电驱动系统功率管开路故障容错控制方法转让专利
申请号 : CN202010842249.2
文献号 : CN111740676B
文献日 : 2021-06-15
发明人 : 李洁 , 蒋雪峰 , 李运之
申请人 : 南京众科汇电气科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.电驱动系统功率管开路故障容错控制方法,其特征在于,电驱动系统包括一台双绕组永磁电机,两套独立的三相桥式逆变器,两个双向晶闸管TR1和TR2,两个电容C1和C2,一个直流电源Udc,周期计算器,灰色预测开路故障诊断器、功率管开路故障定位器以及功率管开路故障处理器,其中双绕组永磁电机采用集中绕组隔齿绕制的方式,两套绕组ABC和XYZ相互独立且对称分布,每一套三相桥式逆变器包括6个功率管,驱动绕组ABC的逆变器包含T1、T2、T3、T4、T5、T6六个功率管,驱动绕组XYZ的逆变器包含T7、T8、T9、T10、T11、T12六个功率管,其中T1、T3、T5和T7、T9、T11为上功率管,T2、T4、T6和T8、T10、T12为下功率管,双向晶闸管TR1两端分别与双绕组永磁电机A、B、C绕组的中性点N1和电容C1、C2中点相连接,双向晶闸管TR2两端分别与双绕组永磁电机X、Y、Z绕组的中性点N2和电容C1、C2中点相连接,电驱动系统功率管开路故障容错控制方法具体包括以下步骤:步骤1:将采集到的双绕组永磁电机ABC三相绕组电流iA、iB、iC以及XYZ三相绕组电流iX、iY、iZ分别进行abc/dq坐标变换得到两套绕组的dq轴实际电流,并分别记为id1、iq1和id2、iq2,将采集到的实际转速ωr和给定转速ωr*进行PI调节后输出给定q轴电流iq1*和iq2*,将给定q轴电流iq1*、iq2*和q轴实际电流iq1、iq2进行PI调节后输出给定q轴电压Vq1*、Vq2*,将给定d轴电流id1*、id2*和d轴实际电流id1、id2进行PI调节后输出给定d轴电压Vd1*和Vd2*,分别将两套绕组的给定q轴、d轴电压Vq1*、Vq2*、Vd1*、Vd2*通过dq/αβ坐标变换得到αβ轴参考电压Vα1*、Vβ1*和Vα2*、Vβ2*,将αβ轴参考电压Vα1*、Vβ1*和Vα2*、Vβ2*通过电压空间矢量脉宽调制后得到三相PWM波,两套逆变器接收电压空间矢量脉宽调制后的三相PWM波,并驱动双绕组永磁电机运行,在正常运行时双向晶闸管TR1和TR2均处于关闭状态,两套绕组输出功率均为总输出功率的一半;
步骤2:监测在电机启动完成后任一相电流第一次达到极大值的时间tm,以及第二次达到极大值的时间tn,通过周期计算器得到电流周期T=tm‑tn;
步骤3:按照等时间间隔分别对A、B、C、X、Y、Z六相电流进行采集并送至灰色预测开路故障诊断器,将第k个采集结果记为 并储存若干位采集结果作为灰色预测模型的原始序列 表示为:
其中N取为A、B、C、X、Y、Z;
步骤4:灰色预测开路故障诊断器将原始序列代入建立好的灰色预测模型,并依据模型来预测下一步或下几步的电流值,灰色预测模型表示为:其中,α为发展灰度,反应预测的发展态势,μ为控制系数,反应了数据变化的关系,且α与μ为根据采集的电流数据进行求解,根据双绕组永磁电机的实际运行参数设置故障判断的阈值r’,将下一时刻的电流预测数据与实际采样的电流值进行比较,如果其中一相的预测值与实际值之差的绝对值超过阈值r’,则判断为该相绕组出现开路故障,记录故障时间t0;若其中一相的预测值与实际值之差的绝对值小于等于阈值r’,则说明没有故障发生;
步骤5:功率管开路故障定位器根据故障发生时刻t0之后二分之一个周期以及四分之三个周期时的电流值,来对故障功率管进行定位,监测t1=t0+T/2时刻的电流值i1和t2=t0+
3T/4时刻的电流值i2,并计算it=i1+i2,it不等于0则说明功率管发生开路故障,若该值大于
0,则诊断为该相驱动桥下桥臂功率管发生开路故障;若计算得该值小于0,则可以判断为该相驱动桥上桥臂功率管发生故障,最后将故障位置输出至功率管开路故障处理器;
步骤6:功率管开路故障处理器根据反馈的故障位置,通过控制逆变器和双向晶闸管TR1、TR2实现在八种故障状态时的容错控制,八种故障状态包括:第一套绕组即A、B、C三相功率管同时出现开路故障、第二套绕组即X、Y、Z三相功率管同时出现开路故障、第一套绕组ABC中的某两相功率管同时出现开路故障、第二套绕组XYZ中的某两相功率管同时出现开路故障、第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某一相功率管出现开路故障、第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中的某一相功率管出现开路故障、两套绕组均有一相功率管出现开路故障、两套绕组中的某一相功率管出现开路故障;
步骤6中所述功率管开路故障处理器处理以下八种运行情况,第一套绕组即A、B、C三相功率管同时出现开路故障、第二套绕组即X、Y、Z三相功率管同时出现开路故障、第一套绕组ABC中的某两相功率管同时出现开路故障、第二套绕组XYZ中的某两相功率管同时出现开路故障、第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某一相功率管出现开路故障、第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中的某一相功率管出现开路故障、两套绕组均有一相功率管出现开路故障、两套绕组中的某一相功率管出现开路故障,其中:
第一套绕组即A、B、C三相功率管同时出现开路故障时,封锁功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6,双向晶闸管TR1和TR2保持关闭状态,同时增加第二套绕组XYZ的输出功率,使其等于系统输出总功率;
第二套绕组即X、Y、Z三相功率管同时出现开路故障时,封锁功率管T7、T8、T9、T10、T11、T12,双向晶闸管TR1和TR2保持关闭状态,同时增加第一套绕组ABC的输出功率,使其等于系统输出总功率;
第一套绕组ABC中的某两相的功率管同时出现开路故障,如功率管T1和功率管T3同时出现绕组开路故障,封锁功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6,双向晶闸管TR1和TR2保持关闭状态,同时增加第二套绕组XYZ的输出功率,使其等于系统输出总功率;
第二套绕组XYZ中的某两相的功率管同时出现开路故障,如功率管T7和功率管T9同时出现绕组开路故障,封锁功率管T7、T8、T9、T10、T11、T12,双向晶闸管TR1和TR2保持关闭状态,同时增加第一套绕组ABC的输出功率,使其等于系统输出总功率;
第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某一相功率管出现开路故障,如第二套绕组中T7出现开路故障,封锁功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8,导通双向晶闸管TR2,保持TR1关闭状态,同时增加第二套绕组XYZ的输出功率,使其等于系统输出总功率;
第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中的某一相功率管出现开路故障,如第一套绕组中T1出现开路故障,封锁功率管T1、T2、T7、T8、T9、T10、T11、T12,导通双向晶闸管TR1,保持TR2关闭状态,同时增加第一套绕组ABC的输出功率,使其等于系统输出总功率;
两套绕组均有一相功率管出现开路故障,如第一套绕组功率管T1和第二套绕组T7出现开路故障,封锁功率管T1、T2、T7、T8,导通双向晶闸管TR1和TR2;
两套绕组中的某一相功率管出现开路故障,如第一套绕组功率管T1出现开路故障,封锁功率管T1、T2,导通双向晶闸管TR1,保持TR2关闭状态。
说明书 :
电驱动系统功率管开路故障容错控制方法
技术领域
背景技术
为电机驱动系统的关键所在。然而,当电驱动系统发生故障后,电机非对称运行,输出转矩
将出现脉动,产生较大的机械噪声,导致系统的整体性能下降,尤其是输出功率大大降低,
甚至不能正常工作,严重危害系统的安全,为了避免或减轻电驱动故障造成的严重危害,就
得具有对电驱动系统的故障进行准确地检测和定位的功能,因此,研究电驱动系统的故障
诊断技术就尤其重要了。
流过更大的电流,易发生过流故障;且电机电流中存在直流电流分量,会引起转矩减小、发
热、绝缘损坏等问题,如不及时处理开路故障,将会引发更大的事故。
值为基础的故障诊断策略,从而实现对双绕组永磁容错电机驱动系统开路故障的实时检测
和定位。该方法通过对归一化电流平均值和其绝对值的平均值的联合使用,避免了常规诊
断方法由于负载突变等原因易产生的误诊断,同时诊断时间也大大缩短,可以有效地实时
检测和定位系统的开路故障。授权公告号为CN 105182159B的发明专利“一种电驱动系统的
故障诊断方法”中,公开了一种以平均电流极值差判断故障准则和绝对值的平均电流极值
差判断故障准则为故障诊断判据,从而实现对电驱动系统故障的实时检测和定位的方法。
该方法不需要增加额外的传感器,能实时诊断与定位单个功率管或多个功率管的开路故
障,在系统负载突变或转速突变时,不需要调整故障判断阀值,不易误诊断。
库,当发生故障的时候只需要观测故障现象,查询知识库即可判断故障类型,难点在于难以
穷尽所有的故障现象并得到完备的故障知识库,而有些故障模态往往与系统正常运行时的
某种状态时非常相似,造成了难以准确匹配故障。电压检测方法具有鲁棒性强、诊断速度快
等优点,但其通用性差,并且增设电压传感器会导致系统的成本和复杂度增加。考虑到系统
参数和控制策略的独立性,电流检测是目前最常见的开路故障诊断方法,它不需要额外增
设的传感器。在以往的电力拖动系统中依赖于计算一个或多个周期的电流来诊断故障,这
也意味着电机将会在故障状态下运行更多的时间,增加了系统的损耗以及风险。
电机及其控制方法,该方法具有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,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。但是现
有的容错电驱动系统仍然面临所需独立电源数较多、功率开关管数量多、整体容量功率比
不够大等问题,目前的很多容错控制策略在可靠性、容错能力以及应对多相故障的能力上
还有很大的提升空间。
发明内容
动系统功率管的开路故障,并且能根据不同的故障进行容错控制,使电驱动系统可以在故
障状态下稳定运行。
源Udc,周期计算器,灰色预测开路故障诊断器、功率管开路故障定位器以及功率管开路故
障处理器,其中双绕组永磁电机采用集中绕组隔齿绕制的方式,两套绕组ABC和XYZ相互独
立且对称分布,每一套三相桥式逆变器包括6个功率管,驱动绕组ABC的逆变器包含T1、T2、
T3、T4、T5、T6六个功率管,驱动绕组XYZ的逆变器包含T7、T8、T9、T10、T11、T12六个功率管,
其中T1、T3、T5和T7、T9、T11为上功率管,T2、T4、T6和T8、T10、T12为下功率管,双向晶闸管
TR1两端分别与双绕组永磁电机A、B、C绕组的中性点N1和电容C1、C2中点相连接,双向晶闸
管TR2两端分别与双绕组永磁电机X、Y、Z绕组的中性点N2和电容C1、C2中点相连接,电驱动
系统功率管开路故障容错控制方法具体包括以下步骤:
id2、iq2,将采集到的实际转速ωr和给定转速ωr*进行PI调节后输出给定q轴电流iq1*和
iq2*,将给定q轴电流iq1*、iq2*和q轴实际电流iq1、iq2进行PI调节后输出给定q轴电压Vq1*、
Vq2*,将给定d轴电流id1*、id2*和d轴实际电流id1、id2进行PI调节后输出给定d轴电压Vd1*和
Vd2*,分别将两套绕组的给定q轴、d轴电压Vq1*、Vq2*、Vd1*、Vd2*通过dq/αβ坐标变换得到αβ轴
参考电压Vα1*、Vβ1*和Vα2*、Vβ2*,将αβ轴参考电压Vα1*、Vβ1*和Vα2*、Vβ2*通过电压空间矢量脉
宽调制后得到三相PWM波,两套逆变器接收电压空间矢量脉宽调制后的三相PWM波,并驱动
双绕组永磁电机运行,在正常运行时双向晶闸管TR1和TR2均处于关闭状态,两套绕组输出
功率均为总输出功率的一半;
模型的原始序列 , 表示为:
故障判断的阈值r’,将下一时刻的电流预测数据与实际采样的电流值进行比较,如果其中
一相的预测值与实际值之差的绝对值超过阈值r’,则判断为该相绕组出现开路故障,记录
故障时间t0;若其中一相的预测值与实际值之差的绝对值小于等于阈值r’,则说明没有故
障发生;
t0+3T/4时刻的电流值i2,并计算it=i1+i2,it不等于0则说明功率管发生开路故障,若it大于
0,则诊断为该相驱动桥下桥臂功率管发生开路故障;若it小于0,则判断为该相驱动桥上桥
臂功率管发生故障,最后将故障位置输出至功率管开路故障处理器;
相功率管同时出现开路故障、第二套绕组即X、Y、Z三相功率管同时出现开路故障、第一套绕
组ABC中的某两相功率管同时出现开路故障、第二套绕组XYZ中的某两相功率管同时出现开
路故障、第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某一相功率管出
现开路故障、第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中的某一相功率
管出现开路故障、两套绕组均有一相功率管出现开路故障、两套绕组中的某一相功率管出
现开路故障;
障、第一套绕组ABC中的某两相功率管同时出现开路故障、第二套绕组XYZ中的某两相功率
管同时出现开路故障、第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某
一相功率管出现开路故障、第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中
的某一相功率管出现开路故障、两套绕组均有一相功率管出现开路故障、两套绕组中的某
一相功率管出现开路故障,其中:
绕组XYZ的输出功率等于系统输出总功率;
套绕组ABC的输出功率等于系统输出总功率;
态,同时增加第二套绕组XYZ的输出功率,使第二套绕组XYZ的输出功率等于系统输出总功
率;
闭状态,同时增加第一套绕组ABC的输出功率,使第一套绕组ABC的输出功率等于系统输出
总功率;
导通双向晶闸管TR2,保持TR1关闭状态,同时增加第二套绕组XYZ的输出功率,使第二套绕
组XYZ的输出功率等于系统输出总功率;
T12,导通双向晶闸管TR1,保持TR2关闭状态,同时增加第一套绕组ABC的输出功率,使第一
套绕组ABC的输出功率等于系统输出总功率;
少了故障运行对电驱动系统造成的损害。
容错能力。
附图说明
具体实施方式
施例,本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的的所有其他实施例,都属于
本发明的保护范围。
一个直流电源Udc,周期计算器,灰色预测开路故障诊断器、功率管开路故障定位器以及功
率管开路故障处理器,其中双绕组永磁电机采用集中绕组隔齿绕制的方式,两套绕组ABC和
XYZ相互独立且对称分布,每一套三相桥式逆变器包括6个功率管,驱动绕组ABC的逆变器包
含T1、T2、T3、T4、T5、T6六个功率管,驱动绕组XYZ的逆变器包含T7、T8、T9、T10、T11、T12六个
功率管,其中T1、T3、T5和T7、T9、T11为上功率管,T2、T4、T6和T8、T10、T12为下功率管,双向
晶闸管TR1两端分别与双绕组永磁电机A、B、C绕组的中性点N1和电容C1、C2中点相连接,双
向晶闸管TR2两端分别与双绕组永磁电机X、Y、Z绕组的中性点N2和电容C1、C2中点相连接,
电驱动系统功率管开路故障容错控制方法具体包括以下步骤:
id2、iq2,将采集到的实际转速ωr和给定转速ωr*进行PI调节后输出给定q轴电流iq1*和
iq2*,将给定q轴电流iq1*、iq2*和q轴实际电流iq1、iq2进行PI调节后输出给定q轴电压Vq1*、
Vq2*,将给定d轴电流id1*、id2*和d轴实际电流id1、id2进行PI调节后输出给定d轴电压Vd1*和
Vd2*,分别将两套绕组的给定q轴、d轴电压Vq1*、Vq2*、Vd1*、Vd2*通过dq/αβ坐标变换得到αβ轴
参考电压Vα1*、Vβ1*和Vα2*、Vβ2*,将αβ轴参考电压Vα1*、Vβ1*和Vα2*、Vβ2*通过电压空间矢量脉
宽调制后得到三相PWM波,两套逆变器接收电压空间矢量脉宽调制后的三相PWM波,并驱动
双绕组永磁电机运行,在正常运行时双向晶闸管TR1和TR2均处于关闭状态,两套绕组输出
功率均为总输出功率的一半;
的原始序列 , 表示为:
判断的阈值r’,将下一时刻的电流预测数据与实际采样的电流值进行比较,如果其中一相
的预测值与实际值之差的绝对值超过阈值r’,则判断为该相绕组出现开路故障,记录故障
时间t0;若其中一相的预测值与实际值之差的绝对值小于等于阈值r’,则说明没有故障发
生;
t0+3T/4时刻的电流值i2,并计算it=i1+i2,it不等于0则说明功率管发生开路故障,若it大于
0,则诊断为该相驱动桥下桥臂功率管发生开路故障;若it小于0,则判断为该相驱动桥上桥
臂功率管发生故障,最后将故障位置输出至功率管开路故障处理器;
相功率管同时出现开路故障、第二套绕组即X、Y、Z三相功率管同时出现开路故障、第一套绕
组ABC中的某两相功率管同时出现开路故障、第二套绕组XYZ中的某两相功率管同时出现开
路故障、第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某一相功率管出
现开路故障、第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中的某一相功率
管出现开路故障、两套绕组均有一相功率管出现开路故障、两套绕组中的某一相功率管出
现开路故障;
障、第一套绕组ABC中的某两相功率管同时出现开路故障、第二套绕组XYZ中的某两相功率
管同时出现开路故障、第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某
一相功率管出现开路故障、第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中
的某一相功率管出现开路故障、两套绕组均有一相功率管出现开路故障、两套绕组中的某
一相功率管出现开路故障,其中:
绕组XYZ的输出功率等于系统输出总功率;
套绕组ABC的输出功率等于系统输出总功率;
闭状态,同时增加第二套绕组XYZ的输出功率,使第二套绕组XYZ的输出功率等于系统输出
总功率;
持关闭状态,同时增加第一套绕组ABC的输出功率,使第一套绕组ABC的输出功率等于系统
输出总功率;
T8,导通双向晶闸管TR2,保持TR1关闭状态,同时增加第二套绕组XYZ的输出功率,使第二套
绕组XYZ的输出功率等于系统输出总功率;
T11、T12,导通双向晶闸管TR1,保持TR2关闭状态,同时增加第一套绕组ABC的输出功率,使
第一套绕组ABC的输出功率等于系统输出总功率;
等替换,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本
发明的保护范围之内。