、位置信号检测和速度控制器；所述的双绕组永磁容错电机包括12槽定子和10极表贴式永磁体转子；其定子中包括两套相互独立的对称的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组，分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z，每套绕组分别由一套三相全桥驱动电路进行驱动，该方法包括以下步骤：1)对双绕组永磁容错电机的控制系统建立数学模型，其在三相坐标系下分别建立的电机绕组a、b、c和绕组x、y、z的电压和磁链方程为：$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{abc}}\\ {\psi }_{\mathrm{abc}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s^{\prime }& {\mathrm{p\psi }}_{\mathrm{abc}}\\ L_{11}^{\prime }& {\psi }_{\mathrm{fabc}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{abc}}\\ 1\end{array}\right]$$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{xyz}}\\ {\psi }_{\mathrm{xyz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s^{\prime }& {\mathrm{p\psi }}_{\mathrm{xyz}}\\ L_{22}^{\prime }& {\psi }_{\mathrm{fxyz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{xyz}}\\ 1\end{array}\right]$其中：U_abc＝[U_a U_b U_c]^T和ψ_abc＝[ψ_a ψ_b ψ_c]^T分别为绕组a、b、c的相电压和绕组a、b、c的定子磁链；i_abc＝[i_a i_b i_c]^T为绕组a、b、c的相电流；R′_s＝diag[R_s R_s R_s]^T为定子电阻；р为微分算子；U_xyz＝[U_x U_y U_z]^T为绕组x、y、z的相电压；ψ_xyz＝[ψ_xψ_yψ_z]^T为绕组x、y、z的定子磁链；i_xyz＝[i_x i_y i_z]^T为绕组x、y、z的相电流；L′₁₁、L′₂₂分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的定子自感；ψ_fabc、ψ_fxyz分别为绕组a、b、c和绕组x、y、z的永磁体磁链；根据功率守恒进行坐标变换后，其旋转坐标系下的d‑q轴的电压方程为：$\left[\begin{array}{c}{V}_{d1}\\ V_{q1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}(R_s+{\mathrm{pL}}_{d11})& -{\omega }_e{L}_{q11}& {\mathrm{p\psi }}_f\\ {\omega }_e{L}_{d11}& (R_s+{\mathrm{pL}}_{q11})& {\omega }_e{\psi }_f\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\\ 1\end{array}\right]$$\left[\begin{array}{c}{V}_{d2}\\ V_{q2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}(R_s+{\mathrm{pL}}_{d22})& -{\omega }_e{L}_{q22}& {\mathrm{p\psi }}_f\\ {\omega }_e{L}_{d22}& (R_s+{\mathrm{pL}}_{q22})& {\omega }_e{\psi }_f\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\\ 1\end{array}\right]$${\omega }_e=\frac{n}{2}{\omega }_r$其中：ω_e为转子电角速度；ω_r为转子机械角速度；n为电机极数；V_d1、V_q1分别为绕组a、b、c的d‑q轴电压；V_d2、V_q2分别为绕组x、y、z的d‑q轴电压；R_s为定子电阻；р为微分算子；L_d11、L_q11分别为绕组a、b、c的d‑q轴电感；L_d22、L_q22分别为绕组x、y、z的d‑q轴电感；ψ_f为永磁体磁链；2)通过故障诊断与余度通信功能，对控制系统是否存在断路故障进行诊断与处理，根据断路故障诊断方法，如果诊断出发生断路故障，则切除故障态的一套绕组；同时，通过余度通信功能向正常的一套绕组发送故障信号，增加正常的一套绕组的输出功率，使其由故障前输出的50％功率变为故障后输出100％的功率，其中所述的断路故障诊断方法的具体步骤为：2.1)将各相采集电流i_a、i_b、i_c、i_x、i_y、i_z分别代入各相电流诊断方程处理得到各相的电流诊断值，其各相电流诊断方程为：$\left\{\begin{array}{c}{I}_a^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\int }_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_a^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_b^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\int }_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_b^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_c^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\int }_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_c^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_x^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\int }_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_x^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_y^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\int }_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_y^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\\ I_z^{\mathrm{diagnose}}=f_{\mathrm{DFPM}}{\left[{\int }_0^{\frac{1}{f_{\mathrm{DFPM}}}}{i}_z^2\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}\end{array}\right.$其中：分别为各相电流对应的电流诊断值；f_DFPM为电机的运行频率；2.2)将处理得到的各相电流诊断值，代入断路故障诊断方程处理得到各相绕组是否出现断路的表示值，其断路故障诊断方程为：$K_a(K_b,K_c,K_x,K_y\mathrm{or}{K}_z)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \left[\begin{array}{cc}\mathrm{if}& I_a^{\mathrm{diagnose}}(I_b^{\mathrm{diagnose}},I_c^{\mathrm{diagnose}},I_x^{\mathrm{diagnose}},I_y^{\mathrm{diagnose}}\mathrm{or}{I}_z^{\mathrm{diagnose}})=0,\mathrm{and}{\omega }_r\ne 0\end{array}\right]\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$其中：K_a、K_b、K_c、K_x、K_y、K_z分别为各相绕组是否出现断路的表示值，其值为1表示出现断路，为0表示正常；2.3)根据处理得到的各相绕组是否出现断路的表示值，代入断路故障处理方程得到断路故障态时应切除哪一套绕组的表示值，其断路故障处理方程为：$S_1=\left\{\begin{array}{cc}1,& \begin{array}{cc}\mathrm{if}& K_a+K_b+K_c\ge 1\end{array}\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$$S_2=\left\{\begin{array}{cc}1,& \begin{array}{cc}\mathrm{if}& K_x+K_y+K_z\ge 1\end{array}\\ 0,& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$其中：S₁为是否应切除绕组a、b、c这一套绕组的表示值，S₂为是否应切除绕组x、y、z这一套绕组的表示值，其值为1表示应该切除，为0表示不切除。