极端工况过流过载容错保护方法、系统、控制器及介质

本发明涉及电机驱动系统保护控制，具体的说，是涉及极端工况过流过载容错保护方法、系统、控制器及介质。

背景技术：

1、由逆变器驱动的永磁同步电机、感应电机等具有功率密度高、动态响应快和调速范围宽的优点，广泛用于工业伺服、工程机械、航空电作动、泵压缩机以及电动交通装备；极端工况下，负载突加、机械卡滞、低温润滑阻力增大、高温散热能力下降、母线电压跌落或抬升以及弱磁区控制饱和，均可能使相电流在若干个开关周期内迅速增大，或者使电流虽未达到瞬时短路阈值但持续时间过长，从而引起功率器件结温和电机绕组温度超限。

2、现有过流保护通常采用硬件比较器、去饱和检测或固定电流阈值；当检测值越过阈值后，门极驱动器直接封锁脉冲；该方式响应快，适合短路保护，但固定阈值难以同时兼顾低温大转矩启动、短时冲击负载和高温冷却退化工况：阈值过低会造成频繁误停机，阈值过高又可能使器件在高温或连续过载时超过安全工作区。

3、因此，如何在极端工况如高低温、冷却退化、母线波动、负载冲击、传感器异常、功率开关局部故障等下，实现对电机驱动系统过流过载风险的多维度、多时间尺度预测与分级容错保护，在保证安全的前提下最大限度地维持系统可用性。

技术实现思路

1、为了克服固定阈值保护、单一温度降额和故障后直接停机的不足，本发明提供了极端工况过流过载容错保护方法、系统、控制器及介质，使驱动系统能够在短时冲击和局部可容错故障下保持受限输出，在风险不可控时快速、平滑地进入安全状态。

2、本发明技术方案如下所述：

3、第一方面，本发明提供一种极端工况下电机驱动过流过载容错保护方法，包括以下步骤：

4、s1，采集电机驱动系统的多源运行变量和硬件故障标志，所述多源运行变量至少包括相电流、直流母线电流、直流母线电压、转子位置或转速、功率器件温度或散热器温度以及电机温度中的多项；

5、s2，分别基于相电流测量支路、直流母线电流与开关状态重构支路以及电机离散模型预测支路获得候选电流状态，根据候选电流状态之间的残差和所述硬件故障标志计算各候选电流状态的可信度，并融合得到容错电流状态；

6、s3，基于所述容错电流状态和表征环境温度、冷却状态、母线波动、转速及负载突变程度的极端工况变量，对未来预设时域内的电流峰值、功率器件结温、电机绕组温度以及累积电热损伤中的至少三项进行预测，获得对应的安全裕度；

7、s4，根据所述安全裕度计算动态安全电流包络，并由所述动态安全电流包络、电压约束、退磁约束和相电流约束构成可行电流域；

8、s5，根据电流变化率、预测安全裕度、候选电流状态可信度及硬件故障标志判别故障类型和风险等级；

9、s6，按照所述风险等级对应执行保护动作，包括选择参考电流向所述可行电流域投影、转矩指令斜率限制、逐周期脉冲钳位、用备用观测支路替代故障传感器的测量支路、故障开关矢量重构、功率器件软关断以及主动短路或全桥关断中的至少一种保护动作，使电机驱动系统在满足安全约束的条件下保持运行或进入安全状态；

10、s7，在故障风险降低后，依据低于触发阈值的恢复阈值、最小驻留时间和累积电热损伤的恢复阈值执行分级恢复。

11、作为一种优选的实施方式，所述可信度通过以下方式获得：

12、对每一相或每一坐标轴电流，计算测量电流与模型预测电流之间的第一残差、测量电流与直流母线重构电流之间的第二残差以及模型预测电流与直流母线重构电流之间的第三残差；根据各残差的滑动均方值、变化率和硬件故障标志形成健康标志；

13、当检测到偏置故障时，所述残差的滑动均值发生偏移；当检测到增益故障时，所述残差的滑动均方值随电流幅值呈比例变化；

14、当检测到断线故障时，所述残差的滑动均方值持续超出上限且变化率趋近于零；将所述健康标志与残差衰减函数相乘并归一化，得到各候选电流状态的可信度权重。

15、作为一种优选的实施方式，

16、多时间尺度包括快速电气层、器件热层和电机热层；

17、在快速电气层，采用电机离散模型对未来h个pwm周期的电流峰值和变化率进行滚动预测，所述电机离散模型采用旋转坐标系电压方程或静止坐标系磁链方程，当电机参数随温度变化时，利用在线辨识的定子电阻、等效电感或磁链参数更新所述电机离散模型；

18、在器件热层，通过导通损耗、开关损耗和至少一阶热阻热容网络在线迭代获得功率器件结温预测值；

19、在电机热层，通过铜耗、铁耗、环境温度和冷却状态驱动的集总参数热网络在线迭代获得电机绕组温度预测值；所述累积电热损伤至少包括按时间衰减的i2t损伤量和温度循环损伤量；所述快速电气层的更新周期为50μs至200μs，所述器件热层的更新周期为0.5ms至2ms，所述电机热层的更新周期为5ms至20ms。

20、作为一种优选的实施方式，所述动态安全电流包络满足：

21、

22、其中，iele为功率回路瞬时电流限值，itj为由功率器件结温裕度反解得到的电流限值，iw为由绕组温度裕度反解得到的电流限值，ipm为由永磁体退磁裕度得到的电流限值，ibus为由直流母线能量约束得到的电流限值，kext为极端工况修正系数，kh为由传感器、功率器件和冷却系统健康状态得到的健康修正系数；所述极端工况修正系数kext由极端工况指数χext映射得到，所述极端工况指数χext通过以下归一化加权方式计算：

23、

24、其中δtenv为环境或冷却介质温度偏差归一化值，δflow为冷却流量或风量衰减归一化值，δudc为直流母线电压偏差归一化值，ωn为转速归一化值，dtload/dt为负载转矩变化率归一化值，nover为连续过载次数归一化值，至为对应的权重系数；

25、将原始d轴和q轴电流指令投影到所述可行电流域时，以电流指令偏差最小、输出转矩损失最小及电热损耗增量最小中的至少两项作为优化目标，并对相电流峰值、逆变器可用电压、永磁体退磁边界和功率器件结温预测值设置约束。

26、作为一种优选的实施方式，所述风险等级至少包括正常级、瞬态过载容忍级、持续过载抑制级、降级容错运行级和安全停机级；各风险等级的进入阈值和退出阈值采用以下方式标定：以电流越界风险、结温风险、绕组风险、损伤风险、传感器可信度风险和硬件故障风险中的最大值或加权融合值作为综合风险指标r，设定l1进入阈值r1、l2进入阈值r2、l3进入阈值r3、l4进入阈值r4，且r1

27、作为一种优选的实施方式，当相电流传感器的可信度低于预设可信度阈值而功率回路未出现硬件短路标志时，切除对应测量支路，将直流母线重构电流和电机模型预测电流作为闭环反馈，根据所述可信度的降低程度相应降低所述动态安全电流包络，使电机以受限转矩继续运行；当识别到单个功率开关开路、单相断线或单相电流不可控且驱动拓扑具有剩余可控开关状态时，从预先建立的故障拓扑开关矢量集合中选择使预测电流误差、转矩脉动和器件热不平衡的加权代价最小的开关矢量，并降低转矩上限；所述故障拓扑开关矢量集合的构建方法为：根据当前故障类型，从完整拓扑的开关矢量空间中剔除不可用矢量，保留剩余可控矢量，并按照各矢量在不同转子位置下的电流输出能力建立候选矢量集合。

28、具体的，所述故障拓扑开关矢量集合通过以下方式预先建立：根据当前故障类型，从完整拓扑的开关矢量空间中剔除不可用矢量，保留剩余可控矢量，并按照各矢量在不同转子位置下的电流输出能力建立候选矢量集合。

29、作为一种优选的实施方式，当识别到短路、直通、控制失稳或预测结温将在保护时域内越界时，先由门极驱动器执行分阶段软关断以限制di/dt与关断过压；随后根据电机转速、反电动势、直流母线电压和主动短路预测电流选择安全状态；

30、当电机转速低于预设转速阈值且反电动势低于直流母线电压的安全阈值时，选择全桥关断自由滑行，并请求切断上级电源；

31、当电机转速高于预设转速阈值或存在母线回灌风险时，若主动短路预测电流低于所述动态安全电流包络，则选择上桥臂主动短路或下桥臂主动短路；

32、当电机转速高于所述预设转速阈值或存在母线回灌风险，且主动短路预测电流超出所述动态安全电流包络、系统配置有制动电阻或能量吸收支路时，选择受控零矢量与制动电阻协同耗能；

33、所述分级恢复包括：在所有安全裕度连续大于恢复裕度且硬件自检通过后，先以预设斜率增大动态安全电流包络，再解除转矩斜率限制；若累积电热损伤未下降至恢复阈值，则保持降额运行或禁止再启动。

34、其中，所述分阶段软关断包括三个阶段：第一阶段在0.5μs至2μs内将门极电压降至米勒平台电压；第二阶段在2μs至10μs内以不高于10v/μs的电压变化率将门极电压从米勒平台电压降至阈值电压以下；第三阶段在5μs至20μs内将门极电压完全关断至零。

35、第二方面，本发明提供一种极端工况下电机驱动过流过载容错保护系统，用于执行所述的一种极端工况下电机驱动过流过载容错保护方法，包括：

36、信号采集模块，用于采集电机驱动系统的多源运行变量和硬件故障标志；

37、冗余电流观测模块，用于分别基于相电流测量支路、直流母线电流与开关状态重构支路以及电机离散模型预测支路获得候选电流状态，根据候选电流状态之间的残差和所述硬件故障标志计算各候选电流状态的可信度，并融合得到容错电流状态；

38、多时间尺度风险预测模块，用于基于所述容错电流状态和极端工况变量，对未来预设时域内的电流峰值、功率器件结温、电机绕组温度以及累积电热损伤进行预测，获得对应安全裕度；

39、动态安全包络计算模块，用于根据所述安全裕度计算动态安全电流包络，并由所述动态安全电流包络、电压约束、退磁约束和相电流约束构成可行电流域；

40、风险分级模块，用于根据电流变化率、预测安全裕度、候选电流状态可信度及硬件故障标志判别故障类型和风险等级；

41、容错动作模块，用于按照所述风险等级执行相应的保护动作；

42、恢复管理模块，用于在故障风险降低后执行分级恢复。

43、第三方面，本发明提供一种电机控制器，包括处理器、存储器、门极驱动接口和电流电压采样接口，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器执行时，能够实现前述极端工况下电机驱动过流过载容错保护方法。

44、第四方面，本发明提供一种计算机可读介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行所述极端工况下电机驱动过流过载容错保护方法。

45、根据上述方案的本发明，其有益效果在于：

46、本发明提供的一种极端工况下电机驱动过流过载容错保护方法，利用多路候选电流融合得到容错电流状态，降低传感器异常对保护控制的不利影响；基于极端工况变量预测多项电热指标并构建动态可行电流域，突破传统固定阈值、单一温度降额方案的局限，自适应适配负载冲击、母线波动、高低温及冷却退化工况；通过多维度信息判别故障类型与风险等级，分级选用不同保护动作，优先维持系统受限输出，风险超限后平滑切换至安全状态，克服现有方案故障后直接停机的弊端；同时配套分级恢复机制，抑制保护阈值附近频繁跳变，在约束累积电热损伤、保障器件与电机安全工作区间的前提下，显著提升电机驱动系统在复杂极端工况下的运行可用性；

47、通过相电流测量、直流母线重构和模型预测三支路的可信度融合，在单个电流传感器偏置、饱和或断线时仍能维持电流闭环，并把估计不确定度直接用于收紧安全电流包络；将瞬时电气安全、功率器件结温、电机绕组温度、永磁体退磁和累积损伤统一为动态安全电流包络，可在高低温、冷却退化和连续冲击下自适应改变允许过载能力；通过可行电流域投影和分级动作，优先保留可用转矩，避免遇到短时冲击即停机，同时在持续过载阶段平滑降额，降低热冲击和转矩突变；对传感器故障、单相断线或开关开路等局部故障实施降级容错控制，提高安全关键设备的任务连续性；对不可容错短路则由硬件快速保护和软件安全状态选择协同响应；采用进入/退出不同阈值、最小驻留时间和损伤记忆，减少保护状态频繁切换，防止故障清除后立即满载造成二次过流。