基于功率开关器件故障的容错控制模型、方法及装置

1.本技术涉及电压调制技术领域，具体公开了一种基于功率开关器件故障的容错控制模型、方法及装置。


背景技术：

2.以三相电机为例，图1-3给出了开绕组永磁电机驱动系统结构。可以看到，系统中共有12个功率开关器件。与传统结构相比，使用的开关器件数量翻倍，增大了开关器件故障的几率。因而，研究针对开关器件故障的容错控制技术，对于提升开绕组电机系统的可靠性至关重要。
3.定义各相绕组电流正方向如图1-3中所示。以与a相绕组连接的变流器1侧桥臂上管故障为例进行分析，可知当a相电流小于零且s'
a1
处于关断状态时，无法构成电流通路；针对该问题，现有的技术通过对各相电流同步注入共模分量，使得故障对应相的相电流极性始终处于非负状态，从而避免了上述无法构成电流通路的情况，实现了容错下的控制。
4.目前针对开关器件故障的容错方案，最大的问题在于仅能使用在如图1所示的共直流母线结构的开绕组电机系统中，而无法应用在结构更加灵活且无零序环流问题的隔离母线结构开绕组电机系统中。此外，现有技术方案由于需要对各相电流同步进行注入，一旦注入的共模电流分量不足致使故障对应相的电流极性为负，会出现电流突变，对系统的控制造成极大影响。
5.除此之外，在真实应用中，还经常存在着功率开关管及其反并联二极管同时被损坏的情况，此时现有的方案无法实现系统容错控制。
6.针对该问题，本发明拟提出一种新的改进容错控制方法。


技术实现要素：

7.为解决上述现有技术的缺点，本发明提出一种基于功率开关器件故障的容错控制模型、方法及装置。
8.本发明提出的技术方案是：
9.一种基于功率开关器件故障的容错控制模型，模型基于容错结构开绕组电机驱动系统，无故障相的相电压模型如下：
[0010][0011]
其中u
x
、u
x1
、u
x2
分别为x相、与x相绕组连接的变流器1桥臂及变流器2桥臂输出电压，u
o1o2
为两侧变流器参考电位差，s
x1
和s
x2
分别为与x相绕组连接的变流器1桥臂及变流器2桥臂开关状态，其定义为：当上管导通、下管关断时为1，当上管关断、下管导通时为0。
[0012]
本发明提出一种基于功率开关器件故障的容错控制方法，构建前述基于功率开关器件故障的容错控制模型，并包括以下步骤：
[0013]
对于功率开关管及其反并联二极管同时出现故障的系统，其故障侧桥臂的输出电压范围唯一且无法调节；当s
a1
故障时，该桥臂被限制为0，因此a相的输出电压被约束为[-u
dc2
,0]，此时无法输出正的电压。因此当a相参考电压极性为正时，需要对各相参考电压进行同步调节，调节量
△
u为从而调节后的故障a相参考电压为零，处在有效调制范围内；当a相参考电压极性为负时，有如下平衡约束方程
[0014]
ts为控制周期，由此可得到s
a2
桥臂上管导通占空比d
a2
。
[0015]
对于功率开关管出现故障但其反并联二极管正常的系统，故障管所在桥臂输出电压同时受到相电流极性与桥臂开关状态影响；当s
a1
故障时，当ia极性为正时，无论该桥臂开关状态如何，均可通过下管并联极管进行续流，桥臂输出电压为0；当ia极性为负时，若下管s
'a1
不导通，则通过上管并联二极管进行续流，桥臂输出电压为u
dc1
；若下管s
'a1
导通，则通过下管形成电流通路，桥臂输出电压为0。
[0016]
在可能的一个设计中，当和ia极性都为正时，将u
a*
调节至系统的有效调制范围[-u
dc2
,0]，因此，通过对各相参考电压进行同步调节，调节量
△
u为从而调节后的a相参考电压为零，处在有效调制范围内，通过设置s
a2
＝0即可完成对故障a相的电压调制。
[0017]
当极性为负，ia极性为正时，对于故障相有如下平衡约束方程
[0018]
由此可求得s
a2
对应桥臂的上管导通占空比d
a2
。
[0019]
当极性为正，ia极性为负时，参考电压可通过对故障桥臂的占空比调节实现并遵循下式：
[0020]
由此可求得s
a1
对应桥臂下管占空比d
'a1
。
[0021]
当和ia极性都为负时，通过设置s
'a1
的状态始终为1来使得故障桥臂输出电压为0，并结合s
a2
对应桥臂的如下占空比约束条件来调制参考电压：
[0022]
由此可求得s
a2
对应桥臂上管占空比d
a2
。
[0023]
在可能的一个设计中，还包括步骤：对于正常的b相和c相调制，调制过程完全不受到开关器件故障的影响，可采用正常系统下的调制方式即可。
[0024]
本发明还提供一种电机的容错控制装置，包括存储器、控制处理器及存储在所述存储器上并可在所述控制处理器上运行的计算机程序，所述控制处理器执行所述程序，以实现前述的容错控制方法。
[0025]
本发明还提供一种控制系统，包括前述的容错控制装置。
[0026]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行前述的容错控制方法。
[0027]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0028]
本发明根据开关器件故障对该相电路分布的影响，建立了与故障桥臂对应相的电压模型；并结合故障下的相电压调制特点，提出了相电压的调节方法，使得相电压处在系统调制范围内，实现容错控制。
[0029]
本发明利用开关器件故障对相电压调制造成的影响，将故障桥臂对应相的参考电压进行重新调整，在不改变系统合成电压的前提下，使其处在故障系统的有效调制范围内，实现了电压容错调制。与现有的方法相比，本方法不仅降低了容错技术的工程化实现难度，还将适用范围由共母线系统扩展为同时还适用于共母线系统和隔离母线系统。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
附图1为现有技术中共直流母线结构的开绕组电机系统结构图；
[0032]
附图2为本发明基于功率开关器件故障的容错控制方法实施例中的s
a1
功率开关管及其反并联二极管同时出现故障的独立母线结构开绕组电机系统；
[0033]
附图3为本发明基于功率开关器件故障的容错控制方法实施例中的s
a1
功率开关管故障但其反并联二极管正常的独立母线结构开绕组电机系统；
[0034]
附图4为本发明基于功率开关器件故障的容错控制方法实施例中的电流路径图。
具体实施方式
[0035]
在本发明的描述中，需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0036]
实施例：
[0037]
一种基于功率开关器件故障的容错控制模型，模型基于容错结构开绕组电机驱动系统，s
a1
发生故障时，b相和c相的相电压模型如下：
[0038][0039]
其中u
x
、u
x1
、u
x2
分别为x相、与x相绕组连接的变流器1桥臂及变流器2桥臂输出电压，u
o1o2
为两侧变流器参考电位差，s
x1
和s
x2
分别为与x相绕组连接的变流器1桥臂及变流器2桥臂开关状态，其定义为：当上管导通、下管关断时为1，当上管关断、下管导通时为0。
[0040]
本发明提出一种基于功率开关器件故障的容错控制方法，构建前述基于功率开关器件故障的容错控制模型，并包括以下步骤：
[0041]
对于功率开关管及其反并联二极管同时出现故障的系统，其故障侧桥臂的输出电压范围被限制为0，与相电流极性无关，对应的电流路径如图4(a)～(b)所示。因此a相的输出电压被约束为[-u
dc2
,0]，此时无法输出正的电压。因此当a相参考电压极性为正时，需要对各相参考电压进行同步调节，调节量
△
u为从而调节后的故障a相参考电压为零，处在有效调制范围内；当a相参考电压极性为负时，通过调节a相正常侧桥臂，即可输出该参考电压，此时无需对各相参考电压进行同步调节。
[0042]
对于功率开关管出现故障但其反并联二极管正常的系统，对于故障的s
a1
所在桥臂，其输出电压同时受到相电流极性与桥臂开关状态影响，当ia极性为正时，无论该桥臂开关状态如何，均可通过下管并联二极管进行续流，桥臂输出电压为0；当ia极性为负时，若下管s
'a1
不导通，则通过上管并联二极管进行续流，桥臂输出电压为u
dc1
；若下管s
'a1
导通，则通过下管形成电流通路，桥臂输出电压为0。这三种情况对应的电流路径如图4(c)～(e)所示。
[0043]
由此可见，为了实现开关器件故障下的容错控制，需要针对不同的相电流极性与参考电压的情况来进行特定控制。
[0044]
根据故障桥臂对应的a相电流ia和参考电压极性，分以下四类情况分析。
[0045]
1)和ia极性都为正
[0046]
由图4(c)可知，ia极性为正时，故障桥臂的续流路径由下管并联二极管提供，与桥臂开关状态无关。此时的故障桥臂输出电压为0，相电压大小仅由s
a2
桥臂输出电压提供，由此可知此时的a相可调制电压范围为负，无法满足极性为正的参考电压为此，需要将调节至系统的有效调制范围[-u
dc2
,0]。因此，通过对各相参考电压进行同步调节，调节量
△
u为从而调节后的a相参考电压为零，处在有效调制范围内。
[0047]
例如，假设a、b、c各相参考电压和分别为0.5u
dc1
、-0.7u
dc1
及0.2u
dc1
，则调节量
△
u为-0.5u
dc1
，调节后的各相参考电压分别为0、-1.2u
dc1
及-0.3u
dc1
。此时故障的a相及正常的b、c相参考电压均在调制范围内，可实现对参考电压的有效调制合成。
[0048]
2)极性为负，ia极性为正
[0049]
由图4(c)可知，此时的处在有效调制范围[-u
dc2
,0]内，因此对于故障相有如下平衡约束方程
[0050][0051]
由此可求得s
a2
对应桥臂的上管导通占空比d
a2
。
[0052]
3)极性为正，ia极性为负
[0053]
由图4(d)可知，当ia极性为负时，故障桥臂的输出电压范围为[0,u
dc1
]，因此极性为正的参考电压可通过对故障桥臂的占空比调节实现：
[0054][0055]
由此可求得s
a1
对应桥臂下管占空比d
'a1
。
[0056]
4)和ia极性都为负
[0057]
由图4(e)可知，此时故障桥臂的输出电压为非负，对的调制无贡献，因此可通过设置s
'a1
的状态始终为1来使得故障桥臂输出电压为0，并结合s
a2
对应桥臂的如下占空比约束条件来调制参考电压：
[0058][0059]
由此可求得s
a2
对应桥臂上管占空比d
a2
。
[0060]
通过以上所有不同和ia的极性情况分析，可实现对任意和ia组合下的参考电压调制，从而实现故障容错控制。
[0061]
至于正常的b相和c相调制，调制过程完全不受到开关器件故障的影响，可采用正常系统下的调制方式即可。
[0062]
本发明还提供一种电机的容错控制装置，包括存储器、控制处理器及存储在所述存储器上并可在所述控制处理器上运行的计算机程序，所述控制处理器执行所述程序，以实现前述的容错控制方法。
[0063]
本发明还提供一种控制系统，包括前述的容错控制装置。
[0064]
根据本公开的实施例的调制方法可被编写为计算机程序并被存储在计算机可读存储介质上。当计算机程序被处理器执行时，可实现如上所述的容错控制方法。
[0065]
计算机可读存储介质的示例包括：只读存储器(rom)、随机存取可编程只读存储器(prom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、随机存取存储器(ram)、动态随机存取存储器(dram)、静态随机存取存储器(sram)、闪存、非易失性存储器、cd-rom、cd-r、cd+r、cd-rw、cd+rw、dvd-rom、dvd-r、dvd+r、dvd-rw、dvd+rw、dvd-ram、bd-rom、bd-r、bd-r lth、bd-re、蓝光或光盘存储器、硬盘驱动器(hdd)、固态硬盘(ssd)、卡式存储器(诸如，多媒体卡、安全数字(sd)卡或极速数字(xd)卡)、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态盘以及任何其他装置，所述任何其他装置被配置为以非暂时性方式存储计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构并将所述计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构提供给处理器或计算机使得处理器或计算机能执行计算机程序。在一个示例中，计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构分布在联网的计算机系统上，使得计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构通过一个或多个处理器或计算机以分布式方式存储、访问和执行。
[0066]
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、电池仓控制板、微电池仓控制板、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如dsp与微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、cd-rom、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在asic中。asic可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(dsl)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、中控计算机、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、dsl、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(cd)、激光碟、光碟、数字多用碟(dvd)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
[0067]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0068]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以
对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于功率开关器件故障的容错控制模型，其特征在于，模型基于容错结构开绕组电机驱动系统，无故障相的相电压模型如下：其中u
x
、u
x1
、u
x2
分别为x相、与x相绕组连接的变流器1桥臂及变流器2桥臂输出电压，u
o1o2
为两侧变流器参考电位差，s
x1
和s
x2
分别为与x相绕组连接的变流器1桥臂及变流器2桥臂开关状态，其定义为：当上管导通、下管关断时为1，当上管关断、下管导通时为0。2.一种基于功率开关器件故障的容错控制方法，其特征在于，构建如权利要求1所述的基于功率开关器件故障的容错控制模型，并包括以下步骤：对于功率开关管及其反并联二极管同时出现故障的系统，其故障侧桥臂的输出电压唯一，当s
a1
故障时，该桥臂输出电压范围被限制为0；对于功率开关管出现故障但其反并联二极管正常的系统，故障管所在桥臂输出电压同时受到相电流极性与桥臂开关状态影响；当s
a1
故障时，当i
a
极性为正时，无论该桥臂开关状态如何，均可通过下管并联二极管进行续流，桥臂输出电压为0；当i
a
极性为负时，若下管s'
a1
不导通，则通过上管并联二极管进行续流，桥臂输出电压为u
dc1
；若下管s'
a1
导通，则通过下管形成电流通路，桥臂输出电压为0。3.如权利要求2所述的基于功率开关器件故障的容错控制方法，其特征在于，对于功率开关管及其反并联二极管同时出现故障的系统，需要通过对电机各相参考电压进行适应性同步调节，使得调整后的故障相参考电压符合其输出特征；当s
a1
故障时，该桥臂输出电压范围被限制为0，因此a相的输出电压被约束为[-u
dc2
,0]，此时无法输出正的电压；因此当a相参考电压极性为正时，需要对各相参考电压进行同步调节，调节量
△
u为从而调节后的故障a相参考电压为零，处在有效调制范围内；当a相参考电压极性为负时，通过调节a相正常侧桥臂，即可输出该参考电压，此时无需对各相参考电压进行同步调节；对于功率开关管出现故障但其反并联二极管正常的系统，结合参考电压极性与相电流极性调整参考电压以对故障桥臂两侧开关管进行容错控制；当s
a1
故障时，当和i
a
极性都为正时，将调节至系统的有效调制范围[-u
dc2
,0]，通过对各相参考电压进行同步调节，调节量
△
u为从而调节后的a相参考电压为零，处在有效调制范围内；当i
a
极性为负或极性为负时，无需对各相参考电压进行同步调节。4.如权利要求2所述的基于功率开关器件故障的容错控制方法，其特征在于，对于功率开关管及其反并联二极管同时出现故障的系统，当s
a1
故障时，可始终控制故障侧桥臂上仍为正常状态的功率开关器件s'
a1
为导通，当极性为正时，通过对各相参考电压施加同步的调整量
△
u，其数值为此时通过设置s
a2
＝0即可完成对故障a相的电压调制，当极性为负时，有如下平衡约束方程
t
s
为控制周期，由此可得到s
a2
桥臂上管导通占空比d
a2
；对于功率开关管出现故障但其反并联二极管正常的系统，当s
a1
故障时，当和i
a
极性都为正时，对各相参考电压施加数值为的同步调整量，通过设置s
a2
＝0即可完成对故障a相的电压调制；当极性为负，i
a
极性为正时，对于故障相有如下平衡约束方程：由此可求得s
a2
对应桥臂的上管导通占空比d
a2
；当极性为正，i
a
极性为负时，参考电压可通过对故障桥臂的占空比调节实现并遵循下式：由此可求得s
a1
对应桥臂下管占空比d
'a1
；当和i
a
极性都为负时，通过设置s
'a1
的状态始终为1来使得故障桥臂输出电压为0，并结合s
a2
对应桥臂的如下占空比约束条件来调制参考电压：由此可求得s
a2
对应桥臂上管占空比d
a2
。5.如权利要求4所述的基于功率开关器件故障的容错控制方法，其特征在于，还包括步骤：对于正常的b相和c相调制，调制过程完全不受到开关器件故障的影响，可采用正常系统下的调制方式即可。6.一种电机的容错控制装置，其特征在于，包括存储器、控制处理器及存储在所述存储器上并可在所述控制处理器上运行的计算机程序，所述控制处理器执行所述程序，以实现如权利要求2-5任一项所述的容错控制方法。7.一种控制系统，其特征在于，包括权利要求6所述的容错控制装置。8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求2-5任一项所述的容错控制方法。

技术总结
本发明提供了一种基于功率开关器件故障的容错控制模型、方法及装置，包括步骤：1、当功率开关管及其反并联二极管同时出现故障时：对于故障管所在桥臂，其输出电压唯一且无法进行调节，此时该相输出电压范围受限，通过同步调节电机各相参考电压，使得故障相参考电压适应其输出特征。2、当功率开关管出现故障但其反并联二极管正常时：对于故障管所在桥臂，其输出电压同时受到相电流极性与桥臂开关状态影响，故结合参考电压极性与相电流极性调节电机各相参考电压并对故障桥臂两侧开关管进行容错控制。本方法不仅降低了容错技术的工程化实现难度，还将适用范围由共母线系统扩展为同时还适用于共母线系统和隔离母线系统。适用于共母线系统和隔离母线系统。适用于共母线系统和隔离母线系统。


技术研发人员：胡伟 柴娜
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/12