阅读说明：本技术 一种电机串联方式容错系统及控制方法 (Motor series mode fault-tolerant system and control method ) 是由 李伟华 王炜 罗黎明 赵国璋 马义波 董建威 赵宇 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明一种电机串联方式容错系统及控制方法,对三台直流电机中的故障对象进行组合和分类,并采取对应的容错控制律,每一种故障类型对应一种容错控制律,可以得到处于该故障类型时的最佳容错控制方式,并将三路信号变为四路信号,以便于求出各自的偏差；根据偏差的变化情况来调节滞环控制器的输出,同时,滞环控制器的带宽可以改变功率开关管的通断频率；将滞环控制器输出的方波信号通过PWM转换为高低电平信号,进而控制控制功率开关管的开端,通过滞环控制和PWM将电机的实际转矩控制在给定范围内,避免系统在出现故障时由于转矩或电流过大出现更严重的故障问题；保证电机系统的稳定运行。(The invention relates to a fault-tolerant system and a control method for a motor series connection mode, which are used for combining and classifying fault objects in three direct current motors and adopting corresponding fault-tolerant control laws, wherein each fault type corresponds to one fault-tolerant control law, so that the optimal fault-tolerant control mode in the fault type can be obtained, and three signals are changed into four signals so as to conveniently obtain respective deviation; the output of the hysteresis controller is adjusted according to the variation condition of the deviation, and meanwhile, the bandwidth of the hysteresis controller can change the on-off frequency of the power switch tube; the square wave signal output by the hysteresis controller is converted into a high-low level signal through PWM (pulse-width modulation), so that the starting end of a power switching tube is controlled, the actual torque of the motor is controlled within a given range through the hysteresis control and the PWM, and the problem that the system has more serious faults due to overlarge torque or current when the system has faults is avoided; and the stable operation of the motor system is ensured.)

一种电机串联方式容错系统及控制方法

技术领域

本发明属于多电机控制技术领域，具体涉及一种电机串联方式容错系统及控制方法。

背景技术

近年来，多直流电机控制及驱动技术已成为一项重要的研究领域，它能完成许多单直流电机无法完成的复杂工作，随着各企业对多直流电机控制技术的提高以及电力电子技术、数字控制技术的发展，电机系统的故障检测、诊断、故障处理、容错控制成为了一项热点研究内容，容错控制技术主要可以分为两类，即被动容错控制和主动容错控制，被动容错控制主要通过提高系统自身的抗干扰性来实现，主动容错控制是通过调整控制器结构、参数的方法来实现系统稳定。相比于无刷直流电机和永磁同步电机，多直流电机的容错控制技术较少，但是随着多直流电机控制及驱动技术的不断创新，直流电机的优势也逐渐展现出来，不少学者开始对多直流电机系统进行研究。目前多直流电机系统的故障主要分为两大类，即逆变器故障和电机故障，当多直流电机系统发生故障时，为了避免系统出现骤停或者不稳定的情况，需要保证系统具有一定的容错性能，提高系统的鲁棒性，因此容错控制技术变得十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机串联方式容错系统和方法，用以解决如何提高多直流电机系统的容错性能。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种电机串联方式容错控制方法，包括以下步骤：

步骤1，设定三台直流电机参考转速，获取三台直流电机的实际转速，获取三台直流电机的电枢电流，分别计算三台直流电机参考转速与实际转速的偏差，经过PI控制算法生成三路参考电流；

步骤2，对电机系统的运行状态进行检测，判断电路系统是否有故障，若有故障发生，判断电机系统的故障类型和故障发生位置；

步骤3，根据检测得到的故障类型对电机系统采取相对应的容错控制律，并计算该容错控制律对应的四路参考转矩和四路反馈转矩；

步骤4，计算四路参考转矩和四路反馈转矩的偏差，并将该偏差值作为四路滞环控制器的输入，并输出四路方波信号；

步骤5，经过PWM信号逻辑生成函数将四路滞环控制器输出的四路方波信号变为八路两两互补的电平信号，作为四桥臂容错逆变器的功率开关管的控制信号，用以实现三直流电机系统的稳定运行。

优选地，步骤2中，故障类型F＝0、1、2、3、4、5、6，其中，F＝0表示三台直流电机正常运行；F＝1表示只有电机A发生故障；F＝2表示只有电机B发生故障；F＝3表示只有电机C发生故障；F＝4表示电机A和电机B同时发生故障；F＝5表示电机B和电机C同时发生故障；F＝6表示电机A和电机C同时发生故障。

优选地，步骤3中，根据检测得到的故障类型对电机系统采取相对应的容错控制律，具体方法是：

当只有电机A发生故障，容错控制的错误类型为F＝1，容错控制系统采取F＝1时的容错控制律；

当只有电机B发生故障，容错控制的错误类型为F＝2，容错控制系统采取F＝2时的容错控制律；

当只有电机C发生故障，容错控制的错误类型为F＝3，容错控制系统采取F＝3时的容错控制律；

当电机A和电机B同时发生故障，容错控制的错误类型为F＝4，容错控制系统采取F＝4时的容错控制律；

当电机B和电机C同时发生故障，容错控制的错误类型为F＝5，容错控制系统采取F＝5时的容错控制律；

当电机A和电机C同时发生故障，容错控制的错误类型为F＝6，容错控制系统采取F＝6时的容错控制律；

当电机A、电机B和电机C同时发生故障，四桥臂容错逆变器的所有功率开关管均不导通，三台直流电机均处于停止运行状态。

优选地，计算该容错控制律对应的四路参考转矩和四路反馈转矩，具体方法是：

根据速度环的输出通过容错控制策略的参考转矩合成算法变为四路参考转矩；三台直流电机的电枢电流I₁、I₂、I₃通过容错控制策略的反馈转矩合成算法变为四路反馈转矩。

优选地，当F＝0时，

当F＝1时，

当F＝2时，

当F＝3时，

当F＝4时，

当F＝5时，

当F＝6时，

其中为参考转矩对应的直流电机转矩常数,k₁，k₂，k₃为反馈转矩对应的直流电机转矩常数，且

优选地，步骤4中，计算四路参考转矩和四路反馈转矩的偏差，具体方法是：

将该偏差值作为四路滞环控制器的输入，并输出四路方波信号，具体方法是：

令u_i为四路滞环控制器的输入，且i＝1,2,3,4，为滞环控制器输入的阈值上限，为滞环控制器输入的阈值下限，u_max为滞环控制器的输出上限，u_min为滞环控制器的输出下限，滞环控制器的逻辑生成函数如下：

其中，P表示上一次比较后滞环控制器的输出。

优选地，步骤5中，将四路滞环控制器输出的四路方波信号变为八路两两互补的电平信号，作为四桥臂容错逆变器的功率开关管的控制信号，具体方法是：

首先，将四路滞环控制器的输出经过PWM信号逻辑生成函数生成四路电平信号，具体地：

令Q＝1、Q＝0分别表示PWM输出高电平和低电平，定义高电平为有效电平，进而控制功率开关管导通，低电平为无效电平，控制功率开关管断开，则Z_i＝Z₁，Z₂，Z₃，Z₄的PWM逻辑生成函数为：

其次，将PWM逻辑生成函数输出的四路电平信号，经过主控制器处理得到八路两两互补的电平信号，分别是Z₁₁、Z₁₂、Z₂₁、Z₂₂、Z₃₁、Z₃₂、Z₄₁、Z₄₂；

最后，将Z₁₁、Z₁₂分别输入到a桥臂S1、S5的栅极；将Z₂₁、Z₂₂分别输入到b桥臂S2、S6的栅极；将Z₃₁、Z₃₂分别输入到c桥臂S3、S7的栅极；将Z₄₁、Z₄₂分别输入到d桥臂S4、S8的栅极。

一种电机串联方式容错系统，采用所述的容错控制方法，包括四桥臂容错逆变器、直流电机、主控制器和供电电源，其中，直流电机设置有三台，所述三台直流电机串接连接，且三台直流电机均与四桥臂容错逆变器电连；三台直流电机均与主控制器连接，同时，主控制器与四桥臂容错逆变器连接。

优选地，四桥臂容错逆变器包括功率开关管、双向晶闸管、快速熔断丝和直流电源DC，其中，功率开关管设置有八个，分别是功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管

S₃、功率开关管S₄、功率开关管S₅、功率开关管S₆、功率开关管S₇和功率开关管S₈；双向晶闸管设置有四个，分别是双向晶闸管TR₁、TR₂、TR₃和TR₄；快速熔断丝设置有八个，分别是快速熔断丝F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆、F₇和F₈；直流电源DC设置有一个；具体地：

功率开关管S₁、S₂、S₃和S₄的源极分别与快速熔断丝F₁、快速熔断丝F₂、快速熔断丝F₃和快速熔断丝F₄连接，快速熔断丝F₁、快速熔断丝F₂、快速熔断丝F₃和快速熔断丝F₄的公共端与电源DC正极连接；

功率开关管S₅、功率开关管S₆、功率开关管S₇和功率开关管S₈的漏极分别与快速熔断丝F₅、快速熔断丝F₆、快速熔断丝F₇和快速熔断丝F₈连接，快速熔断丝F₅、快速熔断丝F₆、快速熔断丝F₇和快速熔断丝F₈的公共端与电源DC负极连接；

功率开关管S₁的漏极和功率开关管S₅的源极均与双向晶闸管TR₁的一端连接；功率开关管S₂的漏极和功率开关管S₆的源极均与双向晶闸管TR₂的一端连接；功率开关管S₃的漏极和功率开关管S₇的源极均与双向晶闸管TR₃的一端连接功率开关管S₄的漏极和功率开关管S₈的源极均与双向晶闸管TR₄的一端连接；

其中，三台直流电机分别是第一直流电机、第二直流电机和第三直流电机，第一直流电机的正极与双向晶闸管TR₁的另一端相连，第一直流电机负极和第二直流电机的正极均与双向晶闸管TR₂的另一端相连，第二直流电机负极和第三直流电机的正极均与双向晶闸管TR₃的另一端相连，第三直流电机的负极与双向晶闸管TR₄的另一端相连。

优选地，所述主控制器包括容错控制策略模块、滞环控制器、PWM信号逻辑生成函数模块和主控单元，其中，所述滞环控制器中载入有逻辑生成模块，所述容错控制策略模块用于生成电机系统的容错控制律，之后通过容错控制律生成四路参考转矩与四路反馈转矩，并计算四路参考转矩与四路反馈转矩的偏差，之后将该偏差作为滞环控制器的输入；所述滞环控制器中用于根据接收到的偏差值生成滞环控制器的PWM输出信号，并将输出值传输到PWM信号逻辑生成函数模块；所述PWM信号逻辑生成函数模块用于将接收到的PWM输出信号生成四路电平信号；所述主控单元用于将接收到的四路电平信号生成八路两两互补的电平信号。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种电机串联方式容错控制方法，能够使系统在某台直流电机故障时具有一定的容错控制能力，并保证系统的稳定运行；对三台直流电机中的故障对象进行组合和分类，并采取对应的容错控制律，每一种故障类型对应一种容错控制律，可以得到处于该故障类型时的最佳容错控制方式，并将三路信号变为四路信号，以便于求出各自的偏差；根据偏差的变化情况来调节滞环控制器的输出，输出正值表示需要增加转矩，输出负值表示需要减小转矩，使反馈转矩在参考转矩的上下范围内波动，同时，滞环控制器的带宽可以改变功率开关管的通断频率；将滞环控制器输出的方波信号通过PWM转换为高低电平信号，即输出正值转为高电平，输出负值转为低电平，且高电平为有效电平，控制功率开关管的导通，低电平为无效电平控制功率开关管的关断，通过滞环控制和PWM将电机的实际转矩控制在给定范围内，避免系统在出现故障时由于转矩或电流过大出现更严重的故障问题。

进一步的，对应容错控制律的四路参考转矩作为滞环控制的目标值，四路反馈转矩作为滞环控制的实际值，使实际值紧跟目标值变化。

本发明提供的一种电机串联方式容错系统，能够使系统在某台直流电机故障时具有一定的容错控制能力，能够控制三台直流电机的转速和转矩并紧跟参考值变化。

综上所述，本发明提出了一种电机串联方式容错系统的控制系统及控制方法，给出了三台直流电机中任意一台或两台出现故障时的容错控制策略，并保证电机系统的稳定运行。

附图说明

图1为本发明四桥臂容错逆变器电路图；

图2为本发明控制方法流程示意图；

图3为本发明控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图3，本发明提供的一种电机串联方式容错系统，包括四桥臂容错逆变器、直流电机、主控制器和供电电源，其中，直流电机设置有三个，所述三个直流电机串接连接，且三个直流电机均与四桥臂容错逆变器电连；三个直流电机均与主控制器连接，同时，主控制器与四桥臂容错逆变器连接。

所述主控制器用于采集三台直流电机的运行状态信息，并根据检测到的运行状态信息进行内部处理，包括电机转速读取、采样电流处理、容错控制策略、PID控制算法、滞环控制算法、PWM输出等功能，其中，输出的八路电平信号用于控制四桥臂容错逆变器的八个功率开关管的导通和关断，从而改变四路桥臂的中点电压，进而控制三台直流电机的转速和转矩，实现控制三台直流电机的启停。

三台直流电机分别是第一直流电机A、第二直流电机B和第三直流电机C。

主控制器包括容错控制策略模块、滞环控制器、PWM信号逻辑生成函数模块和主控单元，其中，所述滞环控制器中载入有逻辑生成模块，其中，所述容错控制策略模块用于生成电机系统的容错控制律，所述容错控制律包括参考转矩合成算法和反馈转矩合成算法，通过容错控制律生成四路参考转矩与四路反馈转矩，计算四路参考转矩与四路反馈转矩的偏差，并将该偏差作为滞环控制器的输入；所述滞环控制器中的逻辑生成模块用于根据接收到的偏差值生成滞环控制器的PWM输出信号，并将输出值传输到PWM信号逻辑生成函数模块；所述PWM信号逻辑生成函数模块用于将接收到的PWM输出信号生成四路电平信号；所述主控单元用于将接收到的四路电平信号生成八路两两互补的电平信号。

请参阅图1，四桥臂容错逆变器包括功率开关管、双向晶闸管、快速熔断丝和直流电源DC，其中，功率开关管设置有八个，分别是功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃、功率开关管S₄、功率开关管S₅、功率开关管S₆、功率开关管S₇和功率开关管S₈；双向晶闸管设置有四个，分别是双向晶闸管TR₁、TR₂、TR₃和TR₄；快速熔断丝设置有八个，分别是快速熔断丝F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆、F₇和F₈；直流电源DC设置有一个；具体地：

功率开关管S₁、S₂、S₃和S₄的源极分别与快速熔断丝F₁、快速熔断丝F₂、快速熔断丝F₃和快速熔断丝F₄连接，快速熔断丝F₁、快速熔断丝F₂、快速熔断丝F₃和快速熔断丝F₄的公共端与电源DC正极连接；

功率开关管S₅、功率开关管S₆、功率开关管S₇和功率开关管S₈的漏极分别与快速熔断丝F₅、快速熔断丝F₆、快速熔断丝F₇和快速熔断丝F₈连接，快速熔断丝F₅、快速熔断丝F₆、快速熔断丝F₇和快速熔断丝F₈的公共端与电源DC负极连接；

功率开关管S₁的漏极和功率开关管S₅的源极均与双向晶闸管TR₁的一端连接；功率开关管S₂的漏极和功率开关管S₆的源极均与双向晶闸管TR₂的一端连接；功率开关管S₃的漏极和功率开关管S₇的源极均与双向晶闸管TR₃的一端连接功率开关管S₄的漏极和功率开关管S₈的源极均与双向晶闸管TR₄的一端连接；

第一直流电机A、第二直流电机B、第三直流电机C采用首尾串联的连接方式，即第一直流电机A的正极与双向晶闸管TR₁的另一端相连，第一直流电机A负极和第二直流电机B的正极均与双向晶闸管TR₂的另一端相连，第二直流电机B负极和第三直流电机C的正极均与双向晶闸管TR₃的另一端相连，第三直流电机C的负极与双向晶闸管TR₄的另一端相连。

一个四桥臂容错逆变器，三台直流电机，一个进行数据计算、控制设计、PWM输出的STM32主控制器，一个给三台直流电机供电的直流电源以及相关硬件电路，系统软件包括容错控制策略、滞环控制器及其逻辑生成函数、PWM信号逻辑生成函数。

请参阅图2，本发明提供的一种电机串联方式容错控制方法，包括以下步骤：

步骤1、对直流电机系统初始化；设定三台直流电机参考转速获取三台直流电机的实际转速ω₁、ω₂、ω₃，获取三台直流电机的电枢电流I₁、I₂、I₃，分别计算三台直流电机参考转速与实际转速的偏差，经过PI控制算法生成三路参考电流

步骤2、通过现有故障检测技术检测三台直流电机中哪台电机出现故障，根据故障电机的不同分为不同的故障类型；

步骤3、根据检测的故障类型对电机系统采取最合适的容错控制律，即容错控制策略的控制规律，生成四路参考转矩和四路反馈转矩，四路参考转矩分别是参考转矩T_ref1、参考转矩T_ref2、参考转矩T_ref3和参考转矩T_ref4；四路反馈转矩分别是反馈转矩T_fb1、反馈转矩T_fb2、反馈转矩T_fb3和反馈转矩T_fb4；

步骤4、计算四路参考转矩T_ref1、T_ref2、T_ref、T_ref4和四路反馈转矩T_fb1、T_fb2、T_fb3、T_fb4的偏差，并将该偏差值作为四路滞环控制器的输入，并输出四路方波信号Z₁，Z₂，Z₃，Z₄；

步骤5、经过PWM信号逻辑生成函数将四路滞环控制器输出的四路方波信号Z₁，Z₂，Z₃，Z₄变为八路两两互补的电平信号，作为四桥臂容错逆变器的功率开关管的控制信号，从而实现三直流电机系统的稳定运行。

请参阅图3，电机串联方式容错系统在电流、转矩双闭环控制结构中加入容错控制策略，电机串联方式容错系统的容错控制策略只适合于直流电机故障的情况下，当发生直流电机故障以外的故障时，四桥臂容错逆变器的快速熔断丝和双向晶闸管会起到保护电路的作用，防止由于出现容错控制策略以外故障时而损坏四桥臂容错逆变器或者直流电机。

分析系统在直流电机侧可能出现的故障类型，分别计算出系统发生某种故障时所需的合适的容错控制律，每一种容错控制律包括一个参考转矩合成算法和一个反馈转矩合成算法，全部存储在STM32主控制器中，在系统运行过程中，一旦发生故障，则根据故障类型选择最合适的容错控制律。

步骤2中，电机系统的故障类型的具体为：

故障类型F＝0、1、2、3、4、5、6，其中F＝0表示三台直流电机正常运行，F＝1表示只有电机A发生故障，F＝2表示只有电机B发生故障，F＝3表示只有电机C发生故障，F＝4表示电机A和电机B同时发生故障，F＝5表示电机B和电机C同时发生故障，F＝6表示电机A和电机C同时发生故障，当电机A、电机B、电机C同时发生故障时，则驱动系统将全部停止运行即不需要进行容错控制。

直流电机故障的所有情况及采取的控制策略如下：

当只有电机A发生故障，容错控制的错误类型为F＝1，容错控制系统采取F＝1时的容错控制律；

当只有电机B发生故障，容错控制的错误类型为F＝2，容错控制系统采取F＝2时的容错控制律；

当只有电机C发生故障，容错控制的错误类型为F＝3，容错控制系统采取F＝3时的容错控制律；

当电机A和电机B同时发生故障，容错控制的错误类型为F＝4，容错控制系统采取F＝4时的容错控制律；

当电机B和电机C同时发生故障，容错控制的错误类型为F＝5，容错控制系统采取F＝5时的容错控制律；

当电机A和电机C同时发生故障，容错控制的错误类型为F＝6，容错控制系统采取F＝6时的容错控制律；

当电机A、电机B和电机C同时发生故障，四桥臂容错逆变器的所有功率开关管均不导通，三台直流电机均处于停止运行状态。

步骤3中，电机系统的各个故障所对应的容错控制律具体是：

根据速度环的输出通过容错控制策略的参考转矩合成算法变为四路参考转矩T_ref1、T_ref2、T_ref、T_re；三台直流电机的电枢电流I₁、I₂、I₃通过容错控制策略的反馈转矩合成算法变为四路反馈转矩T_fb1、T_fb、T_fb3、T_fb。

具体的参考转矩合成算法及反馈转矩合成算法如下：

结合速度环的输出和三台直流电机的电枢电流I₁、I₂、I₃，再根据系统故障类型采取对应的参考转矩合成算法和反馈转矩合成算法，四路参考转矩为T_ref1、T_ref2、T_ref3、T_ref4，四路反馈转矩为T_fb1、T_fb2、T_fb3、T_fb4，具体方法如下：

当F＝0时，

当F＝1时，

当F＝2时，

当F＝3时，

当F＝4时，

当F＝5时，

当F＝6时，

其中为参考转矩对应的直流电机转矩常数,k₁，k₂，k₃为反馈转矩对应的直流电机转矩常数，且

四路参考转矩与四路反馈转矩的偏差公式如下：

令u_i为四路滞环控制器的输入，且i＝1,2,3,4，为滞环控制器输入的阈值上限，为滞环控制器输入的阈值下限，u_max为滞环控制器的输出上限，u_min为滞环控制器的输出下限，滞环控制器的逻辑生成函数如下：

其中，P表示上一次比较后滞环控制器的输出。

首先，四路滞环控制器的输出经过PWM信号逻辑生成函数生成四路电平信号，具体方法和对应关系如下：

令Q＝1、Q＝0分别表示PWM输出高电平和低电平，定义高电平为有效电平，进而控制功率开关管导通，低电平为无效电平，控制功率开关管断开，则Z_i＝Z₁，Z₂，Z₃，Z₄的PWM逻辑生成函数为：

其次，根据PWM逻辑生成函数得到的四路逻辑信号，经过型号为STM32的主控单元处理后，每一路逻辑信号分别输出两路互补的电平信号，八路电平信号分别为Z₁₁、Z₁₂、Z₂₁、Z₂₂、Z₃₁、Z₃₂、Z₄₁、Z₄₂。

最后，将Z₁₁、Z₁₂分别输入到a桥臂S1、S5的栅极；将Z₂₁、Z₂₂分别输入到b桥臂S2、S6的栅极；将Z₃₁、Z₃₂分别输入到c桥臂S3、S7的栅极；将Z₄₁、Z₄₂分别输入到d桥臂S4、S8的栅极。

本发明可以应用于大型机械设备的牵引电机系统中，例如石油钻机、轧钢机、矿用机等，具有牵引力大、运行平稳、控制结构简单、高效节能等优点。

综上所述，本发明能够使四桥臂容错逆变器三直流电机驱动系统在发生电机故障时具有一定的容错控制能力，能够实现三直流电机串联方式的独立四象限运行，能够提高控制系统的稳定性和响应速度。

以上所述仅表示本发明的优选实施方式，任何人在不脱离本发明的原理下而做出的结构变形、改进和润饰等，这些变形、改进和润饰等均视为在本发明的保护范围内。