一种失磁故障容错控制系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种失磁故障容错控制系统及方法，该系统包括失磁故障检测模块，根据永磁同步电机的角度信息、d轴和q轴电压及反馈电流实时检测永磁同步电机的磁链信号；容错控制模块，根据磁链信号和预定算法生成补偿电流来对永磁同步电机的气隙磁通进行微调，以使得在永磁同步电机发生失磁故障时进行容错控制。本发明可以解决永磁同步电机的失磁故障。
【专利说明】
一种失磁故障容错控制系统及方法
技术领域
[0001 ]本发明属于控制技术领域，具体地说，尤其涉及一种失磁故障容错控制系统及方 法。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机控制系统具有高效率、高控制精度、转矩平稳及振动噪声低等优点， 在许多领域有良好的应用前景。
[0003] 但同时，永磁电机内的永磁体容易产生退磁，使电机的励磁电动势降低，输出转矩 下降，甚至使电机不能正常工作，严重制约了永磁电机的进一步推广和应用。
[0004] 因此，失磁故障的检测和容错控制在永磁同步电机中有着至关重要的作用。
【发明内容】
[0005] 为解决以上问题，本发明提供了一种失磁故障容错控制系统及方法，用于解决永 磁同步电机的失磁故障。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供了 一种失磁故障容错控制系统，包括：
[0007] 失磁故障检测模块，根据永磁同步电机的角度信息、d轴和q轴电压及反馈电流实 时检测永磁同步电机的磁链信号；
[0008] 容错控制模块，根据磁链信号和预定算法生成补偿电流来对永磁同步电机的气隙 磁通进行微调，以使得在永磁同步电机发生失磁故障时进行容错控制。
[0009] 根据本发明的一个实施例，所述系统还包括电压空间矢量PWM控制模块和三相逆 变器，其中，
[0010] 电压空间矢量PWM控制模块，分别与所述容错控制模块和所述三相逆变器连接，根 据容错控制模块输出的d轴和q轴电压产生PWM调制波，从而控制所述三相逆变器产生用于 驱动永磁同步电机的三相驱动电流。
[0011] 根据本发明的一个实施例，所述系统还包括分别与所述失磁故障检测模块和所述 容错控制模块连接的坐标变换模块，用于根据永磁同步电机的输入电流和旋转角度信息产 生d轴和q轴反馈电流，以输出给所述失磁故障检测模块和所述容错控制模块。
[0012] 根据本发明的一个实施例，所述系统还包括与所述坐标变换模块连接的电流传感 器，用于将永磁同步电机的输入电流反馈至所述坐标变换模块。
[0013] 根据本发明的一个实施例，所述系统还包括与所述坐标变换模块连接的位置传感 器，用于将永磁同步电机的转子旋转角度信息反馈至所述坐标变换模块。
[0014] 根据本发明的一个实施例，所述系统还包括与所述位置传感器和所述失磁故障检 测模块连接的微分器，用于将永磁同步电机的转子旋转角度信息处理为角速度信息后输出 给所述失磁故障检测模块。
[0015] 根据本发明的一个实施例，所述容错控制模块进一步包括：
[0016] 容错控制单元，根据所述失磁故障检测模块输出的磁链信号和预定算法产生补偿 电流；
[0017] 第一 PI调节单元，根据给定转速和反馈转速得到电流矢量；
[0018] 最大转矩电流比控制单元，将所述电流矢量按照预定算法产生q轴电流<以及与补 偿电流叠加的d轴电流? ;
[0019] 第二PI调节单元，用于将q轴电流<生成对应的电压并输出给所述电压空间矢量 PWM控制模块和反馈给所述失磁故障检测模块；
[0020] 第三PI调节单元，用于将与补偿电流叠加后的d轴电流^生成对应的电压并输出给 所述电压空间矢量PWM控制模块和反馈给所述失磁故障检测模块。
[0021] 根据本发明的一个实施例，所述容错控制模块还包括与所述最大转矩电流比控制 单元、所述第二ΡΙ调节单元和所述第三ΡΙ调节单元连接的定子电流限幅单元，用于限制输 出给永磁同步电机的定子电流超过极限值。
[0022] 根据本发明的一个实施例，所述容错控制单元进一步包括：
[0023]上位机，用于给定永磁同步电机正常工作情况下的气隙磁通信号；
[0024]气隙磁通计算模块，与所述失磁故障检测模块连接，根据所述失磁故障检测模块 输出的磁链信号和预定算法来获取实际气隙磁通信号；
[0025] 失磁故障判断模块，与所述气隙磁通计算模块和上位机连接，用于将所述气隙磁 通计算模块输出的实际气隙磁通信号与上位机给定的气隙磁通信号比较，以判断永磁同步 电机的失磁情况；
[0026] 气隙磁通处理器，与所述失磁故障判断模块连接，用于接收实际气隙磁通信号和 上位机给定的气隙磁通信号，并将两者的差值作为微调信号输出；
[0027] 气隙磁通调节器，与所述气隙磁通处理器连接，根据微调信号及预设运算法则生 成补偿电流以与所述最大转矩电流比控制单元输出的d轴电流^进行叠加处理。
[0028] 根据本发明的另一个方面，还提供了一种失磁故障容错控制方法，包括，
[0029] 实时检测永磁同步电机的磁链信号；
[0030] 根据实时检测的磁链信号，计算永磁同步电机的气隙磁通；
[0031] 将实际的气隙磁通与给定的气隙磁通比较，判断永磁同步电机的失磁情况；
[0032] 根据计算的气隙磁通和给定的气隙磁通做差值，并将该差值作为微调信号，其中， 当微调信号为零时，采用最大转矩电流比控制策略对永磁同步电机进行控制；当微调信号 不为零时，根据微调信号及预设运算法则生成补偿电流来对永磁同步电机的气隙磁通进行 微调，从而使故障电机的气隙磁通维持在正常值。
[0033]本发明的有益效果：
[0034] 本发明通过磁通信号产生补偿电流，通过利用补偿电流对永磁同步电机的气隙磁 通进行微调，使得故障电机仍能稳定运行，性能指标维持在一定的容许范围内，从而有效解 决了永磁电机内永磁体退磁问题。
[0035] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利 要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0036] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的 附图做简单的介绍：
[0037] 图1是根据本发明的一个实施例的一种失磁故障容错控制系统结构示意图；
[0038] 图2是根据本发明的一个实施例的容错控制模块结构示意图；以及
[0039] 图3是根据本发明的一个实施例的失磁故障容错控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0040] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明 的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合， 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0041] 为了保证永磁同步电机的安全性和可靠性，在永磁同步电机工作的过程中，需要 实时对其磁链状态进行监测，并在永磁同步电机出现失磁故障的情况下，能够及时的对失 磁故障进行容错控制。
[0042]容错控制的目的是使故障牵引系统在失磁的情况下仍能维持稳定运行，并使性能 指标维持在一定容许范围内。由于永磁电机内永磁体退磁，会导致电机的气隙磁通发生改 变。因此，要实现容错控制的关键问题就是，在电流约束条件下如何调整交直轴电流分配关 系来使故障电机的气隙磁通维持在正常值。
[0043] 如图1所示为根据本发明的一个实施例的失磁故障容错控制系统结构示意图，以 下参考图1来对本发明进行详细说明。
[0044] 如图1所示，该失磁故障容错控制系统包括失磁故障检测模块和容错控制模块。其 中，失磁故障检测模块根据永磁同步电机的角度信息、d轴和q轴电压及反馈电流实时检测 永磁同步电机转子永磁体的磁链信号；容错控制模块与失磁故障检测模块连接，根据失磁 故障检测模块输出的实际磁链信号和预定算法生成补偿电流来对永磁同步电机的气隙磁 通进行微调，以使得在永磁同步电机发生失磁故障时进行容错控制，减少失磁故障给牵引 系统带来的影响。
[0045] 在本发明中，当永磁同步电机发生失磁故障时，容错控制模块根据失磁故障检测 模块提供的磁链信号和预先设定的算法产生补偿电流，通过补偿电流对永磁同步电机的气 隙磁通进行微调，使得故障电机仍能稳定运行，性能指标维持在一定的容许范围内，从而有 效解决了永磁电机内永磁体退磁问题。
[0046] 在本发明的一个实施例中，该系统还包括电压空间矢量PWM控制模块和三相逆变 器，其中，电压空间矢量PWM控制模块分别与容错控制模块和三相逆变器连接，用以根据容 错控制模块输出的d和q轴电压u d、uq产生P丽调制波来控制三相逆变器，该三相逆变器将产 生三相驱动电流来驱动永磁同步电机。
[0047] 在本发明的一个实施例中，该系统还包括分别与失磁故障检测模块和容错控制模 块连接的坐标变换模块，用于根据永磁同步电机的输入反馈电流和旋转角度信息产生d和q 轴反馈电流，并输出给失磁故障检测模块和容错控制模块。
[0048] 在本发明的一个实施例中，该系统还包括与坐标变换模块连接的电流传感器，用 于将永磁同步电机的三相输入电流反馈至坐标变换模块。
[0049] 在本发明的一个实施例中，该系统还包括与坐标变换模块连接的位置传感器，用 于将永磁同步电机的转子旋转角度信息反馈至坐标变换模块。
[0050] 在本发明的一个实施例中，该系统还包括与位置传感器和失磁故障检测模块连接 的微分器，用于将永磁同步电机的转子旋转角度信息处理为角速度信息后输出给失磁故障 检测模块。
[0051] 在本发明的一个实施例中，该容错控制模块进一步包括容错控制单元、第一 PI调 节单元、最大转矩电流比控制单元、第二PI调节单元和第三PI调节单元。其中，容错控制单 元根据失磁故障检测模块输出的磁链信号产生补偿电流;第一 PI调节单元根据给定转速和 反馈转速得到电流矢量;最大转矩电流比控制单元将电流矢量按照预定算法产生q轴电流< 以及与补偿电流叠加的d轴电流第二PI调节单元用于将q轴电流<生成对应的电压并输出 给所述电压空间矢量PWM控制模块和反馈给失磁故障检测模块;第三PI调节单元用于将与 补偿电流叠加的d轴电流ζ生成对应的电压并输出给电压空间矢量PWM控制模块和反馈给失 磁故障检测模块。
[0052] 在本发明的一个实施例中，容错控制模块还包括与最大转矩电流比控制单元、第 二ΡI调节单元和第三ΡI调节单元连接的定子电流限幅单元，用于限制输出给永磁同步电机 的定子电流超过极限值。
[0053] 在本发明的一个实施例中，该容错控制单元进一步包括上位机、气隙磁通计算模 块、失磁故障判断模块、气隙磁通处理器和气隙磁通调节器。其中，上位机用于给定永磁同 步电机正常工作情况下的气隙磁通信号；气隙磁通计算模块与失磁故障检测模块连接，根 据失磁故障检测模块输出的磁链信号和预定算法来获取实际气隙磁通信号;失磁故障判断 模块与气隙磁通计算模块和上位机连接，用于将气隙磁通计算模块输出的实际气隙磁通信 号与上位机给定的气隙磁通信号比较，以判断永磁同步电机的失磁情况;气隙磁通处理器 与失磁故障判断模块连接，用于接收实际气隙磁通信号和上位机给定的气隙磁通信号，并 将两者的差值作为微调信号输出；气隙磁通调节器与气隙磁通处理器连接，根据微调信号 及预设运算法则生成补偿电流以与最大转矩电流比控制单元输出的d轴电流/；；进行叠加处 理。
[0054] 如图1所示为根据本发明的一个实施例的失磁故障容错控制系统结构示意图，其 中，失磁故障检测模块(2)与容错控制模块（1)相连，电压空间矢量PWM控制模块(3)与三相 逆变器(4)相连，电压空间矢量PWM控制模块(3)以圆形旋转磁场为目标来控制三相逆变器 (4)的工作。位置传感器(7)与永磁同步电机和坐标变换模块(5)相连，用于获取永磁同步电 机转子旋转角度，并将转子旋转角度输入坐标变换模块(5)。电流传感器(6)与永磁同步电 机和坐标变换模块(5)相连，用于根据三相交流电源获取三相交流电源反馈电流，并将反馈 电流输入坐标变换模块(5)。坐标变换模块(5)与容错控制模块(1)相连，用于将电流传感器 获取的三相交流电源反馈电流i a、ib、i。转换为d和q轴电流，并将d和q轴电流输入容错控制 模块(1)。以上所有模块连接后，形成一个闭环控制系统。
[0055] 在该系统工作时，失磁故障检测模块(2)用于检测永磁同步电机PMSM转子永磁体 的磁链情况，将检测的磁链信号输入到容错控制模块（1)。在永磁同步电机发生失磁故障 时，容错控制单元内将会产生补偿电流，用于对电机气隙磁通的微调，以减少失磁故障给牵 引系统带来的影响。
[0056] 具体的，容错控制模块(1)根据失磁故障检测模块(2)输出的磁链信号化和坐标变 换模块(5)输出的d和q轴反馈电流信号id、iq来获得相应的电压信号Ud、Uq。电压信号Ud、Uq再 经过电压空间矢量PWM控制模块(3)来达到控制永磁同步电机的目的。坐标变换模块(5)根 据位置传感器⑴输出的转子旋转角度信号Θ和电流传感器(6)输出的反馈电流 获得d和q轴反馈电流信号id、iq，从而形成一个闭环控制系统。
[0057] 如图2所示为根据本发明的一个实施例的容错控制模块结构示意图，该容错控制 模块包括容错控制单元、第一 PI调节单元、最大转矩电流比控制单元、第二PI调节单元、第 三PI调节单元和定子电流限幅单元。容错控制单元进一步包括上位机（14)、气隙磁通计算 模块(10)、失磁故障判断模块(11)、气隙磁通处理器(12)和气隙磁通调节器(13)。
[0058]气隙磁通计算模块（10)与失磁故障检测模块(2)和失磁故障判断模块（11)相连， 用于根据失磁故障检测模块(2)输出的磁链信号来计算电机的气隙磁通，并将获得的电机 气隙磁通输出给失磁故障判断模块（11)。失磁故障判断模块(11)与气隙磁通处理器（12)和 上位机（14)相连，用于判断气隙磁通计算模块(11)输出的电机气隙磁通与上位机给定的正 常情况的电机气隙磁通是否相等。当两者相等，则没有发生失磁故障。反之，则发生了失磁 故障。
[0059]气隙磁通处理器（12)与失磁故障判断模块（11)相连，用于对气隙磁通计算模块 (10)输出的电机气隙磁通与上位机给定的正常情况的电机气隙磁通做差值处理，并将气隙 磁通差值输出给气隙磁通调节器（13)。当气隙磁通差值不为零时，则电机发生了失磁故障， 气隙磁通调节器(13)将按照预先定义的算法产生补偿电流，来使故障情况下的气隙磁通值 维持在正常值，从而使故障电机的性能指标维持在一定容许范围内；当气隙磁通差值为零 时，则电机没有发生失磁故障，气隙磁通调节器(13)输出的补偿电流为零。
[0060]最大转矩电流比控制单元(8)根据位置传感器(7)输出的反馈角度信息和预定角 度信息，按照预先定义的算法产生d和q轴电流C、《。当电机发生失磁故障时，气隙磁通调 节器（13)输出的补偿电流△ id与最大转矩电流比控制模块产生的电流4相叠加，叠加后的 值作为d轴电流。定子电流限幅单元(9)，用于限制容错控制情况下的定子电流超过极限值。 当电机正常运行时，气隙磁通调节器（13)输出的补偿电流Aid为零，电机按照最大转矩电 流比控制策略运行。
[0061 ]优选的，当永磁同步电机正常运行时，容错控制模块（1)中的气隙磁通调节器（13) 输出的补偿电流为零；当永磁同步电机发生失磁故障时，容错控制模块中的气隙磁通调节 器（13)输出的补偿电流不为零，利用其输出的补偿电流来对故障电机气隙磁通进行微调， 从而使故障电机的性能指标维持在一定容许范围内。显然，通过气隙磁通调节器（13)输出 的补偿电流可以使故障电机的性能指标维持在一定容许范围内。
[0062] 具体的，首先通过失磁故障检测模块(2)检测出电机实际磁链，然后通过气隙磁通 计算模块(10)，按照预先定义的算法计算出电机的气隙磁通。当电机没有发生失磁故障时， 按最大转矩电流比控制，将给定转速和反馈转速的静差，通过第一PI调节单元后得到电流 矢量，然后根据最大转矩电流比控制单元(8)中预先设定的转矩电流关系算出d、q轴电流分 量给定值4、《。此时，气隙磁通调节器(13)输出的补偿电流为零。
[0063] 当电机发生失磁故障时，需进行容错控制，将正常情况下的气隙磁通和实际反馈 气隙磁通的偏差，通过气隙磁通调节器（13)后得到补偿电流，将它与最大转矩电流比控制 单元(8)输出来的d轴电流分量相叠加，得容错控制下d轴电流给定量。
[0064] 根据本发明的另一个方面，还提供了一种失磁故障容错控制方法，具体包括如图3 所示的几个步骤。首先，实时检测永磁同步电机的磁链信号;根据实时检测的磁链信号，计 算永磁同步电机的气隙磁通;将实际的气隙磁通与给定的气隙磁通信号比较，从而判断永 磁同步电机的失磁情况;根据计算的气隙磁通信号和给定的气隙磁通信号做差值，并将该 差值作为微调信号；当永磁同步电机正常运行时，容错控制单元中的磁通处理器输出的微 调信号为零，且磁通调节器输出的补偿电流信号为零，采用最大转矩电流比控制策略对永 磁同步电机进行控制；当永磁同步电机发生失磁故障时，容错控制单元中的磁通处理器输 出的微调信号不为零，磁通调节器输出的补偿电流信号亦不为零，根据微调信号及预设运 算法则生成补偿电流来对永磁同步电机的气隙磁通进行微调，来使故障电机的性能指标维 持在一定的容许范围内。
[0065] 虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采 用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本 发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化， 但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种失磁故障容错控制系统，包括： 失磁故障检测模块，根据永磁同步电机的角度信息、d轴和q轴电压及反馈电流实时检 测永磁同步电机的磁链信号； 容错控制模块，根据磁链信号和预定算法生成补偿电流来对永磁同步电机的气隙磁通 进行微调，以使得在永磁同步电机发生失磁故障时进行容错控制。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电压空间矢量PWM控制模 块和三相逆变器，其中， 电压空间矢量PWM控制模块，分别与所述容错控制模块和所述三相逆变器连接，根据容 错控制模块输出的d轴和q轴电压产生PWM调制波，从而控制所述三相逆变器产生用于驱动 永磁同步电机的三相驱动电流。3. 根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括分别与所述失磁故障 检测模块和所述容错控制模块连接的坐标变换模块，用于根据永磁同步电机的输入电流和 旋转角度信息产生d轴和q轴反馈电流，以输出给所述失磁故障检测模块和所述容错控制模 块。4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述坐标变换模块连接 的电流传感器，用于将永磁同步电机的输入电流反馈至所述坐标变换模块。5. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述坐标变换模块连接 的位置传感器，用于将永磁同步电机的转子旋转角度信息反馈至所述坐标变换模块。6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述位置传感器和所述 失磁故障检测模块连接的微分器，用于将永磁同步电机的转子旋转角度信息处理为角速度 信息后输出给所述失磁故障检测模块。7. 根据权利要求2-6中任一项所述的系统，其特征在于，所述容错控制模块进一步包 括： 容错控制单元，根据所述失磁故障检测模块输出的磁链信号和预定算法产生补偿电 流； 第一PI调节单元，根据给定转速和反馈转速得到电流矢量； 最大转矩电流比控制单元，将所述电流矢量按照预定算法产生q轴电流（以及与补偿电 流叠加的d轴电流 第二PI调节单元，用于将q轴电流（生成对应的电压并输出给所述电压空间矢量PWM控 制模块和反馈给所述失磁故障检测模块； 第三PI调节单元，用于将与补偿电流叠加后的d轴电流生成对应的电压并输出给所述 电压空间矢量PWM控制模块和反馈给所述失磁故障检测模块。8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述容错控制模块还包括与所述最大转矩 电流比控制单元、所述第二PI调节单元和所述第三PI调节单元连接的定子电流限幅单元， 用于限制输出给永磁同步电机的定子电流超过极限值。9. 根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述容错控制单元进一步包括： 上位机，用于给定永磁同步电机正常工作情况下的气隙磁通信号； 气隙磁通计算模块，与所述失磁故障检测模块连接，根据所述失磁故障检测模块输出 的磁链信号和预定算法来获取实际气隙磁通信号； 失磁故障判断模块，与所述气隙磁通计算模块和上位机连接，用于将所述气隙磁通计 算模块输出的实际气隙磁通信号与上位机给定的气隙磁通信号比较，以判断永磁同步电机 的失磁情况； 气隙磁通处理器，与所述失磁故障判断模块连接，用于接收实际气隙磁通信号和上位 机给定的气隙磁通信号，并将两者的差值作为微调信号输出； 气隙磁通调节器，与所述气隙磁通处理器连接，根据微调信号及预设运算法则生成补 偿电流以与所述最大转矩电流比控制单元输出的d轴电流(丨进行叠加处理。10. -种失磁故障容错控制方法，包括， 实时检测永磁同步电机的磁链信号； 根据实时检测的磁链信号，计算永磁同步电机的气隙磁通； 将实际的气隙磁通与给定的气隙磁通比较，判断永磁同步电机的失磁情况； 根据计算的气隙磁通和给定的气隙磁通做差值，并将该差值作为微调信号，其中，当微 调信号为零时，采用最大转矩电流比控制策略对永磁同步电机进行控制；当微调信号不为 零时，根据微调信号及预设运算法则生成补偿电流来对永磁同步电机的气隙磁通进行微 调，从而使故障电机的气隙磁通维持在正常值。
【文档编号】H02P21/22GK106026829SQ201610325562
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】张昌凡, 吴公平, 何静, 赵凯辉, 孙健, 廖慧君, 刘光伟, 林真珍
【申请人】湖南工业大学