一种多电机机群系统故障状态冗余切换控制方法及装置与流程

本申请涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种多电机机群系统故障状态冗余切换控制方法及装置。

背景技术：

工业应用场合为了提高生产效率，采用多电机驱动的方式增加带载能力。但是随着电机数量的增加，当任何一台设备出现问题时，都会影响这个系统的运行，严重影响系统的可靠性。

现有技术中，当设备出现故障时，先停止多电机驱动系统，将故障设备切除，随后重新启动多电机驱动系统。在此过程中，尽量缩短故障设备的切除时间，以降低多电机驱动系统的故障时间。

当多电机机群系统运用于连续工作制的场合，例如钢厂和煤矿皮带运输工况，当一台电机或控制器发生故障时，若停止多电机驱动系统，则会造成系统的生产效率降低，严重会造成工艺控制过程的失败，因此如何实现多电机驱动系统在发生个别设备故障状态下的自动切换，并利用余下设备实现系统的不停机连续运行，即实现多电机机系统故障状态的冗余切换是亟需解决的问题。

技术实现要素：

本申请针对现有技术的缺点，提出一种多电机机群系统故障状态冗余切换控制方

法及装置，用于解决在多电机机群系统中当一台电机或控制器发生故障时，在不打破系统功率平衡的前提下，其余各台电机仍能够继续工作。

本发明提供了一种多电机机群系统故障状态冗余切换控制方法，该方法包括，

对多电机机群系统进行功率平衡控制；

当工作电机存在故障时，将该电机从多电机机群系统中切除；

如果退出电机是从电机，则直接重新计算各电机转矩分配比例因子kn；

如果退出电机是主电机，则重新设定主电机后，再重新计算各电机转矩分配比例因子kn；

根据重新分配的各电机转矩分配比例因子kn，得出除故障电机外剩余多电机机群的转矩指令信息，从而控制各电机输出相应的电流；

实现多电机机群系统在电机出现故障状态时，进行冗余切换控制。

优选的，该方法还包括当工作电机存在故障时，则发出报警提示，并实时采集转矩分配比例因子kn的信息。

优选的，该方法还包括对故障电机信息及新设备信息进行发布，发送至触摸屏及远程监控系统。

优选的，所述对多电机机群系统进行功率平衡控制包括：

设定出主电机和从电机；

采集驱动系统的速度指令与主电机的速度信息，进行pi控制器调节，输出转矩指令信息te；

根据转矩指令信息te及各从电机的转矩限幅指令信息ta，得出各从电机转矩分配比例因子kn；

将转矩指令信息te与各从电机转矩分配比例kn相乘，作为各从电机的转矩给定信息td，控制从电机输出相应的电流；

当从电机接收的转矩给定信息td大于从电机的转矩限幅指令信息ta，则将转矩指令信息td强制设定为该从电机的转矩限幅指令信息ta,根据转矩限幅指令信息ta，控制从电机输出相应的电流。

优选的，所述主、从电机设定方法包括，最小编号s的电机控制单元发出主机标识命令，即控制字中ms位为1；编号大于最小编号s的电机控制单元收到控制字中ms为1的信息后，返回ms信息位为0；若最小编号s的电机控制单元收到编号大于他的电机控制器发送的ms为0的信息，则主、从电机标识完成。

优选的，所述从各电机转矩分配比例因子kn，具体计算过程如下：

设定各电机的额定功率及额定转速，根据额定功率和额定转速计算电机的转矩限幅指令信息ta；

根据各电机的转矩输出能力，计算各电机转矩分配比例因子kn，其中m为多电机机群电机数量，

（n=0,1……m）。

优选的，所述主电机发生故障后，则主电机标识位ms信息丢失，进入自动寻找新主电机设备流程，该流程包括，

若编码为s+1的电机控制单元未收到编码为s的电机的控制字中ms位为1的信息，则编码为s+1的电机控制单元发出主机标识命令，即控制字中ms位为1，编码大于s+1的电机控制单元收到该控制字标识后，返回ms位信息位为0，若编码为s+1的电机控制单元收到编码大于s+1的电机控制单元发出的ms位为0的信息，则新主、从电机标识完成。

本发明还提供了一种多电机机群系统故障状态冗余切换控制装置，该装置包括，

信息接收模块，功率平衡模块，冗余切换模块，主、从电机标识模块、主电机选择模块；

所述信息接收模块：用于接收电机控制单元发出的故障信息；

所述功率平衡模块用于控制多电机集群系统功率平衡；

所述冗余切换模块用于将故障电机从多电机机群系统中切除；

所述主、从电机标识模块用于判断信息接收模块信息中的主电机标识位ms是否丢失；

所述主电机选择模块用于当主电机因故障退出后，根据多电机机群系统剩余电机的编码信息，自动选择新的主电机设备；

多电机机群系统在所述功率平衡模块控制下实现功率平衡控制，当信息接收模块接收到电机发生故障时，所述冗余切换系统直接将该电机从多电机机群系统中切除，同时主、从电机标识模块进行判断是否是主电机出现故障，如若是主电机，则主电机选择模块选出新的主电机，并将该信息反馈给功率平衡控制模块，功率平衡控制模块进行再平衡控制。

优选的，所述功率平衡模块包括，主从设定模块，信息采集模块，第一转矩计算模块，转矩分配比例因子计算模块，第二转矩计算模块，信息发布模块；

主从设定模块，用于设定主、从电机；

所述编号最小的电机设定为主电机，余下工作电机为从电机；

信息采集模块，用于采集驱动系统的速度指令与主电机的速度信息；

第一转矩计算模块，用于主电机计算电机转矩指令；

转矩分配比例因子计算模块，用于根据转矩指令信息te及各从电机的转矩限幅指令信息ta，得出各从电机转矩分配比例因子kn；

第二转矩计算模块，用于根据转矩分配比例因子计算从电机转矩指令；

所述第二转矩计算模块，当从电机接收的转矩给定信息td大于从电机的转矩限幅指令信息ta，则将转矩指令信息td强制设定为该从电机的转矩限幅指令信息ta；

信息传递模块，用于将各电机的转矩指令信息传递至各电机对应的控制单元，控制变频器输出相应的电流。

优选的，还包括转矩分配比例因子kn监控模块，用于监控转矩分配比例因子kn变化。

优选的，还包括信息发布模块，用于对故障电机信息及新设备信息进行发布，发送至触摸屏及远程监控系统。

有益效果：本发明提供的一种多电机故障自动退出和冗余切换装置，通过对主电机故障和从电机故障信息的判断，完成从电机的切除及功率分配因子的重新计算，以及完成对主电机的切除和功率分配因子的重新计算，特别的主电机切除后，本装置能够通过主电机选择模块自动寻找新的主电机。该装置能够在多电机机群电机或控制器发生故障时，自动退出多电机机群，并且自动完成冗余切换，实现了多电机机群的冗余安全运行，提高了系统的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

图1为刚性连接多电机机群系统组成示意图；

图2为柔性连接多电机机群系统组成示意图

图3为本发明实施例多电机机群系统故障状态冗余切换控制方法的流程图；

图4为本发明实施例多电机机群系统故障状态冗余切换控制装置的结构图。

具体实施例

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例进行详细说明。

图1为刚性连接多电机机群系统组成示意图，多电机机群驱动系统由负载1、传动装置2、第一电机3、第二电机4、第n电机5、制动装置6组成。第一电机和第二电机、及第三电机、第n电机经过传动装置驱动负载。传动装置转速变比可调，可实现1：n的变比，n大于等于1。在运行中存在第一电机与第n电机的配合问题，即多电机功率分配和转矩分配问题。

图2为柔性连接多电机机群系统组成示意图，多电机机群驱动系统由负载1、传动装置2、柔性连接装置3、减速机4、第一电机5、第二电机6、第n电机7组成。第一电机和第二电机、及第三电机、第n电机经过减速机、传动装置驱动柔性连接装置，柔性连接装置驱动负载运行。减速机变比可调，可实现1：n的变比，n大于等于1。在运行中依然存在第一电机与第n电机的配合问题，即多电机功率分配和转矩分配问题。

本发明提供一种多电机机群系统故障状态冗余切换控制方法，该方法能够

应用于如图1、图2所示的多电机机群驱动系统。

本发明提供的一种多电机机群系统故障状态冗余切换控制方法，该方法实现了多电机机群系统中从机故障自动退出及冗余切换、主机故障自动退出、冗余切换及自动更新主机。图3所示为多电机机群系统故障状态冗余切换控制方法的流程图，该方法

包括如下步骤：

步骤s10：对多电机机群系统进行功率平衡控制；

具体的，实现多电机机群系统进行功率平衡方法流程包括，

步骤s101：设定出主电机和从电机；

对n台电机进行编号，将工作电机中最小编号的电机设定为主电机，余下设定工作电机为从电机；所述主、从电机设定方法包括,

最小编号s的电机控制单元发出主机标识命令，即控制字中ms位为1；编号大于最小编号s的电机控制单元收到控制字中ms为1的信息后，返回ms信息位为0；若最小编号s的电机控制单元收到编号大于他的电机控制器发送的ms为0的信息，则主、从电机标识完成。

电机编号是识别每台电机的唯一编号，编号也可通过人为进行设定。

进一步，当有工作电机发生故障时，自动对正常工作的电机重新设定主、从电机。

步骤s102：采集驱动系统的速度指令及主电机的速度信息，将速度指令与电机速度进行pi控制器调节，输出转矩指令信息te。

具体的，当被设定为主电机时，通过对速度给定量和速度反馈量进行比例积分调节后，输出转矩指令信息，该信息作为矢量控制环节的给定，由矢量控制环节控制变频器驱动电机运转。

步骤s103：根据转矩指令信息te及各从电机的转矩限幅指令信息ta，得出各从电机转矩分配比例kn；

具体的，计算转矩分配比例kn的方法包括如下步骤：

步骤s1031：设定各电机的额定功率及额定转速，根据额定功率和额定转速计算电机的转矩限幅指令信息ta；

步骤s1032：根据各电机的转矩输出能力，计算各电机转矩分配比例因子kn，其中m为多电机机群电机数量，

（n=0,1……m）。

具体的，从电机的转矩限幅指令信息ta为电机的额定转矩输出能力，从电机的转矩限幅指令信息ta，可根据电机和传动装置的老化情况进一步减小。

步骤s104:将转矩指令信息te与各从电机转矩分配比例kn相乘，作为各从电机的转矩给定信息td，控制从电机输出相应的电流。

步骤s105：当从电机接收的转矩给定信息td大于从电机的转矩限幅指令信息ta，则将转矩指令信息td强制设定为该从电机的转矩限幅指令信息ta,根据转矩限幅指令信息ta，控制从电机输出相应的电流。

具体的，当从电机接收的转矩指令信息乘转矩分配比例大于各分电机的转矩输出能力限幅ta后，将该转矩指令信息强制为ta,并传至该电机的矢量控制单元作为矢量控制单元的转矩指令信息，该电机矢量控制单元根据该转矩限幅指令信息控制从电机输出相应的电流。

步骤s20：当工作电机存在故障时，将该电机从多电机机群系统中切除；

当任何一台电机发生故障后，其电机控制单元控制电源控制柜断开，该电机退出工作，相应的电机编号退出多电机机群系统。

步骤s30：如果退出电机是从电机，则直接重新计算各电机转矩分配比例因子kn；

从电机在退出系统的同时，向主电机控制单元发送停止运行状态字，并将故障信息发送给主电机控制单元。主电机控制单元排除故障电机，重新计算各电机转矩分配比例因子kn。

步骤s40：如果退出电机是主电机，则重新设定主电机后，再重新计算各电机转矩分配比例因子kn；

具体的，更新主机的方法包括如下步骤：

主电机发生故障后，则主电机标识位ms信息丢失，进入自动寻找新主电机设备流程，该流程包括，若编码为s+1的电机控制单元未收到编码为s的电机的控制字中ms位为1的信息，则编码为s+1的电机控制单元发出主机标识命令，即控制字中ms位为1，编码大于s+1的电机控制单元收到该控制字标识后，返回ms位信息位为0，若编码为s+1的电机控制单元收到编码大于s+1的电机控制单元发出的ms位为0的信息，则新主、从电机标识完成。新主电机设定按编码从小到大次类推，直至完成主、从机标识。主、从机标识完成后，重新计算各电机转矩分配比例因子kn。

步骤s50：根据重新分配的各电机转矩分配比例因子kn，得出除故障电机外剩余多电机机群的转矩指令信息，从而控制各电机输出相应的电流；

重新分配的各电机转矩分配比例因子kn的具体实现参照步骤s10。经过上述步骤，实现多电机机群系统在电机出现故障状态时，进行冗余切换控制。

步骤s60：当工作电机存在故障时，则发出报警提示，并实时采集转矩分配比例因子kn的信息。

该步骤一方面提醒系统中的工作电机有故障发生，另一方面也提醒了需对系统功率平衡的稳定性能进行查看与核实。实时采集转矩分配比例因子kn的信息，可在当监控到比例因子kn的信息发生变化时，及时获取该信息，从而对故障状态时，冗余切换控制正确与否进一步核实。

所述对故障报警信息的采集和报警也可以通过其他常规方式实现，此处不做过多说明。

步骤s70：对故障电机信息及新设备信息进行发布，发送至触摸屏及远程监控系统。具体的，主电机将故障电机信息及新多机系统设备信息发送至多机综合控制单元，多机综合控制单元将上述信息发布至触摸屏及远程监控系统。

如图4所示，实施例提供了一种多电机机群系统故障状态冗余切换装置，该装置可用于执行多电机故障自动退出和冗余切换控制方法。如图4所示，该多电机机群驱动驱动系统保护装置具体包括：信息接收模块，功率平衡模块，冗余切换模块，主、从电机标识模块、主电机选择模块；

所述信息接收模块：用于接收电机控制单元发出的故障信息；

所述功率平衡模块用于控制多电机集群系统功率平衡；

所述冗余切换模块用于将故障电机从多电机机群系统中切除；

所述主、从电机标识模块用于判断信息接收模块信息中的主电机标识位ms是否丢失；

所述主电机选择模块用于当主电机因故障退出后，根据多电机机群系统剩余电机的编码信息，自动选择新的主电机设备。

多电机机群系统在所述功率平衡模块控制下实现功率平衡控制，当信息接收模块接收到电机发生故障时，所述冗余切换系统直接将该电机从多电机机群系统中切除，同时主、从电机标识模块进行判断是否是主电机出现故障，如若是主电机，则主电机选择模块选出新的主电机，并将该信息反馈给功率平衡控制模块，功率平衡控制模块进行再平衡控制。

装置中所述功率平衡模块包括，

主从设定模块，信息采集模块，第一转矩计算模块，转矩分配比例因子计算模块，第二转矩计算模块，信息发布模块；

主从设定模块，用于设定主、从电机；

所述编号最小的电机设定为主电机，余下工作电机为从电机；

信息采集模块，用于采集驱动系统的速度指令与主电机的速度信息；

第一转矩计算模块，用于主电机计算电机转矩指令；

转矩分配比例因子计算模块，用于根据转矩指令信息te及各从电机的转矩限幅指令信息ta，得出各从电机转矩分配比例因子kn；

第二转矩计算模块，用于根据转矩分配比例因子计算从电机转矩指令；

所述第二转矩计算模块，当从电机接收的转矩给定信息td大于从电机的转矩限幅指令信息ta，则将转矩指令信息td强制设定为该从电机的转矩限幅指令信息ta；

信息传递模块，用于将各电机的转矩指令信息传递至各电机对应的控制单元，控制变频器输出相应的电流。

进一步，所述转矩分配比例因子为：其中m为多电机机群电机数量，

（n=0,1……m）。

进一步，所述从电机的转矩限幅指令信息ta为电机的额定转矩输出能力。

进一步，该装置还包括转矩分配比例因子kn监控模块，用于监控转矩分配比例因子kn变化。

进一步，主、从电机标识模块及主电机选择模块可设置在主从设定模块中。

进一步，该装置还包括信息发布模块，用于对故障电机信息及新设备信息进行发布，发送至触摸屏及远程监控系统。

上述实施例一种多电机机群系统故障状态冗余切换控制方法可通过一种多电机机群系统故障状态冗余切换控制方法执行完成，在此次对其方法原理不作赘述。

本发明实施例提供的一种多电机机群系统故障状态冗余切换控制方法及装置，通过对主电机故障和从电机故障信息的判断，完成从电机的切除及功率分配因子的重新计算，以及完成对主电机的切除和功率分配因子的重新计算，特别的主电机切除后，本装置能够通过主电机选择模块自动寻找新的主电机。该装置能够在多电机机群电机或控制器发生故障时，自动退出多电机机群，并且自动完成冗余切换，实现了多电机机群的冗余安全运行，提高了系统的可靠性。