一种混合励磁轴向磁场磁通切换电机容错控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气传动技术领域，涉及一种容错控制，特别是涉及一种电动汽车用 混合励磁轴向磁场磁通切换电机容错控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着能源危机和环境污染的日益加重，电动汽车成为未来汽车可持续发展的必然 趋势。目前，电动汽车采用的电机主要有三相异步电机、开关磁阻电机和永磁同步电机，其 中永磁同步电机由于体积小、功率密度高、效率高、功率因数高等优点使它具有更高的应用 优势，但永磁电机气隙磁场难以调节的缺点也给应用带来了局限性。基于以上原因，混合励 磁电机应运而生，它结合了永磁同步电机和电励磁同步电机的优点而又克服了它们各自的 缺点，功率因数高、调速范围宽。这种电机具有两种励磁源，即永磁励磁和电励磁，二者在 电机气隙中相互作用合成产生气隙磁场。当电励磁线圈通入正向励磁电流时，会产生和永 磁磁通方向相同的磁通，增大了气隙磁场，实现增磁运行，为电动汽车起动或爬坡提供大转 矩；反之，当电励磁线圈通入反向励磁电流时，产生和永磁磁通方向相反的磁通，削弱了气 隙磁场，大大拓宽了电机恒功率运行范围，满足电动汽车高速巡航的要求。混合励磁轴向磁 场磁通切换（Hybridexcitedaxialfieldflux-switchingmagnet，HEAFFSM)是一种新 型的定子永磁型混合励磁磁通切换电机，它将混合励磁磁通切换理念和轴向磁场电机有效 地结合起来，如图1所示。HEAFFSM结合了磁通切换电机和混合励磁电机的优点，一方面具 有结构简单、体积小、控制灵活等优点；一方面具有高效率、高功率密度等优点。此外，由于 该电机永磁体位于定子并具有独特的聚磁效应，因此可以用相对较少的永磁材料获得较高 的气隙磁密，转子既无绕组也无永磁体，结构简单，轴向长度短，所以非常适合用作电动汽 车轮毂电机。
[0003] 电动汽车运行坏境恶劣，功率变换器是轴向磁场磁通切换永磁电机驱动中最容易 发生故障的薄弱环节。控制器逆变桥最容易发生单相断路故障，目前，对于轴向磁场磁通 切换永磁电机驱动系统容错控制研宄较少，未见相相关文献与报道，由于其应用场合的特 殊性，安全性与可靠性问题尤为重要，容错控制成为研宄重点，容错控制的实现包括故障检 测、识别与隔离三个步骤。故障检测与识别系统成为故障诊断，是容错控制的基础和关键。 功率半导体器件及其控制驱动电路时电机系统中最容易发生故障的薄弱环节。其中功率变 换器故障占整个驱动系统故障的82. 5%。功率变换器通常由功率管开路或短路引起，故障 后电机工作性能下降，甚至丧失工作能力。
【发明内容】
[0004] 技术问题：本发明针对现有技术之不足，在分析混合励磁轴向磁场磁通切换电机 的基础上，提出了一种能够准确检测电机功率变换器故障状态，使电机运行在容错状态，大 大提高电动汽车在功率变换器故障状态下安全性能的混合励磁轴向磁场磁通切换永磁电 机容错控制方法。
[0005] 技术方案：本发明的混合励磁轴向磁场磁通切换电机容错控制方法，包括以下步 骤：
[0006] (1)从电机主电路采集相电流ia、ib和励磁电流if，对电机进行初始位置检测，从 电机编码器上采集信号，送入控制器进行处理，得出转速n和转子位置角0;
[0007] (2)将采集的相电流ia、ib经跟随、滤波、偏置和A/D转换，然后进行帕克变换，得 到两相旋转坐标系下定子的d轴电流iJPq轴电流iq;
[0008] (3)将给定转速n#减去编码器实测转速n，得到的转速偏差An输入速度调节器， 经比例积分运算后得到转矩参考值2；，将转矩参考值7；、母线电压Ud。、定子d轴电压ud、定 子q轴电压uq、实测转速n和给定转速nit入电流分配器，根据电流判断故障状态，当混合 励磁轴向磁场磁通切换电机状态正常时，进入步骤4)，当混合励磁轴向磁场磁通切换电机 发生故障时，进入步骤5);
[0009] (4)采用id= 0控制策略，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流：
[0010]
【主权项】
1. 一种混合励磁轴向磁场磁通切换电机容错控制方法，其特征在于，该方法包括以下 步骤： (1) 从电机主电路采集相电流ia、ib和励磁电流if，对电机进行初始位置检测，从电机 编码器上采集信号，送入控制器进行处理，得出转速n和转子位置角0 ; (2) 将采集的相电流ia、ib经跟随、滤波、偏置和A/D转换，然后进行帕克变换，得到两 相旋转坐标系下定子的d轴电流idPq轴电流i^ (3) 将给定转速n#减去编码器实测转速n，得到的转速偏差An输入速度调节器，经比 例积分运算后得到转矩参考值 <，将转矩参考值7；、母线电压Ud。、定子d轴电压ud、定子q 轴电压uq、实测转速n和给定转速nit入电流分配器，根据电流判断故障状态，当混合励磁 轴向磁场磁通切换电机状态正常时，进入步骤4)，当混合励磁轴向磁场磁通切换电机发生 故障时，进入步骤5); (4) 采用id= 0控制策略，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流：
其中，'：5为d轴电流参考值，i咖为q轴电流参考值；步力永磁体磁链，P为电机极 对数，为电磁转矩参考值； (5) 采用励磁电流进行容错控制，继续保持id= 0,电流分配器按照如下电流分配方案 输m电流：
其中，^为相电流幅值，ifMf为励磁电流参考值，Mfs电枢绕组与励磁绕组之间的互感，N'为励磁绕组匝数，N为电枢绕组匝数； (6) 将电流分配器所产生的d轴电流参考值idMf减去步骤⑵中的d轴电流id得到d轴电流偏差Aid，用q轴电流iqMf减去步骤⑵中的q轴电流iq得到q轴电流偏差Aiq; 将d轴电流偏差Aid输入d轴电流调节器进行比例积分运算，得到d轴电压ud，将q轴电 流偏差Aiq输入q轴电流调节器进行比例积分运算，得到q轴电压uq，然后对所述d轴电 压uJPq轴电压uq*同进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下a轴电 压^和0轴电压，将所述a轴电压11。和0轴电压Ufi输入脉冲宽度调制模块，运算 输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器； 同时将步骤（1)中采集的励磁电流if，经跟随、滤波、偏置与A/D转换后和励磁电流参 考值ifMf-起送入直流励磁脉宽调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功 率变换器。
2. 根据权利要求1所述的一种混合励磁轴向磁场磁通切换电机容错控制系统，其特征 在于，所述步骤6)中的脉冲宽度调制模块为空间矢量脉冲宽度调制模块。
3. 根据权利要求1或2所述的一种混合励磁轴向磁场磁通切换电机容错控制系统，其 特征在于，所述步骤3)中判断故障状态的具体方法为：根据给定相电流与采集到的实测相 电流的差值判断故障状态，即给定相电流为仏r)，实测相电流为ik(k=a,b,c)，则 二者差值为当连续两个检测周期内，Aek同号，则判断混合励磁轴向磁场磁 通切换电机有故障发生，否则判断混合励磁轴向磁场磁通切换电机状态正常。
【专利摘要】本发明公开了一种混合励磁轴向磁场磁通切换电机容错控制系统，使电机控制系统在逆变器发生单相故障情况下能够容错运行。根据电流进行故障判断，当正常运行时，混合励磁轴向磁场磁通切换电机容错控制系统采用id＝0控制策略，分配d轴、q轴电流。当发生单相断路故障时，利用励磁电流进行容错控制，继续保持id＝0，协调分配q轴电流和励磁电流，使电机运行在容错状态。一种混合励磁轴向磁场磁通切换电机容错控制系统在逆变器单相断路情况下可使电机运行在容错状态，提高了电动汽车电机驱动系统的可靠性。
【IPC分类】H02P25-02, H02P21-14, H02P21-00
【公开号】CN104617846
【申请号】CN201510054503
【发明人】林明耀, 赵纪龙
【申请人】东南大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月2日