在线计算开关逻辑的SSMC的双带滞环容错控制系统和方法与流程

本发明涉及了一种容错控制方法，尤其是涉及了一种单边矩阵变换器(SSMC)的双带(Double-Band)滞环容错控制系统和方法。
背景技术：
：单边矩阵变换器(SingleSidedMatrixConverter,SSMC)是一种新型的矩阵变换器，属于三相到多相变换器。每相采用6个双向开关组成的阵列，使得输出端可以与任意一输入端连通。矩阵变换器与常用的桥式变换器相比，无需直流储能电容，适用温度范围更广，可靠性更高；但每相需要开关更多，成本较高。单边矩阵变换器适于使用单向电流驱动的电机，如无刷直流电机和开关磁阻电机等。其控制通常采用电流滞环控制方式。常用的滞环控制方法为单环控制，只有一个带宽，目标为将电流控制在带宽范围内。双带(Double-Band)滞环控制是一种有两个滞环带的滞环控制，目标为将电流控制在内环带中。当电流进入外环之后就对输入进行调整，降低电流变化速度。通过双带滞环控制，可以有效降低开关频率，优化滞环控制效果。但是传统的离线制表，在线查表的控制方式很不方便，制表时费时费力，表存储到控制器中会占用大量存储空间，而且若某一开关管发生故障无法开闭，那么将会导致整个系统性能大幅下降甚至崩溃。技术实现要素：为了解决
背景技术：
中存在的问题，本发明的目的是提供了一种在线计算开关逻辑的SSMC的双带滞环容错控制系统和方法，可在航空等可靠性要求较高的场合应用。本发明的技术方案如下：一、一种在线计算开关逻辑的SSMC的双带滞环容错控制系统，如图1所示：包括电流滞环模块，电流滞环模块将预设电流的参考值与电机相电流当前周期的实测值比较后得到电流误差e，再将电流误差e和预设的电流滞环带比较，电流滞环带包括正外环、正内环、负内环和负外环，获得四个采用二进制数表示的位置比较结果参数，并同时对电流误差e进行求导获得其导数的符号D，将电流误差e导数的符号D和四个位置比较结果参数实时发送到电压等级选择模块；包括电压等级选择模块，电压等级选择模块根据预设逻辑判断方式，由电流误差e导数的符号D和四个位置比较结果参数的输入判断得到当前周期需要施加在电机相绕组的电压等级V，再将电压等级V实时发送到开关门信号产生模块，包括开关门信号产生模块，开关门信号产生模块根据电压等级V与单边矩阵变换器内开关开闭的对应关系，由电压传感器采集到的单边矩阵变换器输入电压信号和电压等级V产生对应的开关门信号，发送到单边矩阵变换器，从而完成电流滞环控制。系统还包括容错控制模块，容错控制模块经开关故障检测模块与单边矩阵变换器的输出端连接，容错控制模块接收由开关故障检测模块传送来的故障开关元件的检测信号和接收由电压等级选择模块产生传送来的电压等级V，根据备选电压选择方式计算出与当前电压等级V邻近的两个电压等级，两个电压等级分别为第一备选电压等级V’和第二备选电压等级V”，分别发送到电压等级选择模块。所述的故障开关元件指的是单边矩阵变换器中无法导通的开关。二、一种在线计算开关逻辑的SSMC的双带滞环容错控制方法，如图4所示：1)在当前周期下，采集电机相电流的实测值，将其与预设电流的参考值比较后得到电流误差e，再将电流误差e和预设的电流滞环带比较，电流滞环带包括正外环、正内环、负内环和负外环，获得四个采用二进制数表示的位置比较结果参数，并同时对电流误差e进行求导获得其导数的符号D；2)将电流误差e导数的符号D和四个位置比较结果参数根据预设逻辑判断方式，判断得到当前周期需要施加在电机相绕组的电压等级V；3)由采集得到的单边矩阵变换器输入电压信号结合需施加的电压等级V，根据电压等级V与单边矩阵变换器内开关开闭的对应关系，获得当前周期需连接的开关并施加到单边矩阵变换器上，进而控制单边矩阵变换器的工作运行，从而完成电流滞环控制。双带(Double-Band)控制算法中有两个滞环环带，分为内环和外环，其中外环的控制逻辑与普通滞环控制相同，本发明是在内外环之间和内环设置多个电压等级逻辑，通过这多个电压等级可以更好的将电流控制在滞环带内环中，降低开关频率，优化控制效果。单边矩阵变换器每相包括6个开关单元，在任一时刻，通过控制开关状态，本发明可向电机绕组施加7种不同的电压：V+++,V++,V+,0,V-,V--,V---，具体下表4，表1可结合图2参照。其中0电压为输入相与输出相相同时产生，如AA、BB、CC。表1IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIV+++VCBVABVABVACVACVBCVBCVBAVBAVCAVCAVCBV++VABVCBVACVABVBCVACVBAVBCVCAVBAVCBVCAV+VCAVACVCBVBCVABVBAVACVCAVBCVCBVBAVAB0000000000000V-VACVCAVBCVCBVBAVABVCAVACVCBVBCVABVBAV--VBAVBCVCAVBAVCBVCAVABVCBVACVABVBCVACV---VBCVBAVBAVCAVCAVCBVCBVABVABVACVACVBC其中，I～XII表示将三相输入电源分为I～XII这12个区间，每个区间中的七个电压等级V如表中所示，VCB、VAB、VCA等表示各个线电压。所述的电压等级V共有七个可能的电压等级，按电压从正值最大到负值最大分别为V+++、V++、V+、0、V-、V--和V---，其值取-3至+3，所述的预设逻辑判断方式采用以下表格2表示：表2其中，符号D为0表示电流误差e导数为负，符号D为1表示电流误差e导数为正或零，每个位置比较结果参数为0或1，位置比较结果参数为1表示为电流误差e大于等于预设电流滞环带中的环电流，位置比较结果参数为0表示为电流误差e小于预设电流滞环带中的环电流。U1、U2、U3和U4分别表示电流误差e分别与预设电流滞环带中正外环、正内环、负内环和负外环相比较后的正负符号，若电流误差e大于等于预设电流滞环带中的环，则U为1，若电流误差e小于预设电流滞环带中的环，则U为0。即是：U1、U2、U3和U4值取1时分别表示电流误差e大于等于正外环、大于等于正内环、大于等于负内环和大于等于负外环，U1、U2、U3和U4值取0时分别表示电流误差e小于正外环、小于正内环、小于负内环和小于负外环。表2具体举例说明表示情况：例如在符号D为0，U1+U2+U3+U4＝1，上一周期的电压等级V为V++，根据表的第二行选择的是相比上一周期升高一级，也就是选择V+++作为此周期的电压等级V；如符号D为0，U1+U2+U3+U4＝2，上一周期的电压等级V为V-，根据表的第三行选择的是与上一周期保持不变，也就是选择V-作为此周期的电压等级V。本发明所述的电机是连接在单边矩阵变换器输出端。所述电压等级V与单边矩阵变换器内开关开闭的对应关系采用以下公式表3示：表3其中，M表示中间相Mid的正负符号，M＝1表示中间相Mid为正或零，M＝0表示中间相Mid为负，最大相Max、中间相Mid和最小相Min分别表示当前周期下三相按电压大小的分类。表3具体举例说明表示情况：如果此时M＝1，要施加的电压等级V是V+++，此时的最大相Max是A相、中间相Mid是B相、最小相Min是C相，那么输入端也就是图1中1、3、5号开关管侧，根据第一行应该导通对应最大相Max的开关管，也就是A相的1号开关管；输出端也就是图1中2、4、6号开关管侧，根据第一行应该导通对应最小相Min的开关管，也就是C相的6号开关管。本发明具体实施中是将三相指针化，三相分别为相A、相B和相C，在每个周期滞环控制时检测三相电压，判断出最大相Max、中间相Mid及最小相Min，然后将最大相Max、中间相Mid、最小相Min分别赋值到对应相。所述的备选电压选择方式采用以下表格4表示：表4其中，V+++、V++、V+、0、V-、V--和V---分别表示从正值最大到负值最大的七个可能的电压等级V。表4具体举例说明表示情况：如果此时要施加的电压等级V是V---，但是对应要导通的开关管发生故障无法开闭，那么就要使用第一备选电压等级V’也就是V--，若对应要导通的开关管没有故障就直接导通该开关管即可，如果对应要导通的开关管依然存在故障无法开闭，那么使用第二备选电压等级V”也即是V-，导通对应的开关管。本发明的双带控制可充分利用单边矩阵变换器的电压等级较多的特点，选取合适的电压等级，使相电流更好的稳定在滞环区间内，实现控制目的。为实现功率开关故障开路时正常运行的能力，需要加入故障运行容错控制方式。本发明控制方法中，当一个开关元件无法导通时，可用的电压等级将由7个减少到5个，如果控制器最终选择的电压等级不在5个可用电压等级之中，将有一时刻该相无电磁转矩输出，造成较大的转矩波动。而如果能够从5个可用电压等级中选出一个与其接近的电压等级，将可以大大减小转矩波动，自动避开故障开关元件，实现带故障容错运行，从而保证电机可以输出稳定的电磁转矩。因此在计算当前需要的电压等级V时，同时计算出其邻近的两个电压等级V’和V”。如果电压等级V产生故障反馈信号，则采用第一备选电压等级V’；如果第一备选电压等级V’仍然产生故障反馈信号，则采用第二备选电压等级V”。因为最多只有两个电压等级无效，所以第二备选电压等级V”肯定是可用电压等级，从而保证系统正常工作。由此，本发明假设所述的当前周期需连接的开关施加到单边矩阵变换器后产生故障反馈信号，通过故障反馈信号获得单边矩阵变换器存在一个故障开关元件时，采用以下方式处理：a)由当前周期下的电压等级V根据备选电压选择方式选择获得当前电压等级V邻近的两个电压等级，两个电压等级分别为第一备选电压等级V’和第二备选电压等级V”；b)将由第一备选电压等级V’根据对应关系获得的当前周期需连接的开关施加到单边矩阵变换器，若仍然产生故障反馈信号，继续进行下一步骤；若未产生故障反馈信号，则不再继续下一步骤；c)将由第二备选电压等级V”根据对应关系获得的当前周期需连接的开关施加到单边矩阵变换器。可见，本发明将电压分为7个等级后，优先输出最优电压等级，并对开关元件的状态进行实时检测。检测到开关故障(断开)时，如果该最优电压等级与故障开关相关，即要导通的开关管出现故障，选取邻近无故障开关的电压等级代替进行电流控制，直到要导通的开关管无故障可以导通为止，从而降低转矩波动，提高系统的可靠性。本发明的有益效果是：本发明双带控制方法可通过较多的电压等级实现电流的精确控制，保证电机相电流稳定在预设电流附近，因此控制精度较高；本发明控制方法中还具有容错控制方法，可带故障运行，系统的可靠性、稳定性很高，可以满足航空等高要求应用场合。附图说明图1是本发明实施例一相单边矩阵变换器结构图。图2是输入电压扇区划分示意图。图3是有容错控制的Double-Band电机驱动系统结构。图4是Double-Band容错控制流程图。图5是电压等级选择模块内部逻辑。图6是无故障状况下的仿真结果。图7是电机A相1号管有故障无容错控制下的仿真结果。图8是电机A相1号管有故障有容错控制下的仿真结果。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明实施例及其工作原理过程如下：实施例选取一台三相无刷直流电机及其控制系统进行说明。控制系统由速度控制器，电流滞环控制器，电压等级选择器，开关信号生成器和功率板组成，如图3所示。速度控制器通过速度传感器获得电机的转速实测值，经过处理后得到参考电流的幅值，再根据参考转速得到参考电流频率，从而得到参考电流波形。参考电流波形与反馈电流比较后输入电流滞环控制器。电流滞环控制器的工作原理为：预先设定两个滞环宽度，内环InnerBand和外环OuterBand。从而形成4个比较阈值+OuterBand，+InnerBand，-InnerBand和-OuterBand。分别将电流误差e与4个参考值比较，如果e大于参考值，则将Ui设置为1，否则设置为0。得到U1,U2,U3,U4。并且对e求导，得到其导数的符号D。电流滞环控制器的输出即是D和U1,U2,U3,U4。电压等级选择器的工作原理为：根据D和U1,U2,U3,U4的值决定下一时刻的电压等级。当U1,U2,U3,U4都为零时，说明电机相电流过小，已经低于-OuterBand，要让相电流回到环带内，需要给相绕组施加最高电压，即V+++。而U1,U2,U3,U4都为1时，说明相电流过大，已经超过+OuterBand，要让电流回到环带内，需要给相绕组施加最负电压，即V---。具体的U1,U2,U3,U4、D和V的关系如表2所示。开关信号生成器的工作原理为：首先将ABC三相电源指针化，A相为1，B相为2，C相为3。通过三个比较器将ABC按照从大到小顺序进行排序，并将对应的指针赋值给max,mid,min三个输出变量。然后再通过一个比较器，得到mid电压的符号M。有了以上数据，就可以将电压等级与电源相对应起来，对应关系如表3所示。已将ABC三相电源指针化，A相为1，B相为2，C相为3。A相的上桥臂的开关管编号为1也即2A-1，下桥臂开关管编号为2也即2A，同理，B、C两相的上、下桥臂开关管均可如此表示。现已将三相指针分别赋值给max、mid和min，则max、mid和min相的上、下桥臂编号也可以此方法表示，如2max-1，2max等。比如现在要输出V+++，则需导通max相的上桥臂和min相的下桥臂，则将编号为2max-1和2min的开关管的门信号置1即可，如此操作，按照表3将每种情况对应的门信号输出写入程序即可。如图5所示，三相电源可以依据大小分为12个区间，在每个区间内，对应的max、mid和min相保持不变。以第1区间为例，max相位C，mid相为A，min相为B，即max＝3、mid＝1、min＝2。若此时经程序计算得应输出V+++，则应将2max-1和2min开关管门信号置1，也就是令5号开关管和4号开关管导通，从而输出V+++。当某一个电力电子开关因过热等故障开路后，如果输出的门信号中，正好要用到这个开关，将造成某一时刻电机相绕组开路。为解决这一问题，加入带故障运行模块。首先用传感器采集所有开关的故障情况，反馈至开关信号生成器中；同时在电压等级选择器中不仅要计算出当前最佳的电压等级，按照就近原则取出两个次最佳的电压等级备用。在开关信号生成器中增加检测，如果开关信号与故障信号指示的开关相同，则调用其中一个备用电压等级，再次检测冲突；如果依然冲突，则调用另一个备用电压等级。通过增加备份电压等级，可以保证电机的电枢绕组不开路，尽量减少转矩波动。具体备用电压等级如表4所示假设还是在第1区间需要输出V+++，但此时1号开关管发生开路故障无法导通，需要导通5号和4号开关管，所以直接将5号和4号的开关管门信号置1即可。若此时5号开关管发生开路故障，那么发生冲突，无法正常输出V+++，需要输出备用电压等级1，也就是V++，需要将2mid-1和2min开关管门信号置1，也就是令1号开关管和4号开关管导通，无冲突发生，那么就按此方式输出。如果是4号开关管发生开路故障无法导通，那么输出V+++时发生冲突，备用电压1V++也会发生冲突，那么就输出备用电压2V+，也就是将2max-1和2mid开关管门信号置1，即导通5号和2号开关管。图6-8是转速为2000r/min，额定转矩是10Nm工况下个情况的仿真结果。很明显有开关管发生故障无容错控制时，电流的控制效果比正常情况下恶化很多，而有容错控制后，电流的控制效果基本和正常情况下一致，体现了提出的容错算法的卓越效果。由此可见通过本发明在任一时刻电压被分为7个等级，双带滞环控制充分利用了单边矩阵变换器可提供7个电压等级的特点，当电流处于环带不同位置时，灵活选取合适的电压等级，使电流稳定的保持在环带内部。由于可用电压等级较多，单个开关出现故障时，可以调整控制逻辑，选取邻近的无故障的电压等级，从而进一步提高系统可靠度，优化控制效果。当前第1页1 2 3