CN112532138A - 两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器电流冗余方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于两电平三相逆变器拓扑结构的航空通用电机控制器电流冗余方法，该方法主要包括两个模块的设计：首先是电流传感器故障检测方法设计，通过模拟故障算法对电流检测通道进行状态辨识，判断电流传感器的故障情况；其次是不同故障模式下的电流重构方法设计，在发现故障后，采取硬切换措施，及时采用其他电流检测通道的电流信号重构故障通道的电流数据，实现故障容错控制。电流采样作为电机控制器的关键输入通道，该方法可使其在出现一次故障的状态下仍能够保持正常工作。

Description

两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器电流冗余方法

技术领域

本发明属于航空多功能分时复用系统通用电机冗余控制技术领域，具体为一种两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器电流冗余方法，用于三相永磁同步电机电流采样通道故障检测及重构。

背景技术

在多电飞机技术应用的背景下，国内外针对机载系统中发动机电起动、液压泵驱动、燃油泵驱动、环控压缩机驱动等典型电驱动运行都开展了丰富的研究，以标准化、通用化、多功能化为指导思想，对各系统的分时复用控制研究与实践应用都进行了探索。为进一步降低飞机机载系统重量，减少燃油消耗，波音与美国相关企业正对目前B787分时复用电驱动系统开展进一步深入的研究，这对分时复用控制系统配置及通用电机起动控制器的可靠性提出更高要求。

国内在前期已开展了相关分时复用控制系统研究，主要涉及在电流传感器的故障辨识方面，但对于航空电机驱动中失效通道切换以及电流实时重构尚无相关研究报道。

发明内容

本发明提出一种基于两电平三相逆变器拓扑结构的航空通用电机控制器电流传感器故障冗余方法，通过对通用电机的电流传感器的有效观测，将采集的电流数据，采取合理的解耦及拟合运算方法，分析电流传感器的故障模式以及电机的运行状态，并对故障电流进行重构。实现对电机的有效冗余控制。

本发明的技术方案为：

所述一种两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器电流冗余方法，包括以下步骤：

步骤1：判断电流传感器故障：

对于两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器，采用电流传感器采集控制器功率电路中的A、B、C三相电流以及母线电流；根据A、B、C三相电流的测量值判断对三相电流以及母线电流的电流检测通道中是否发生故障；

步骤2：不同故障模式下的电流重构：

(1)若故障模式为单相电流传感器故障，则根据电机三相绕组电流之和为零，通过另外两相电流计算得到故障相电流的值；

(2)若故障模式为两相或三电流传感器发生故障，且母线电流传感器正常时，利用母线电流和相电流之间的关系来重构相电流，其中在两相故障的情况下，进一步的利用正常相的电流信息来校正由母线电流重构的相电流值；

(3)若故障模式为仅有母线电流传感器发生故障时，利用逆变器输入和输出功率的关系结合A、B、C三相电流计算母线电流；

(4)若故障模式为母线电流传感器和某一相电流传感器故障时，先利用上述第(1)点的方法计算得到故障相电流的值，再利用上述第(3)的方法计算母线电流；

(5)若故障模式为母线电流传感器和两相或三相电流传感器故障时，采取停机处理措施。

进一步的，步骤1中，根据公式

计算A、B、C三相电流的故障特征值i_{a_rest}、i_{b_res}、i_{c_res}，其中i_a、i_b、i_c表示A、B、C相电流测量值，i_{a_est}、i_{b_est}、i_{c_est}为对应的相电流参考值；当故障特征值超过故障阈值后认为电流传感器发生故障，实现电流传感器故障的判断。

进一步的，所述相电流参考值通过母线电流重构得到。

进一步的，步骤2中，当若故障模式为两相或三电流传感器发生故障，且母线电流传感器正常时，根据母线电流、三相逆变桥的开关管的开关状态以及相电流之间的对应关系，通过母线电流和开关状态确定相应的相电流。

进一步的，母线电流、三相逆变桥的开关管的开关状态以及相电流之间的对应关系为如下表所示：

进一步的，步骤2中，若故障模式为仅有母线电流传感器发生故障时，利用逆变器输入和输出功率的关系结合A、B、C三相电流，根据公式

计算母线电流i_dc，式中的效率η根据当前带载状态，结合已有的效率曲线得到。

有益效果

本发明提出一种基于两电平三相逆变器拓扑结构的航空通用电机控制器电流传感器故障冗余方法，该方法主要包括两个模块的设计：首先是电流传感器故障检测方法设计，通过模拟故障算法对电流检测通道进行状态辨识，判断电流传感器的故障情况；其次是不同故障模式下的电流重构方法设计，在发现故障后，采取硬切换措施，及时采用其他电流检测通道的电流信号重构故障通道的电流数据，实现故障容错控制。电流采样作为电机控制器的关键输入通道，该方法可使其在出现一次故障的状态下仍能够保持正常工作。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1功率输出回路电流传感器配置示意图；

图2电流传感器故障诊断原理图；

图3不同故障模式下的电流重构原理图；

图4两电平三相逆变驱动拓扑示意图；

图5母线电流与相电流的对应关系示意图；

图6电压矢量位于第三扇区的SVPWM开关状态；

图7电流传感器相电流参考值计算原理框图；

具体实施方式

本发明通过对控制器电流检测通道冗余控制进行分析，利用全数字仿真对控制器电流检测通道进行故障状态辨识、信号检测及冗余控制策略研究，提出两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器电流冗余控制方法。该方法通过对通用电机的电流传感器的有效观测，将采集的电流数据，采取合理的解耦及拟合运算方法，分析电流传感器的故障模式以及电机的运行状态，并对故障电流进行重构。实现对电机的有效冗余控制。

本发明主要包括两大部分内容：

(1)电流传感器故障判断

本发明主要考虑电流感器的开路故障，通过提取故障特征值来判断是否发生开路故障。设计了电流传感器不同情况下发生开路故障的判断方法。

电流采样通道包括霍尔电流传感器、模拟调理电路以及AD转换电路，电流传感器在功率电路中的分布如图1所示。电流采样通道的故障可主要归纳为开路故障、增益变化故障、直流偏置故障。故障检测原理框图如图2所示，本发明主要考虑开路故障。

检测通道故障诊断算法能够根据故障特征值的异常变化识别发生的故障。开路故障的三个故障特征值分别如下式：

式中i_a、i_b、i_c表示A、B、C相电流测量值，i_{a_est}、i_{b_est}、i_{c_est}为对应的相电流参考值。i_{a_rest}、i_{b_res}、i_{c_res}为故障特征值。参考的相电流值通过母线电流重构得到，通过实时对比电流传感器输出相电流信号与重构的相电流信号，当故障特征值超过故障阈值后认为电流传感器发生故障，实现电流传感器故障的判断。利用该方法可对单个电流检测通道进行故障诊断。然后将每个通道的诊断结果进行综合，形成电流检测通道故障特征值。最后实现起动发电机起动控制系统的状态判断。具体实现如图2所示。

另外，当电流检测通道发生开路故障、直流偏置故障和增益故障时，电流检测值和实际值相比都会发生异常，从而导致检测值和参考值之间偏差增加，式(1)中的三个特征值增大，表明有故障发生，本发明仅考虑是否有故障发生，不判断具体故障类型，因此，开路故障时选取的特征值可用来同时诊断三种类型的故障是否发生。

(2)不同故障模式下的电流重构方法设计

发现故障后，采取硬切换措施，及时采用其他电流检测通道的电流信号重构故障通道的电流数据，实现故障容错控制。针对母线电流传感器故障或相电流传感器故障的不同情况，可获取的有效电流信息不同，因此采取不同的电流重构策略。

针对母线电流传感器故障或三相电流传感器故障的不同情况，电流检测通道的故障可分为15种不同的模式。根据不同故障模式的特点，可分为四类：单相电流传感器故障、两相电流传感器故障、三相电流传感器故障以及母线电流传感器故障。不同类别的故障模式，获取的有效电流信息不同，因此采取不同的电流重构策略，电流重构原理图如图3所示。具体实施方法如下：

a.单相电流传感器故障

本发明使用三个相电流传感器，根据基尔霍夫电流定律，在电路的节点上，任意时刻流入节点的电流之和为零。在同一时刻，电机三相绕组电流存在关系：

i_a+i_b+i_c＝0 (2)

当其中一相电流传感器故障时，可通过另外两相电流计算得到故障相电流的值。例如，当故障检测标志位显示A相电流出现故障时，重构后的电流i_a＝-i_b-i_c。

b.两相或三相电流传感器故障

两相或三电流传感器发生故障，母线电流传感器正常时，利用母线电流和相电流之间的关系来重构相电流。在两相故障的情况下，利用正常相的电流信息来校正由母线电流重构的相电流值。电机控制驱动器采用两电平三相逆变拓扑结构见图4，其中VT1～VT6为并联有反向续流二极管的功率开关IGBT模块，需要6路控制信号来驱动它们的导通与关断。

三相逆变桥的开关管的开关状态分别生成八个空间电压矢量U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、U7(111)，这些基本矢量将空间分成6个扇区。SVPWM作用过程时，在每个开关周期内，控制信号通过调节每个基本矢量作用时间产生所需要的空间电压矢量，每个开关状态作用的时间里，电路回路状态会保持恒定，电流流通的路径不会发生变化，电流流通的路径中，满足基尔霍夫电流定律，即处于同一电流通路的直流母线电流与相电流的大小相等。

如图5所示，当合成电压矢量位于第三扇区时，三相桥有(000)、(100)、(110)、(111)四种开关状态。当三相逆变桥的驱动开关状态为(100)时，如图5(a)所示，电流导通路径为：直流母线测电流由电机的A相绕组流入，从电机B、C两相绕组流出，这时，A相绕组的电流大小i_a等于直流母线电流i_DC，即i_DC＝i_a；当三相逆变桥的驱动开关状态为(110)时，如图5(b)电流的导通路径为：直流母线电流i_DC从A、B两相绕组流入，并从电机C相绕组流出，这时，C相绕组电流i_c的大小等于直流母线电流i_DC，符号相反，即-i_DC＝i_c。

同理，用相同的方式分析其他开关矢量，可得母线电流、开关状态以及相电流之间的对应关系见表1。此处规定流入电机绕组的电流方向为正方向，反之为负。

表1不同开关状态时母线电流与绕组电流的对应关系

在空间矢量SVPWM调制方式中，任何一个电压矢量在开关周期内均由两个相邻的基本电压矢量的组合来合成。因此通过两种状态，在一个开关周期内，可获取电机两相绕组中的相电流大小。

由于SVPWM的控制开关频率远大于电机绕组相电流的基波频率，因此将一个开关周期内的相电流看作不变，即电流关系满足式(2)。

仍以第三扇区为例，当使用七段式SVPWM调制时，在一个周期内的开关状态变化及母线电流与相电流幅值关系见图6。第三扇区中，一个开关周期内能够通过采集母线电流直接获取A、C相电流i_a、i_c。根据式(2)可得B相电流：

i_b＝-i_c-i_a (3)

综上，得到ABC三相电流i_a、i_b、i_c，将该方法拓展到空间的其他扇区中，即可完成电机三相电流的重构。

c.母线电流传感器故障

当仅有母线电流传感器发生故障时，不影响系统运行，但需要重构母线电流以保证通用电机起动控制器的母线过流报警功能。本发明利用逆变器输入和输出功率的关系，来计算母线电流i_dc。即：

式中的效率η根据当前带载状态，结合已有的效率曲线得到。

当母线电流传感器和某一相电流传感器故障时，此时系统仍可以正常运行，根据上述单相电流传感器发生故障和仅母线电流传感器发生故障的方法来重构电流。

当母线电流传感器故障，两相或三相电流传感器故障时，可考虑如图7所示的状态观测器的方法进行电流重构，根据状态方程，通过U_d、U_q和ω计算得到三相电流的估测值。但通常情况下，在电机运行过程参数会因温度等原因发生变化，该方法导致估计误差现象，故在实际应用时，发生母线电流传感器故障，两相或三相电流传感器故障时，采取停机处理措施。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器电流冗余方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：判断电流传感器故障：

对于两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器，采用电流传感器采集控制器功率电路中的A、B、C三相电流以及母线电流；根据A、B、C三相电流的测量值判断对三相电流以及母线电流的电流检测通道中是否发生故障；

步骤2：不同故障模式下的电流重构：

(1)若故障模式为单相电流传感器故障，则根据电机三相绕组电流之和为零，通过另外两相电流计算得到故障相电流的值；

(2)若故障模式为两相或三电流传感器发生故障，且母线电流传感器正常时，利用母线电流和相电流之间的关系来重构相电流，其中在两相故障的情况下，进一步的利用正常相的电流信息来校正由母线电流重构的相电流值；

(3)若故障模式为仅有母线电流传感器发生故障时，利用逆变器输入和输出功率的关系结合A、B、C三相电流计算母线电流；

(4)若故障模式为母线电流传感器和某一相电流传感器故障时，先利用上述第(1)点的方法计算得到故障相电流的值，再利用上述第(3)的方法计算母线电流；

(5)若故障模式为母线电流传感器和两相或三相电流传感器故障时，采取停机处理措施。

2.根据权利要求1所述一种两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器电流冗余方法，其特征在于：步骤1中，根据公式

计算A、B、C三相电流的故障特征值i_{a_rest}、i_{b_res}、i_{c_res}，其中i_a、i_b、i_c表示A、B、C相电流测量值，i_{a_est}、i_{b_est}、i_{c_est}为对应的相电流参考值；当故障特征值超过故障阈值后认为电流传感器发生故障，实现电流传感器故障的判断。

3.根据权利要求2所述一种两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器电流冗余方法，其特征在于：所述相电流参考值通过母线电流重构得到。

4.根据权利要求1所述一种两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器电流冗余方法，其特征在于：步骤2中，当若故障模式为两相或三电流传感器发生故障，且母线电流传感器正常时，根据母线电流、三相逆变桥的开关管的开关状态以及相电流之间的对应关系，通过母线电流和开关状态确定相应的相电流。

5.根据权利要求4所述一种两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器电流冗余方法，其特征在于：母线电流、三相逆变桥的开关管的开关状态以及相电流之间的对应关系为如下表所示：

6.根据权利要求1所述一种两电平三相逆变拓扑的航空通用电机控制器电流冗余方法，其特征在于：步骤2中，若故障模式为仅有母线电流传感器发生故障时，利用逆变器输入和输出功率的关系结合A、B、C三相电流，根据公式

计算母线电流i_dc，式中的效率η根据当前带载状态，结合已有的效率曲线得到。

Images