基于模型预测控制的矩阵变换器电机驱动系统故障诊断与容错控制研究

Matrix converter has excellent characteristics such as low harmonic distortion rate, high efficiency and high power density, which will make them widely used in the field of the motor drive. To solve the severe damage caused by open circuit fault and sensor failure to the matrix converter motor drive system, this project intends to study the critical theoretical techniques of fast fault diagnosis and optimal fault tolerant control, to improve system safety and reliability. In the case of the open circuit fault and sensor fault, first, the identifiable conditions and fault tolerance conditions of the system fault are established. Then, under the premise of not increasing system complexity, volume and cost, a model predictive control is used to have the known and unchanged switching state in a sampling period, and a fast and robust fault diagnosis method is proposed. Finally, a fault tolerant strategy based on model predictive control is proposed to achieve fault tolerant operation with optimal performance, and the control framework can be consistent before and after the fault, ensuring seamless switching of the system. The implementation of this project will lay a theoretical foundation for promoting the industrialization process of matrix converter motor drive system.

矩阵变换器具有低谐波畸变率、高效率和高功率密度等优良特性，在电机驱动领域具有广阔的应用前景。为了解决开关开路故障和传感器故障给矩阵变换器电机驱动系统带来的严重危害，本项目拟研究快速故障诊断与最优容错控制的关键理论技术，从而提高系统安全性和可靠性。针对开关开路故障和传感器故障，建立系统故障的可辨识条件和容错条件。然后，在不增加系统复杂性、体积和成本的前提下，充分利用模型预测控制一个采样周期中开关状态固定的特征，提出一种快速、鲁棒的故障诊断方法。最后，提出一种基于模型预测控制的故障容错策略，实现性能最优的故障容错运行，且可使故障前后控制框架一致，保证了系统的无缝切换。本项目的实施将为推进矩阵变换器电机驱动系统的工业化进程奠定理论基础。

矩阵变换器具有正弦输入输出电流、输入功率因数可控、能量双向流动、无中间储能环节和功率密度高等特性。因此，在要求低谐波畸变率、高功率密度和高可靠性的电机驱动领域具有广阔的应用前景。为了解决开关开路故障和传感器故障给矩阵变换器电机驱动系统带来的严重危害，本项目研究了快速故障诊断与最优容错控制的关键理论技术，从而提高了系统安全性和可靠性。主要包括：（1）针对矩阵变换器驱动永磁同步电机系统中存在的开关开路故障诊断问题，本项目采用一种基于线电压残差的开关开路故障诊断方法。对于系统中的位置传感器偏移故障和电流传感器断线故障诊断问题，本项目基于全阶观测器模型和开环观测器，提出基于传感器残差的诊断方法。（2）由于位置传感器故障、电流传感器故障、开关开路故障这三类故障之间存在的诊断算法耦合的情况，需要进行进一步的特征分析，提取出解耦特征。针对诊断方法间的耦合问题，本项目提出一种基于残差特征的解耦方法，并给出具体诊断流程。（3）本项目提出了位置传感器故障、电流传感器故障和开关开路故障的故障容错策略。在定位到具体故障后，利用系统剩余的硬件配置，实现容错运行。（4）最后本项目搭建了基于RT-LAB的实验平台，实验结果验证了本项目所提方法的正确性和有效性。项目申请人以第一作者或通讯作者在电气工程领域顶级期刊《IEEE Transactions on Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》和《IEEE Transactions on Transportation Electrification》上发表学术论文8篇，以第一发明人获授权发明专利2项，申请专利3项，培养了3名电机控制和故障诊断方向的高科技人才。本项目的研究为推进基于模型预测控制的矩阵变换器电机驱动系统的工业化进程奠定了理论基础，具有重要的学术意义和工程应用价值。