技术领域
[0001] 本
发明属于电气传动技术领域，涉及一种容错控制方法，特别是涉及一种电动汽车用轴向磁场磁通切换永磁电机容错控制方法。
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。电动汽车既承载着向可持续发展转型的重任，同时又肩负着向人们展示激情与形象的使命。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。近年来，越来越多的科研单位和企业正在逐渐加快永磁同步电机的研究与应用。
[0003] 轴向磁场磁通切换永磁(axial field flux-switching permanent magnet，AFFSPM)电机是一种新型的
定子永磁型磁通切换电机，它将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。所以AFFSPM电机结合了永磁同步电机和磁通切换电机特点，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。
[0004] 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究较少，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，容错控制成为研究重点，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
[0005] 技术问题：本发明针对
现有技术之不足，在分析轴向磁场磁通切换永磁电机的基础上，提出了一种能够准确检测电动汽车用轴向磁场磁通切换永磁电机功率变换器故障状态，使其运行在容错状态，并大大提高电动汽车在功率变换器故障状态下安全性能的电动汽车用轴向磁场磁通切换永磁电机容错控制方法。
[0006] 技术方案：本发明的轴向磁场磁通切换永磁电机容错控制方法，包括以下步骤：
[0007] (1)从电机主电路采集相
电流ia、ib、ic、ie、if、ig，对电机进行准确初始
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θ；
[0008] (2)将采集的相电流ia、ib、ic、ie、if、ig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
坐标系下的第一定子的d轴电流id和第二定子的d轴电流i′ d、第一定子的q轴电流iq和第二定子的q轴电流i′ q；
[0009] (3)用给定转速n*减去编码器实测转速n，后得到转速偏差Δn，将所述转速偏差Δn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
母线电压Udc、第一定子的d轴电压ud和第二定子的d轴电压u′ d、第一定子的q轴电压uq和第二定子的*q轴电压u′q、编码器实测转速n和给定转速n输入电流分配器，根据给定相电流与采集到的相电流的差值判断故障状态，即给定相电流为 实测相电流为ik(k＝
a,b,c,e,f,g)，则二者差值为 当连续两个检测周期内，Δεk同号，则说明有故障发生，当轴向磁场磁通切换永磁电机控制系统状态正常时，进入步骤4)，当轴向磁场磁通切换永磁电机控制系统发生故障时，进入步骤5)；
[0010] (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：
[0011]
[0012] 其中，idref为第一定子的d轴电流参考值，i′ dref为第二定子的d轴电流参考值，iqref为第一定子的q轴电流参考值，i′ qref为第二定子的q轴电流参考值；Im为相电流幅值，θ为
相位角；
[0013] (5)继续保持id＝0，进行容错控制，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流：
[0014]
[0015] (6)用电流分配器所产生的第一定子的d轴电流参考值idref减去步骤(2)中的第一定子的d轴电流id可得电流偏差Δid，用第二定子的d轴电流参考值i′dref减去步骤(2)中的第二定子的d轴电流i′d可得电流偏差Δi′ d，用第一定子的q轴电流参考值iqref减去步骤(2)中的第一定子的q轴电流iq可得电流偏差Δiq，用第二定子的q轴电流参考值i′qref减去步骤(2)中的第二定子的q轴电流iq′可得电流偏差Δi′q，将第一定子的d轴电流偏差Δid和第二定子的d轴电流偏差Δi′ d分别输入d轴电流调节器进行比例积分运算，得到第一定子的d轴电压ud和和第二定子的d轴电压u′ d，将第一定子的q轴电流偏差Δiq和第二定子的q轴电流偏差Δi′ q分别输入q轴电流调节器进行比例积分运算，得到第一定子的q轴电压uq和第二定子的q轴电压u′ q，然后对所述第一定子的d轴电压ud、第二定子的d轴电压u′d和第一定子的q轴电压uq、第二定子的q轴电压u′q共同进行旋转
正交-静止两
相变换后，得到静止两相坐标系下第一定子的α轴电压uα、第二定子的α轴电压u′α和第一定子的β轴电压uβ、第二定子的β轴电压u′β，将所述α轴电压uα、u′α和β轴电压uβ、u′β分别输入脉冲宽度调
制模块，运算输出12路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器。
[0016] 本发明方法的一种优选方案中，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。
[0017] 本发明方法的一种优选方案中，根据给定相电流与采集到的相电流的差值判断故障状态，即给定相电流为 实测相电流为ik(k＝a,b,c,e,f,g)，则二者差值为 当连续两个检测周期内，Δεk同号，则判断电动汽车用轴向磁场磁通
切换永磁电机有故障发生，否则判断电机状态正常。
[0018] 本发明方法针对电动汽车用轴向磁场磁通切换永磁电机，提出了一种用于该电机的容错控制策略，即电流分配
算法，可以保证电机在发生单相短路的情况下容错运行，提高了系统的
稳定性。
[0019] 有益效果：电动汽车用轴向磁场磁通切换永磁电机控制系统功率变换器及其驱动电路作为系统的中枢执行机构，是系统中最容易出现的故障的薄弱环节，功率变换器故障将破坏驱动系统运行的平衡状态，产生无法抑制的转矩缺口甚至
制动转矩，长期故障运行将会给电动汽车及人身安全带来损害，本发明通过步骤4)和步骤5)的轴向磁场磁通切换永磁电机容错控制系统，能够准确检测故障状态，使得轴向磁场磁通切换永磁电机能够运行在容错状态，所以本发明具有以下优点：
[0020] (1)该容错系统能够准确检测电动汽车用轴向磁场磁通切换永磁电机功率变换器故障状态；
[0021] (2)该控制系统能够使电动汽车用轴向磁场磁通切换永磁电机运行在容错状态；
[0022] (3)该控制系统能够大大提高电动汽车在功率变换器故障状态下的安全性能。
附图说明
[0023] 图1为AFFSPM电机拓扑结构；
[0024] 图2为AFFSPM电机容错运行
框图；
[0025] 图3是本发明方法的逻辑流程框图；
[0026] 图4是本发明方法的系统框图；
[0027] 图5是实现本发明方法的结构框图；
[0028] 图6是AFFSPM电机控制系统发生故障时转速
波形；
[0029] 图7是AFFSPM电机控制系统容错运行时转速波形。
具体实施方式
[0030] 下面结合
实施例和
说明书附图对本发明作进一步的说明。
[0031] 本发明是针对一种混合励磁轴向磁场磁通切换电机容错控制方法，该电机包括两个定子(第一定子和第二定子)、一个转子、集中式
电枢绕组和扇形永磁体，如图1所示。转子夹放在两个定子之间，定子与转子同轴安装，两个定子与转子之间留有相等长度的空气隙。两个定子的结构完全一样，位置关于转子对称；每个定子由6块双齿U形
铁芯、6块扇形永磁体和6个集中电枢线圈构成，集中式电枢线圈绕在相邻的两块双齿U形铁芯的齿上，扇形永磁体嵌放在双齿U形铁芯中间；定子上的永磁体沿着切向交替充磁，且两个定子上相对应的永磁体的磁化方向相反；电机的转子为直槽结构，转子上既没有永磁体也没有绕组，共有10个齿，称为10个转子极，均匀设置在转子非导磁圆环的外圆周上。双齿U形定子铁芯的齿和转子极都是扇形结构。
[0032] 本发明为了能够实现轴向磁场磁通切换电机的容错运行，采用了双三相逆变桥进行控制。即将第一定子的三相绕组定义为A、B、C三相，第二定子的三相绕组定义为E、F、G相。利用三相逆变桥控制第一定子，另外一个三相桥控制第二个定子。
[0033] 图3为实现本发明电动汽车用轴向磁场磁通切换永磁电机容错控制方法的系统框图，该控制系统由交流电源、
整流器、母线电容、DSP控制器、主功率变换器、辅功率变换器、
传感器、混合励磁同步电机、光电编码器等组成。
[0034] 交流电源给整个系统供电，经过整流器整流后，滤波、稳压，送给主、辅功率变换器，霍尔电压传感器采集母线电压，调理后送入控制器。主、辅功率变换器的输出端接混合励磁同步电机，霍尔电流互感器采集相电流和励磁电流，调理后送入控制器，编码器信号采集转速与转子位置信号，处理后送入控制器计算转子位置角与转速。控制器输出12路PWM信号分别驱动主功率变换器1和2。
[0035] 本发明的电动汽车用轴向磁场磁通切换永磁电机容错控制方法，图3所示，具体包括以下步骤：
[0036] (1)六个霍尔电流传感器分别从电机主电路采集两侧定子相电流ia、ib、ic、ie、if、ig，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护等信号调理后送入控制器，对电机进行准确初始位置检测，从电机编码器上采集信号，处理送入控制器计算得出转速n和转子位置角θ；
[0037] (2)将采集的相电流ia、ib、ic、ie、if、ig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的第一定子的d轴电流id和第二定子的d轴电流i′ d、第一定子的q轴电流iq和第二定子的q轴电流i′ q；
[0038] (3)用给定转速n*减去编码器实测转速n，后得到转速偏差Δn，将所述转速偏差Δn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 母线电压Udc、第一定子的d轴电压ud和第二定子的d轴电压u′ d、第一定子的q轴电压uq和第二定子的*q轴电压u′q、编码器实测转速n和给定转速n输入电流分配器，根据给定相电流与采集到的相电流的差值判断故障状态，即给定相电流为 实测相电流为ik(k＝
a,b,c,e,f,g)，则二者差值为 当连续两个检测周期内，Δεk同号，则说明有故障发生，当轴向磁场磁通切换永磁电机控制系统状态正常时，进入步骤4)，当轴向磁场磁通切换永磁电机控制系统发生故障时，进入步骤5)；
[0039] (4)下面分析轴向磁场磁通切换永磁电机容错控制原理，根据矢量控制原理，在d-q坐标系中，得出轴向磁场磁通切换永磁电机的数学模型。
[0041]
[0042] 磁链方程：
[0043]
[0044] 电压方程：
[0045]
[0046] 转矩方程：
[0047]
[0048] 其中，ia、ib、ic、id、ie、if分别为两侧定子三相电流，id、iq分别为d轴与q轴电流，Im为相电流幅值；Ld、Lq分别为d轴与q轴电感；ωe为电
角速度；ψm为永磁体磁链，p为电机极对数，ud、uq分别为d轴与q轴的电压；Rs为电枢绕组
电阻；ψd、ψq分别d轴、q轴磁链，θ为相位角。
[0049] 采用id＝0控制策略时，d轴电流等于0，根据式(5)可得如下电流分配方案：
[0050]
[0051] 式中，i′d、i′q分别为另外一侧定子d轴与q轴电流；
[0052] (5)轴向磁场磁通切换永磁电机控制系统故障前总磁动势为：
[0053]
[0054] 其中，TMMF为总磁动势，Fa、Fb、Fc、Fe、Ff、Fg分别为a、b、c、e、f、g相磁动势，N为电枢绕组
匝数，α为空间旋转因子。
[0055] 假设轴向磁场磁通切换永磁电机A相发生断路，总磁动势为：
[0056] TMMF′＝MMF′b+MFF′c+MMF′e+MMF′f+MFF′g2 2
[0057] ＝αF′b+αF′c+F′e+αF′f+αF′g (7)2 2
[0058] ＝αNi′b+αNi′c+Ni′e+αNi′f+αNi′g
[0059] 其中，TMMF′为容错控制总磁动势，F′b、F′c、F′e、F′f、F′g为容错控制时的b、c、e、f、g相磁动势；i′b、i′c、i′e、i′f、i′g为容错控制时的b、c、e、f、g相电流。
[0060] 为了保证轴向磁场磁通切换永磁电机能够容错运行，令式(8)和式(7)
实部和
虚部分别相等，从而可得：
[0061]
[0062] 可得：
[0063]
[0064] 采用id＝0控制策略，结合式(9)可得如下电流分配方案：
[0065]
[0066] (6)用电流分配器所产生的第一定子的d轴电流参考值idref减去步骤(2)中的第一定子的d轴电流id可得电流偏差Δid，用第二定子的d轴电流参考值i′dref减去步骤(2)中的第二定子的d轴电流i′d可得电流偏差Δi′ d，用第一定子的q轴电流参考值iqref减去步骤(2)中的第一定子的q轴电流iq可得电流偏差Δiq，用第二定子的q轴电流参考值i′qref减去步骤(2)中的第二定子的q轴电流i′ q可得电流偏差Δi′ q，将第一定子的d轴电流偏差Δid和第二定子的d轴电流偏差Δi′ d分别输入d轴电流调节器进行比例积分运算，得到第一定子的d轴电压ud和和第二定子的d轴电压u′ d，将第一定子的q轴电流偏差Δiq和第二定子的q轴电流偏差Δi′ q分别输入q轴电流调节器进行比例积分运算，得到第一定子的q轴电压uq和第二定子的q轴电压u′ q，然后对所述第一定子的d轴电压ud、第二定子的d轴电压u′d和第一定子的q轴电压uq、第二定子的q轴电压u′q共同进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下第一定子的α轴电压uα、第二定子的α轴电压u′α和第一定子的β轴电压uβ、第二定子的β轴电压u′β，将所述α轴电压uα、u′α和β轴电压uβ、u′β分别输入脉冲宽度调制模块，运算输出12路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器。
[0067] 上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明
权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
