一种开关磁阻电机相间短路故障建模、诊断及容错控制方法

摘要

本发明公开的一种开关磁阻电机相间短路故障建模、诊断及容错控制方法，根据开关磁阻电机的动态方程建立了相间短路故障情况下的电机模型。通过对电流传感器的安装位置进行优化配置，在不增加传感器数量的前提下获取每相绕组的进线电流值和出线电流值。通过实时计算每相绕组进线电流值和出线电流值的偏差进行相间短路的故障诊断。采用三闭环控制策略进行开关磁阻电机相间短路故障的容错控制。所提相间短路故障诊断及容错控制方法不受故障模式的影响。适用于多种相数的开关磁阻电机，故障诊断快速准确，提高了开关磁阻电机的带故障运行能力，具有良好的工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机相间短路故障建模、诊断及容错控制方法，适用于任意相的开关磁阻电机相间短路故障的建模、诊断及容错控制。

背景技术

目前，开关磁阻电机相间短路故障的建模、检测及容错控制很少有文献报道。传统的相电流获取方法主要通过每相安装一个电流传感器实现，但该方法只能获取电流安装位置处的电流值。当相间短路故障发生后，短路点两侧电流不同，采用传统的电流检测方案，短路点一侧的电流信息无法获得。且故障发生后，缺少有效的容错控制策略。因此为获取开关磁阻电机短路点两侧的电流信息，并实时检测相间短路故障，提高电机的带故障运行能力，需要对电流安装位置进行优化，并提出新的相间短路故障诊断及容错策略。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对已有技术中存在问题，提供一种开关磁阻电机相间短路故障建模、诊断及容错控制方法。

技术方案：本发明开关磁阻电机相间短路故障建模、诊断及容错控制方法：

(1)忽略相间互感，发生相间短路故障电机各部分绕组电压方程为：

其中，U_A+M，U_MA-分别为A相短路点两侧绕组的端电压；U_B+N，U_NB-分别为B相短路点两侧绕组的端电压；U_C为C相绕组的端电压；i_al，i_ar分别为A相绕组进线和出线电流值；i_bl，i_br分别为B相绕组进线和出线电流值；i_c为C相绕组进线和出线电流值；R_al，R_ar分别为A相短路点两侧绕组的内阻值；R_bl，R_br分别为B相短路点两侧绕组的内阻值；R_c为C相绕组的内阻值；Ψ_al，Ψ_ar分别为A相短路点两侧绕组的磁链值；Ψ_bl，Ψ_br分别为B相短路点两侧绕组的磁链值；Ψ_c为C相绕组的磁链值；e_al，e_ar分别为A相短路点两侧绕组的反电势值；e_bl，e_br分别为B相短路点两侧绕组的反电势值；e_c为C相绕组的反电势值。

(2)相电感L_p和相磁链Ψ_p的关系为：

其中，Ψ_p为单相绕组的磁链值；θ为转子位置。

(3)根据基尔霍夫电压定律，有：

其中，U_A+A-,U_B+B-为A相绕组和B相绕组的端电压值。

(4)根据基尔霍夫电流定律，在故障节点，有：

其中，i_R为流过短路电阻的电流值。

(5)根据机电能量转换原理，故障电机各相转矩为：

其中，T_A+M，T_MA-分别为A相短路点两侧绕组的转矩值；T_B+N，T_NB-分别为B相短路点两侧绕组的转矩值；T_C+C-为C相绕组的转矩值；W_mA+M，W_mMA-分别为A相短路点两侧绕组的磁共能值；W_mB+N，W_mNB-分别为B相短路点两侧绕组的磁共能值；W_mC为C相绕组的磁共能值。

(6)电机各相绕组转矩值为：

其中，T_A+A-，T_B+B-分别为A相和B相绕组的转矩值。

(7)开关磁阻电机的机械方程为：

其中，T_tot，T_L分别为电机的总转矩值和负载转矩值；J和D分别为电机的转动惯量值和粘滞摩擦系数。

(8)开关磁阻电机的总转矩为：

T_tot＝T_A+A-+T_B+B-+T_C+C-

(9)将一个转子周期分为AI、BI、CI三个区间，在AI区间，C相绕组和A相绕组的进线和出线电流值为：

其中，a₁，b₁，c₁分别为A、B、C相绕组进线通过传感器LEM₁的次数；a₂，b₂，c₂为A、B、C相绕组进线通过传感器LEM₂的次数；a₃，b₃，c₃为A、B、C相绕组出线通过传感器LEM₃的次数；i_LEM1，i_LEM2，i_LEM3为所用电流传感器的电流值。

在BI区间，A相绕组和B相绕组的进线和出线电流值为：

在CI区间，B相绕组和C相绕组的进线和出线电流值为：

在AI区间，C相绕组和A相绕组的进线和出线电流差值分别为：

i_cres＝i_cl-i_cr>ares＝i_al-i_ar

其中，i_cres，i_ares分别为C相绕组和A相绕组的进线电流和出线电流差值。

在BI区间，A相绕组和B相绕组的进线和出线电流差值分别为：

i_ares＝i_al-i_ar>bres＝i_bl-i_br

其中，i_bres为B相绕组的进线电流和出线电流差值。

在CI区间，B相绕组和C相绕组的进线和出线电流差值分别为：

i_bres＝i_bl-i_br>cres＝i_cl-i_cr

正常情况下，i_ares＝i_bres＝i_cre＝0。

当相间短路故障发生后，故障相对应的进线电流和出线电流差值的绝对值相等且大于零。为防止故障误诊断的发生，取比较阈值ε，当两相绕组进线电流和出线电流差值的绝对值相等且大于ε时，诊断出故障。设故障标志位F_g为：

(10)根据步骤(9)中的故障诊断方法，诊断并定位出故障后，采用三闭环控制策略进行容错控制，内环为以电流差值为依据的滞环控制器II：

其中，J_iR为滞环控制器II的输出信号；i_up，i_low为滞环控制器II的上限电流值和下限电流值。

中间环为以各相电流为依据的滞环控制器I：正常情况下，若相电流值超过参考电流上限值，则对应相的开关管关断；若相电流值超过参考电流下限值，则对应相的开关管开通；若相电流在电流上限值和下限值之间，则对应相的开关管状态保持不变。相间短路故障情况下，依据内环滞环控制器的输出J_iR调整开关管的开关状态。若J_iR＝0，功率变换器各相开关管依靠滞环控制器I调节，滞环控制器II空闲；若J_iR＝1或J_iR＝-1，功率变换器各相开关管状态依据滞环控制器I和滞环控制器II协同调整。滞环控制器I负责相电流的调节，滞环控制器II负责电流差值的调节。

外环为转速环，根据给定转速和实际转速的偏差，采用比例积分控制器进行转速调节。

有益效果：本发明对任意相数开关磁阻电机相间短路故障建模、诊断及容错控制均适用。根据开关磁阻电机的动态方程建立具有相间短路故障的开关磁阻电机的模型。通过对传统电流传感器的安装位置进行优化配置，在每个转子周期的不同区间实时计算各相绕组的进线电流和出线电流值，并求取两电流值之间的差值。根据电流差值的变化检测故障并定位故障。判断出故障后，采用三闭环策略调增故障相开关管的开关状态，完成开关磁阻电机相间短路故障的容错控制，达到了本发明的目的。该开关磁阻电机相间短路故障检测及容错方案，在不增加传感器数量的前提下获取了更多位置的电流信息，能够实时诊断故障，进一步提高了电机的容错能力，具有广泛的工程应用价值。

附图说明

图1是发生相间短路故障的三相开关磁阻电机等效电路图。

图2是三相开关磁阻电机电流传感器位置优化配置示意图。

图3是三相开关磁阻电机电流传感器与绕组关系示意图。

图4是三相开关磁阻电机区间划分示意图。

图5是发生相间短路故障的三相开关磁阻电机三闭环容错控制示意图。

图6是正常情况下AB相绕组重叠导通区域开关管切换的状态机。

图7是正常情况下A相绕组关断B相绕组导通区域开关管切换的状态机。

图8是发生相间短路故障情况下AB相绕组重叠导通区域开关管切换的状态机。

图9是发生相间短路故障情况下A相绕组关断B相绕组导通区域开关管切换的状态机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述。

本发明以三相开关磁阻电机为例，相间短路故障情况下，三相绕组的等效电路如图1所示。其中，L_al，L_ar分别为A相短路点两侧绕组的电感值；L_bl，L_br分别为B相短路点两侧绕组的电感值；L_c为C相绕组的电感值；每相故障相绕组以故障点为分界点，分成两部分，每一部分由等效内阻、等效电感和等效反电势组成。正常绕组则由相绕组内阻、相电感和相反电势组成。L_oop1和L_oop2为由于短路线存在形成的两个闭环电流路径。

(1)忽略相间互感，发生相间短路故障电机各部分绕组电压方程为：

其中，U_A+M，U_MA-分别为A相短路点两侧绕组的端电压；U_B+N，U_NB-分别为B相短路点两侧绕组的端电压；U_C为C相绕组的端电压；i_al，i_ar分别为A相绕组进线和出线电流值；i_bl，i_br分别为B相绕组进线和出线电流值；i_c为C相绕组进线和出线电流值；R_al，R_ar分别为A相短路点两侧绕组的内阻值；R_bl，R_br分别为B相短路点两侧绕组的内阻值；R_c为C相绕组的内阻值；Ψ_al，Ψ_ar分别为A相短路点两侧绕组的磁链值；Ψ_bl，Ψ_br分别为B相短路点两侧绕组的磁链值；Ψ_c为C相绕组的磁链值；e_al，e_ar分别为A相短路点两侧绕组的反电势值；e_bl，e_br分别为B相短路点两侧绕组的反电势值；e_c为C相绕组的反电势值。

(2)相电感L_p和相磁链Ψ_p的关系为：

其中，Ψ_p为单相绕组的磁链值；θ为转子位置。

(3)根据基尔霍夫电压定律，有：

其中，U_A+A-,U_B+B-为A相绕组和B相绕组的端电压值。

(4)根据基尔霍夫电流定律，在故障节点，有：

其中，i_R为流过短路电阻的电流值。

(5)根据机电能量转换原理，故障电机各相转矩为：

其中，T_A+M，T_MA-分别为A相短路点两侧绕组的转矩值；T_B+N，T_NB-分别为B相短路点两侧绕组的转矩值；T_C+C-为C相绕组的转矩值；W_mA+M，W_mMA-分别为A相短路点两侧绕组的磁共能值；W_mB+N，W_mNB-分别为B相短路点两侧绕组的磁共能值；W_mC为C相绕组的磁共能值。

(6)电机各相绕组转矩值为：

其中，T_A+A-，T_B+B-分别为A相和B相绕组的转矩值。

(7)开关磁阻电机的机械方程为：

其中，T_tot，T_L分别为电机的总转矩值和负载转矩值；J和D分别为电机的转动惯量值和粘滞摩擦系数。

(8)开关磁阻电机的总转矩为：

T_tot＝T_A+A-+T_B+B-+T_C+C-

(9)如图2所示，A、B、C相绕组进线以不同次数不同方向穿过两只电流传感器LEM₁和LEM₂。A、B、C相绕组出线以不同次数不同方向穿过另外一只电流传感器LEM₃。选定a₁，b₁，c₁为1,1,1，选定a₂，b₂，c₂为1，-1,2，选定a₃，b₃，c₃为2，1,-1，电流传感器的参考正方向为由内到外。如图3所示，A、B、C相绕组进线均按照参考正方向穿过LEM₁一次，A、C相绕组进线分别按照参考正方向穿过LEM₂一次、两次，B相绕组进线按照参考正方向的相反方向穿过LEM₂一次，A、B相绕组出线分别按照参考正方向穿过LEM₃两次、一次，C相绕组出线按照参考正方向的相反方向穿过LEM₃一次。

(10)将一个转子周期分为AI、BI、CI三个区间，如图4所示，在AI区间，C相绕组和A相绕组的进线和出线电流值为：

其中，a₁，b₁，c₁分别为A、B、C相绕组进线通过传感器LEM₁的次数；a₂，b₂，c₂为A、B、C相绕组进线通过传感器LEM₂的次数；a₃，b₃，c₃为A、B、C相绕组出线通过传感器LEM₃的次数；i_LEM1，i_LEM2，i_LEM3为所用电流传感器的电流值。

在BI区间，A相绕组和B相绕组的进线和出线电流值为：

在CI区间，B相绕组和C相绕组的进线和出线电流值为：

在AI区间，C相绕组和A相绕组的进线和出线电流差值分别为：

i_cres＝i_cl-i_cr>ares＝i_al-i_ar

其中，i_cres，i_ares分别为C相绕组和A相绕组的进线电流和出线电流差值。

在BI区间，A相绕组和B相绕组的进线和出线电流差值分别为：

i_ares＝i_al-i_ar>bres＝i_bl-i_br

其中，i_bres为B相绕组的进线电流和出线电流差值。

在CI区间，B相绕组和C相绕组的进线和出线电流差值分别为：

i_bres＝i_bl-i_br>cres＝i_cl-i_cr

正常情况下，i_ares＝i_bres＝i_cre＝0。

当相间短路故障发生后，故障相对应的进线电流和出线电流差值的绝对值相等且大于零。为防止故障误诊断的发生，取比较阈值ε，当两相绕组进线电流和出线电流差值的绝对值相等且大于ε时，诊断出故障。设故障标志位F_g为：

(11)根据步骤(9)中的故障诊断方法，诊断并定位出故障后，采用三闭环控制策略进行容错控制，如图5所示，内环为以电流差值为根据的滞环控制器II：

其中，J_iR为滞环控制器II的输出信号；i_R为电流差值；i_up，i_low为滞环控制器II的上限电流值和下限电流值。

中间环为以各相电流为依据的滞环控制器I：正常情况下，若相电流值超过参考电流上限值，则对应相的开关管关断；若相电流值超过参考电流下限值，则对应相的开关管开通；若相电流在电流上限值和下限值之间，则对应相的开关管保持不变，滞环控制器I的输出①作为功率变换器的驱动信号。在A、B相绕组导通的重叠区域，两相开关管的状态机如图6所示。其中，ST1为AB相均为零电压续流状态，ST2为A相零电压续流B相励磁状态，ST3为A相励磁B相零电压续流状态，ST4为AB相均为励磁状态。i_limu和i_limd为滞环控制器I的电流上限值和下限值。在A相绕组关断续流、B相绕组励磁区域，两相开关管的状态机如图7所示。其中，ST5为A相负电压续流B相零电压续流状态，ST6为A相负电压续流B相励磁状态。相间短路故障情况下，依据内环滞环控制器的输出J_iR调整开关管的开关状态。若J_iR＝0，功率变换器各相开关管依靠滞环控制器I调节，滞环控制器II空闲；若J_iR＝1或J_iR＝-1，功率变换器各相开关管依靠滞环控制器I和滞环控制器II协同工作，滞环控制器II的输出②作为功率变换器的驱动信号。滞环控制器I负责相电流的调节，滞环控制器II负责电流差值的调节。以40～30故障情况为例说明开关管的状态切换情况，其他故障情况下可类似推导。40～30表示A相故障点位于距A+40匝处，B相故障点位于距B+30匝处。每相绕组匝数为80匝。如图8所示，在A、B相绕组导通的重叠区域，两相开关管的状态切换情况如下：ST1在J_iR＝1的情况下切换成ST7，在J_iR＝-1的情况下切换成ST5。ST2在J_iR＝-1的情况下切换成ST5。ST3在J_iR＝1的情况下切换成ST7。ST4在J_iR＝-1的情况下切换成ST3。其中ST7为A相零电压续流B相负电压续流状态。如图9所示，在A相绕组关断续流、B相绕组励磁区域，两相开关管的状态切换情况如下：ST5在J_iR＝1的情况下切换成ST7。ST6在J_iR＝-1的情况下切换成ST5。

外环为转速闭环，根据给定转速和实际转速的偏差，采用比例积分控制器进行转速调节。