本發(fā)明涉及了一種容錯控制方法，尤其是涉及了一種單邊矩陣變換器(SSMC)的雙帶(Double-Band)滯環(huán)容錯控制系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
：單邊矩陣變換器(SingleSidedMatrixConverter,SSMC)是一種新型的矩陣變換器，屬于三相到多相變換器。每相采用6個雙向開關(guān)組成的陣列，使得輸出端可以與任意一輸入端連通。矩陣變換器與常用的橋式變換器相比，無需直流儲能電容，適用溫度范圍更廣，可靠性更高；但每相需要開關(guān)更多，成本較高。單邊矩陣變換器適于使用單向電流驅(qū)動的電機，如無刷直流電機和開關(guān)磁阻電機等。其控制通常采用電流滯環(huán)控制方式。常用的滯環(huán)控制方法為單環(huán)控制，只有一個帶寬，目標為將電流控制在帶寬范圍內(nèi)。雙帶(Double-Band)滯環(huán)控制是一種有兩個滯環(huán)帶的滯環(huán)控制，目標為將電流控制在內(nèi)環(huán)帶中。當電流進入外環(huán)之后就對輸入進行調(diào)整，降低電流變化速度。通過雙帶滯環(huán)控制，可以有效降低開關(guān)頻率，優(yōu)化滯環(huán)控制效果。但是傳統(tǒng)的離線制表，在線查表的控制方式很不方便，制表時費時費力，表存儲到控制器中會占用大量存儲空間，而且若某一開關(guān)管發(fā)生故障無法開閉，那么將會導致整個系統(tǒng)性能大幅下降甚至崩潰。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決
背景技術(shù)：
中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供了一種在線計算開關(guān)邏輯的SSMC的雙帶滯環(huán)容錯控制系統(tǒng)和方法，可在航空等可靠性要求較高的場合應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一、一種在線計算開關(guān)邏輯的SSMC的雙帶滯環(huán)容錯控制系統(tǒng)，如圖1所示：包括電流滯環(huán)模塊，電流滯環(huán)模塊將預設(shè)電流的參考值與電機相電流當前周期的實測值比較后得到電流誤差e，再將電流誤差e和預設(shè)的電流滯環(huán)帶比較，電流滯環(huán)帶包括正外環(huán)、正內(nèi)環(huán)、負內(nèi)環(huán)和負外環(huán)，獲得四個采用二進制數(shù)表示的位置比較結(jié)果參數(shù)，并同時對電流誤差e進行求導獲得其導數(shù)的符號D，將電流誤差e導數(shù)的符號D和四個位置比較結(jié)果參數(shù)實時發(fā)送到電壓等級選擇模塊；包括電壓等級選擇模塊，電壓等級選擇模塊根據(jù)預設(shè)邏輯判斷方式，由電流誤差e導數(shù)的符號D和四個位置比較結(jié)果參數(shù)的輸入判斷得到當前周期需要施加在電機相繞組的電壓等級V，再將電壓等級V實時發(fā)送到開關(guān)門信號產(chǎn)生模塊，包括開關(guān)門信號產(chǎn)生模塊，開關(guān)門信號產(chǎn)生模塊根據(jù)電壓等級V與單邊矩陣變換器內(nèi)開關(guān)開閉的對應(yīng)關(guān)系，由電壓傳感器采集到的單邊矩陣變換器輸入電壓信號和電壓等級V產(chǎn)生對應(yīng)的開關(guān)門信號，發(fā)送到單邊矩陣變換器，從而完成電流滯環(huán)控制。系統(tǒng)還包括容錯控制模塊，容錯控制模塊經(jīng)開關(guān)故障檢測模塊與單邊矩陣變換器的輸出端連接，容錯控制模塊接收由開關(guān)故障檢測模塊傳送來的故障開關(guān)元件的檢測信號和接收由電壓等級選擇模塊產(chǎn)生傳送來的電壓等級V，根據(jù)備選電壓選擇方式計算出與當前電壓等級V鄰近的兩個電壓等級，兩個電壓等級分別為第一備選電壓等級V’和第二備選電壓等級V”，分別發(fā)送到電壓等級選擇模塊。所述的故障開關(guān)元件指的是單邊矩陣變換器中無法導通的開關(guān)。二、一種在線計算開關(guān)邏輯的SSMC的雙帶滯環(huán)容錯控制方法，如圖4所示：1)在當前周期下，采集電機相電流的實測值，將其與預設(shè)電流的參考值比較后得到電流誤差e，再將電流誤差e和預設(shè)的電流滯環(huán)帶比較，電流滯環(huán)帶包括正外環(huán)、正內(nèi)環(huán)、負內(nèi)環(huán)和負外環(huán)，獲得四個采用二進制數(shù)表示的位置比較結(jié)果參數(shù)，并同時對電流誤差e進行求導獲得其導數(shù)的符號D；2)將電流誤差e導數(shù)的符號D和四個位置比較結(jié)果參數(shù)根據(jù)預設(shè)邏輯判斷方式，判斷得到當前周期需要施加在電機相繞組的電壓等級V；3)由采集得到的單邊矩陣變換器輸入電壓信號結(jié)合需施加的電壓等級V，根據(jù)電壓等級V與單邊矩陣變換器內(nèi)開關(guān)開閉的對應(yīng)關(guān)系，獲得當前周期需連接的開關(guān)并施加到單邊矩陣變換器上，進而控制單邊矩陣變換器的工作運行，從而完成電流滯環(huán)控制。雙帶(Double-Band)控制算法中有兩個滯環(huán)環(huán)帶，分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，其中外環(huán)的控制邏輯與普通滯環(huán)控制相同，本發(fā)明是在內(nèi)外環(huán)之間和內(nèi)環(huán)設(shè)置多個電壓等級邏輯，通過這多個電壓等級可以更好的將電流控制在滯環(huán)帶內(nèi)環(huán)中，降低開關(guān)頻率，優(yōu)化控制效果。單邊矩陣變換器每相包括6個開關(guān)單元，在任一時刻，通過控制開關(guān)狀態(tài)，本發(fā)明可向電機繞組施加7種不同的電壓：V+++,V++,V+,0,V-,V--,V---，具體下表4，表1可結(jié)合圖2參照。其中0電壓為輸入相與輸出相相同時產(chǎn)生，如AA、BB、CC。表1IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIV+++VCBVABVABVACVACVBCVBCVBAVBAVCAVCAVCBV++VABVCBVACVABVBCVACVBAVBCVCAVBAVCBVCAV+VCAVACVCBVBCVABVBAVACVCAVBCVCBVBAVAB0000000000000V-VACVCAVBCVCBVBAVABVCAVACVCBVBCVABVBAV--VBAVBCVCAVBAVCBVCAVABVCBVACVABVBCVACV---VBCVBAVBAVCAVCAVCBVCBVABVABVACVACVBC其中，I～XII表示將三相輸入電源分為I～XII這12個區(qū)間，每個區(qū)間中的七個電壓等級V如表中所示，VCB、VAB、VCA等表示各個線電壓。所述的電壓等級V共有七個可能的電壓等級，按電壓從正值最大到負值最大分別為V+++、V++、V+、0、V-、V--和V---，其值取-3至+3，所述的預設(shè)邏輯判斷方式采用以下表格2表示：表2其中，符號D為0表示電流誤差e導數(shù)為負，符號D為1表示電流誤差e導數(shù)為正或零，每個位置比較結(jié)果參數(shù)為0或1，位置比較結(jié)果參數(shù)為1表示為電流誤差e大于等于預設(shè)電流滯環(huán)帶中的環(huán)電流，位置比較結(jié)果參數(shù)為0表示為電流誤差e小于預設(shè)電流滯環(huán)帶中的環(huán)電流。U1、U2、U3和U4分別表示電流誤差e分別與預設(shè)電流滯環(huán)帶中正外環(huán)、正內(nèi)環(huán)、負內(nèi)環(huán)和負外環(huán)相比較后的正負符號，若電流誤差e大于等于預設(shè)電流滯環(huán)帶中的環(huán)，則U為1，若電流誤差e小于預設(shè)電流滯環(huán)帶中的環(huán)，則U為0。即是：U1、U2、U3和U4值取1時分別表示電流誤差e大于等于正外環(huán)、大于等于正內(nèi)環(huán)、大于等于負內(nèi)環(huán)和大于等于負外環(huán)，U1、U2、U3和U4值取0時分別表示電流誤差e小于正外環(huán)、小于正內(nèi)環(huán)、小于負內(nèi)環(huán)和小于負外環(huán)。表2具體舉例說明表示情況：例如在符號D為0，U1+U2+U3+U4＝1，上一周期的電壓等級V為V++，根據(jù)表的第二行選擇的是相比上一周期升高一級，也就是選擇V+++作為此周期的電壓等級V；如符號D為0，U1+U2+U3+U4＝2，上一周期的電壓等級V為V-，根據(jù)表的第三行選擇的是與上一周期保持不變，也就是選擇V-作為此周期的電壓等級V。本發(fā)明所述的電機是連接在單邊矩陣變換器輸出端。所述電壓等級V與單邊矩陣變換器內(nèi)開關(guān)開閉的對應(yīng)關(guān)系采用以下公式表3示：表3其中，M表示中間相Mid的正負符號，M＝1表示中間相Mid為正或零，M＝0表示中間相Mid為負，最大相Max、中間相Mid和最小相Min分別表示當前周期下三相按電壓大小的分類。表3具體舉例說明表示情況：如果此時M＝1，要施加的電壓等級V是V+++，此時的最大相Max是A相、中間相Mid是B相、最小相Min是C相，那么輸入端也就是圖1中1、3、5號開關(guān)管側(cè)，根據(jù)第一行應(yīng)該導通對應(yīng)最大相Max的開關(guān)管，也就是A相的1號開關(guān)管；輸出端也就是圖1中2、4、6號開關(guān)管側(cè)，根據(jù)第一行應(yīng)該導通對應(yīng)最小相Min的開關(guān)管，也就是C相的6號開關(guān)管。本發(fā)明具體實施中是將三相指針化，三相分別為相A、相B和相C，在每個周期滯環(huán)控制時檢測三相電壓，判斷出最大相Max、中間相Mid及最小相Min，然后將最大相Max、中間相Mid、最小相Min分別賦值到對應(yīng)相。所述的備選電壓選擇方式采用以下表格4表示：表4其中，V+++、V++、V+、0、V-、V--和V---分別表示從正值最大到負值最大的七個可能的電壓等級V。表4具體舉例說明表示情況：如果此時要施加的電壓等級V是V---，但是對應(yīng)要導通的開關(guān)管發(fā)生故障無法開閉，那么就要使用第一備選電壓等級V’也就是V--，若對應(yīng)要導通的開關(guān)管沒有故障就直接導通該開關(guān)管即可，如果對應(yīng)要導通的開關(guān)管依然存在故障無法開閉，那么使用第二備選電壓等級V”也即是V-，導通對應(yīng)的開關(guān)管。本發(fā)明的雙帶控制可充分利用單邊矩陣變換器的電壓等級較多的特點，選取合適的電壓等級，使相電流更好的穩(wěn)定在滯環(huán)區(qū)間內(nèi)，實現(xiàn)控制目的。為實現(xiàn)功率開關(guān)故障開路時正常運行的能力，需要加入故障運行容錯控制方式。本發(fā)明控制方法中，當一個開關(guān)元件無法導通時，可用的電壓等級將由7個減少到5個，如果控制器最終選擇的電壓等級不在5個可用電壓等級之中，將有一時刻該相無電磁轉(zhuǎn)矩輸出，造成較大的轉(zhuǎn)矩波動。而如果能夠從5個可用電壓等級中選出一個與其接近的電壓等級，將可以大大減小轉(zhuǎn)矩波動，自動避開故障開關(guān)元件，實現(xiàn)帶故障容錯運行，從而保證電機可以輸出穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。因此在計算當前需要的電壓等級V時，同時計算出其鄰近的兩個電壓等級V’和V”。如果電壓等級V產(chǎn)生故障反饋信號，則采用第一備選電壓等級V’；如果第一備選電壓等級V’仍然產(chǎn)生故障反饋信號，則采用第二備選電壓等級V”。因為最多只有兩個電壓等級無效，所以第二備選電壓等級V”肯定是可用電壓等級，從而保證系統(tǒng)正常工作。由此，本發(fā)明假設(shè)所述的當前周期需連接的開關(guān)施加到單邊矩陣變換器后產(chǎn)生故障反饋信號，通過故障反饋信號獲得單邊矩陣變換器存在一個故障開關(guān)元件時，采用以下方式處理：a)由當前周期下的電壓等級V根據(jù)備選電壓選擇方式選擇獲得當前電壓等級V鄰近的兩個電壓等級，兩個電壓等級分別為第一備選電壓等級V’和第二備選電壓等級V”；b)將由第一備選電壓等級V’根據(jù)對應(yīng)關(guān)系獲得的當前周期需連接的開關(guān)施加到單邊矩陣變換器，若仍然產(chǎn)生故障反饋信號，繼續(xù)進行下一步驟；若未產(chǎn)生故障反饋信號，則不再繼續(xù)下一步驟；c)將由第二備選電壓等級V”根據(jù)對應(yīng)關(guān)系獲得的當前周期需連接的開關(guān)施加到單邊矩陣變換器?？梢姡景l(fā)明將電壓分為7個等級后，優(yōu)先輸出最優(yōu)電壓等級，并對開關(guān)元件的狀態(tài)進行實時檢測。檢測到開關(guān)故障(斷開)時，如果該最優(yōu)電壓等級與故障開關(guān)相關(guān)，即要導通的開關(guān)管出現(xiàn)故障，選取鄰近無故障開關(guān)的電壓等級代替進行電流控制，直到要導通的開關(guān)管無故障可以導通為止，從而降低轉(zhuǎn)矩波動，提高系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明雙帶控制方法可通過較多的電壓等級實現(xiàn)電流的精確控制，保證電機相電流穩(wěn)定在預設(shè)電流附近，因此控制精度較高；本發(fā)明控制方法中還具有容錯控制方法，可帶故障運行，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性很高，可以滿足航空等高要求應(yīng)用場合。附圖說明圖1是本發(fā)明實施例一相單邊矩陣變換器結(jié)構(gòu)圖。圖2是輸入電壓扇區(qū)劃分示意圖。圖3是有容錯控制的Double-Band電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖4是Double-Band容錯控制流程圖。圖5是電壓等級選擇模塊內(nèi)部邏輯。圖6是無故障狀況下的仿真結(jié)果。圖7是電機A相1號管有故障無容錯控制下的仿真結(jié)果。圖8是電機A相1號管有故障有容錯控制下的仿真結(jié)果。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明實施例及其工作原理過程如下：實施例選取一臺三相無刷直流電機及其控制系統(tǒng)進行說明。控制系統(tǒng)由速度控制器，電流滯環(huán)控制器，電壓等級選擇器，開關(guān)信號生成器和功率板組成，如圖3所示。速度控制器通過速度傳感器獲得電機的轉(zhuǎn)速實測值，經(jīng)過處理后得到參考電流的幅值，再根據(jù)參考轉(zhuǎn)速得到參考電流頻率，從而得到參考電流波形。參考電流波形與反饋電流比較后輸入電流滯環(huán)控制器。電流滯環(huán)控制器的工作原理為：預先設(shè)定兩個滯環(huán)寬度，內(nèi)環(huán)InnerBand和外環(huán)OuterBand。從而形成4個比較閾值+OuterBand，+InnerBand，-InnerBand和-OuterBand。分別將電流誤差e與4個參考值比較，如果e大于參考值，則將Ui設(shè)置為1，否則設(shè)置為0。得到U1,U2,U3,U4。并且對e求導，得到其導數(shù)的符號D。電流滯環(huán)控制器的輸出即是D和U1,U2,U3,U4。電壓等級選擇器的工作原理為：根據(jù)D和U1,U2,U3,U4的值決定下一時刻的電壓等級。當U1,U2,U3,U4都為零時，說明電機相電流過小，已經(jīng)低于-OuterBand，要讓相電流回到環(huán)帶內(nèi)，需要給相繞組施加最高電壓，即V+++。而U1,U2,U3,U4都為1時，說明相電流過大，已經(jīng)超過+OuterBand，要讓電流回到環(huán)帶內(nèi)，需要給相繞組施加最負電壓，即V---。具體的U1,U2,U3,U4、D和V的關(guān)系如表2所示。開關(guān)信號生成器的工作原理為：首先將ABC三相電源指針化，A相為1，B相為2，C相為3。通過三個比較器將ABC按照從大到小順序進行排序，并將對應(yīng)的指針賦值給max,mid,min三個輸出變量。然后再通過一個比較器，得到mid電壓的符號M。有了以上數(shù)據(jù)，就可以將電壓等級與電源相對應(yīng)起來，對應(yīng)關(guān)系如表3所示。已將ABC三相電源指針化，A相為1，B相為2，C相為3。A相的上橋臂的開關(guān)管編號為1也即2A-1，下橋臂開關(guān)管編號為2也即2A，同理，B、C兩相的上、下橋臂開關(guān)管均可如此表示。現(xiàn)已將三相指針分別賦值給max、mid和min，則max、mid和min相的上、下橋臂編號也可以此方法表示，如2max-1，2max等。比如現(xiàn)在要輸出V+++，則需導通max相的上橋臂和min相的下橋臂，則將編號為2max-1和2min的開關(guān)管的門信號置1即可，如此操作，按照表3將每種情況對應(yīng)的門信號輸出寫入程序即可。如圖5所示，三相電源可以依據(jù)大小分為12個區(qū)間，在每個區(qū)間內(nèi)，對應(yīng)的max、mid和min相保持不變。以第1區(qū)間為例，max相位C，mid相為A，min相為B，即max＝3、mid＝1、min＝2。若此時經(jīng)程序計算得應(yīng)輸出V+++，則應(yīng)將2max-1和2min開關(guān)管門信號置1，也就是令5號開關(guān)管和4號開關(guān)管導通，從而輸出V+++。當某一個電力電子開關(guān)因過熱等故障開路后，如果輸出的門信號中，正好要用到這個開關(guān)，將造成某一時刻電機相繞組開路。為解決這一問題，加入帶故障運行模塊。首先用傳感器采集所有開關(guān)的故障情況，反饋至開關(guān)信號生成器中；同時在電壓等級選擇器中不僅要計算出當前最佳的電壓等級，按照就近原則取出兩個次最佳的電壓等級備用。在開關(guān)信號生成器中增加檢測，如果開關(guān)信號與故障信號指示的開關(guān)相同，則調(diào)用其中一個備用電壓等級，再次檢測沖突；如果依然沖突，則調(diào)用另一個備用電壓等級。通過增加備份電壓等級，可以保證電機的電樞繞組不開路，盡量減少轉(zhuǎn)矩波動。具體備用電壓等級如表4所示假設(shè)還是在第1區(qū)間需要輸出V+++，但此時1號開關(guān)管發(fā)生開路故障無法導通，需要導通5號和4號開關(guān)管，所以直接將5號和4號的開關(guān)管門信號置1即可。若此時5號開關(guān)管發(fā)生開路故障，那么發(fā)生沖突，無法正常輸出V+++，需要輸出備用電壓等級1，也就是V++，需要將2mid-1和2min開關(guān)管門信號置1，也就是令1號開關(guān)管和4號開關(guān)管導通，無沖突發(fā)生，那么就按此方式輸出。如果是4號開關(guān)管發(fā)生開路故障無法導通，那么輸出V+++時發(fā)生沖突，備用電壓1V++也會發(fā)生沖突，那么就輸出備用電壓2V+，也就是將2max-1和2mid開關(guān)管門信號置1，即導通5號和2號開關(guān)管。圖6-8是轉(zhuǎn)速為2000r/min，額定轉(zhuǎn)矩是10Nm工況下個情況的仿真結(jié)果。很明顯有開關(guān)管發(fā)生故障無容錯控制時，電流的控制效果比正常情況下惡化很多，而有容錯控制后，電流的控制效果基本和正常情況下一致，體現(xiàn)了提出的容錯算法的卓越效果。由此可見通過本發(fā)明在任一時刻電壓被分為7個等級，雙帶滯環(huán)控制充分利用了單邊矩陣變換器可提供7個電壓等級的特點，當電流處于環(huán)帶不同位置時，靈活選取合適的電壓等級，使電流穩(wěn)定的保持在環(huán)帶內(nèi)部。由于可用電壓等級較多，單個開關(guān)出現(xiàn)故障時，可以調(diào)整控制邏輯，選取鄰近的無故障的電壓等級，從而進一步提高系統(tǒng)可靠度，優(yōu)化控制效果。當前第1頁1 2 3