CN103501138A - 一种一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，由双三相永磁同步电机，具有故障隔离和容错功能的硬件驱动电路，以及新型的容错控制策略组成，当双三相永磁同步电机的任意一相发生故障时，系统能够及时切除故障相，并能根据故障前的电机运行状态，选择容错控制策略，实现双三相永磁同步电机的容错控制功能。该容错控制系统具有硬件结构简单，可靠性高，鲁棒性强，能够根据系统故障前的电机运行状态，选择最佳的容错控制策略，实现故障容错后系统的优越控制性能等特点。

Description

一种一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统

技术领域

本发明涉及电气传动领域，尤其是一种一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统。

背景技术

三相交流驱动系统一直在传统传动系统中占有绝对的优势。但是近几年来，由于一些特殊的应用场合如：航空航天，电动/混合燃料车辆、舰船推进系统等，对调速系统的可靠性和功率范围提出了更高的要求。受制于电力电子器件的电压和功率等级，在大功率场合中常采用电力电子器件的串联、并联的方式来实现多电平大功率的输出，但随之而来的是电力电子器件的均压和均流等问题，影响了调速系统的整体可靠性；与多电平结构相对应的是多相结构，通过增加电机的相数来提高电机的功率，实现低压大功率调速。

相比与传统的三电机，多相电机具有如下的优点：

1）在供电电压幅值受限制的场合，可以采用多相电机实现低压大功率传动；

2）多相电机随着相数的增加，电机的输出转矩更加平衡，脉动更小，可以大大提高传动系统的动态和稳态性能；

2）系统的可靠性更高，具有较强的容错运行能力；多相电机传动系统中，随着相数的增多，当多相电机中的某一相绕组或几相绕组发生短路或开路故障时，或者电力电子变换器中的某一相或几相发生短路或开路故障时，通过容错控制，切除故障相，多相电机仍可运行。

与感应式电机相比，永磁同步电机具有高转矩/惯量比、高功率密度、高效率等优点。永磁同步电机转子采用永磁体，无励磁电路，转子无励磁损耗和铁损，简化了转子的结构，减小了电机的转动惯量，电机的效率和功率因数较高。随着稀土永磁材料性能的不断提高，永磁同步电机控制技术的不断成熟，永磁同步电机已广泛应用于数控机床，航空航天设备等高精度控制领域。

双三相永磁同步电机将多相电机技术应用于永磁同步电机，使得双三相永磁同步电机不仅具有永磁同步电机的特点，同时继承了多相电机的优点，将两者进行了很好的融合。

对于多相电机的容错控制技术，国内外学者已经进行了一定的研究，Yifan Zhao在它的博士论文中对六相感应电机一相绕组开路时的数学模型进行了深入的分析；法国研究人员Fnaiech,M A，Betin,F对六相感应电机一相开路时采用模糊控制或者滑模变结构的控制策略进行控制，来简化由于一相绕组开路故障所造成的参数变化对系统动态响应的影响。Faa-Jeng Lin则通过TSKF模糊控制算法和FNN对双三相永磁同步电机在一相绕组开路的控制策略进行了研究；国内学者对双三相永磁同步电机的容错控制算法也进行了一定研究，提出了一些改进的控制算法。但是这些控制硬件电路较为复杂，容错的控制策略对于系统的数学模型较为复杂，并且对参数的依赖性较大。

发明内容

本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种容错控制简单优化的一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，由双三相永磁同步电机，具有故障隔离和容错功能的硬件驱动电路，以及新型的容错控制策略组成，当双三相永磁同步电机的任意一相发生故障时，系统能够及时切除故障相，并能根据故障前的电机运行状态，选择容错控制策略，实现双三相永磁同步电机的容错控制功能。该容错控制系统具有硬件结构简单，可靠性高，鲁棒性强，能够根据系统故障前的电机运行状态，选择最佳的容错控制策略，实现故障容错后系统的优越控制性能等特点。

双三相永磁同步电机的绕组依次为A、B、C和a、b、c，硬件驱动电路由六个桥臂组成，每一个桥臂的组成自上而下分别为一个快速熔断器、两个全控型功率开关器件和一个常闭继电器，其中常闭继电器的一端与功率开关器件的中点相连接，另一端与双三相永磁同步电机的对应绕组相连接。

所述双三相永磁同步电机中的两套绕组的中性点o1和o2隔离。其中作为非对称结构形式的两套绕组ABC和abc，两套绕组相差30度电角度。而作为对称结构形式的两套绕组ABC和abc，两套绕组相差60度电角度。

在一相开路时，剩余的五相绕组可以等效为非对称的双中性点隔离的五相永磁同步电机，对于该非对称的双中性点隔离的五相永磁同步电机的动态数学模型采用在旋转d-q和自然坐标混合坐标系下进行建模分析，对于正常的三相绕组采用d-q坐标系下进行建模分析，对于发生故障的那一套绕组，在自然坐标系下将剩余两相等效为单相永磁同步电机，并在此混合坐标下建立非对称五相永磁同步电机的动态数学模型。

在电机正常工作时，对绕组ABC和abc采用双d-q坐标变换的控制算法；在任意一相发生故障时，当负载转矩小于等于额定转矩的50%时，通过将与该套绕组相连接的三个常闭继电器打开，将整套故障绕组切除出去，对正常的三相绕组采用三相永磁同步电机的矢量控制算法进行容错，保证系统的转矩平稳性；在任意一相发生故障时，当负载转矩大于额定转矩的50%时，通过将与该相绕组相连接的那一个常闭继电器打开，将故障相切除出去，其它不作任何变化；对正常的三相绕组采用三相永磁同步电机的矢量控制算法进行容错，对于发生故障的那一套绕组，剩余两相可以等效为单相永磁同步电机，即将剩余的五相绕组等效为一个三相永磁同步电机的和一个单相永磁同步电机，实现容错控制，提高容错的转矩输出能力。

发明有益的效果是：本发明与现有的技术相比，容错控制的硬件电路更加简单，双三相永磁同步电机的故障前和故障后的切换也变的更加简单和优化；故障后的容错控制策略更加简便有效；整个容错控制系统具有更加优越的性能。

附图说明

图1双三相永磁同步电机非对称结构形式的绕组结构图；

图2双三相永磁同步电机对称结构形式的绕组结构图；

图3一相开路时双三相永磁同步电机非对称结构形式的的绕组结构图；

图4一相开路时双三相永磁同步电机对称结构形式的的绕组结构图；

图5具有容错功能的双三相永磁同步电机硬件控制系统；

图6正常工作时双三相永磁同步电机的控制系统框图；

图7一相开路时双三相永磁同步电机的控制系统框图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，由双三相永磁同步电机，具有故障隔离和容错功能的硬件驱动电路，以及新型的容错控制策略组成。其中具有容错功能的双三相永磁同步电机硬件控制系统如图5所示；其特征在于该硬件系统由六个桥臂组成，以A相桥臂为例，每一个桥臂的组成自上而下分别为一个快速熔断器FTF_A、两个全控型功率开关器件S1、S2，和一个常闭继电器KA，其中常闭继电器KA的一端与功率开关器件的中点相连接，另一端与双三相永磁同步电机的A相绕组相连接。其余5相绕组的连接方式与A相绕组相同。

双三相永磁同步电机的绕组依次为A、B、C和a、b、c，两套绕组的中性点o1和o2隔离；图1所示的两套绕组ABC和abc为非对称结构形式，两套绕组相差30度电角度。图2所示的两套绕组ABC和abc为对称结构形式，两套绕组相差60度电角度。

一、对于电气传动控制系统，故障的类型主要有功率开关器件的短路和开路以及电机相绕组的匝间短路和开路这四种情况。如图5所示以c相为例，对上述四种情况进行分析，当c相功率开关器件S11和S12发生短路故障时，FTF_c将快速熔断，保护功率器件，同时将封锁S11和S12开关管的驱动信号，并打开常闭继电器Kc隔离故障相c相；当c相功率开关器件S11或S12发生开路故障时，封锁S11和S12开关管的驱动信号，并打开常闭继电器Kc隔离故障相c相；当c相绕组发生匝间短路故障时，封锁S11和S12开关管的驱动信号，并打开常闭继电器Kc隔离故障相c相；当c相绕组发生开路故障时，封锁S11和S12开关管的驱动信号，并打开常闭继电器Kc隔离故障相c相。

由上可知，c相绕组无论发生上述四种故障情况的哪一种，最终都将通过继电器Kc将该故障相隔离出来，从而保证了当系统发生故障时，能够隔离故障，进行容错控制，防止故障的漫延。从电机容错控制的角度讲，这四种故障最终都等效为一相绕组的开路故障问题。因此下面将对双三相永磁同步电机的正常运行时以及一相开路故障时的数学模型和容错控制策略进行分析。

二、正常工作时，如图1、2所示，双三相永磁同步电机在双d-q坐标系下的动态数学模型如下：

电压方程为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{d1}\\ u_{q1}\\ u_{d2}\\ u_{q2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{R}_s& 0& 0& 0\\ 0& R_s& 0& 0\\ 0& 0& R_s& 0\\ 0& 0& 0& R_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\\ i_{d2}\\ i_{q2}\end{array}\right]+p\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{d1}\\ {\mathrm{\ψ}}_{q1}\\ {\mathrm{\ψ}}_{d2}\\ {\mathrm{\ψ}}_{q2}\end{array}\right]+{\mathrm{\ω}}_r\left[\begin{array}{c}-{\mathrm{\ψ}}_{q1}\\ {\mathrm{\ψ}}_{d1}\\ -{\mathrm{\ψ}}_{q2}\\ {\mathrm{\ψ}}_{d2}\end{array}\right]---\left(1\right)$

磁链方程为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{d1}\\ {\mathrm{\ψ}}_{q1}\\ {\mathrm{\ψ}}_{d2}\\ {\mathrm{\ψ}}_{q2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{L}_d& 0& L_{\mathrm{dd}}& 0\\ 0& L_q& 0& L_{\mathrm{qq}}\\ L_{\mathrm{dd}}& 0& L_d& 0\\ 0& L_{\mathrm{qq}}& 0& L_q\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\\ i_{d2}\\ i_{q2}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_f\\ 0\\ {\mathrm{\ψ}}_f\\ 0\end{array}\right]---\left(2\right)$

转矩方程为：

T_e＝p_n(ψ_s1×i_s1+ψ_s2×i_s2)      （3）

＝p_n[(ψ_d1i_q1-ψ_q1i_d1)+(ψ_d2i_q2-ψ_q2i_d2)]    （4）

三、在发生故障后，以c相绕组开路为例如图3、4所示，故障绕组切除开路后，剩余的五相绕组；电机动态数学模型的基本假设：

1)定子三相绕组对称，Y型连接；

2)反电动势正弦；

3)铁磁部分磁路线性，不计饱和、剩磁、涡流、磁滞损耗等影响；

4)转子无阻尼绕组，永磁体无阻尼作用；

5）不考虑三相永磁同步电机和单相永磁同步电机之间的磁路耦合关系，将其近似等效为两个磁路独立的电机的双定子绕组电机；

6）将发生故障的双中性点五相永磁同步电机等效为一个三相永磁同步电机和一个单相永磁同步电机。

剩余五相绕组中ABC三相绕组正常运行，不发生故障，按照三相永磁同步电机的方式进行动态数学建模；abc三相绕组中的c相绕组发生开路故障，则剩余的ab相绕组可以等效为一个单相永磁同步电机，因此非对称的双中性点隔离的五相永磁同步电机的动态数学模型采用在旋转d-q和自然混合坐标系进行建模，其动态数学模型分析如下：

电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=R_S{i}_d+p{\mathrm{\ψ}}_d-\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_q\\ u_q=R_S{i}_q+p{\mathrm{\ψ}}_q+\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_d\end{array}\right.---\left(5\right)$

$u_{\mathrm{sab}}=R_{\mathrm{sab}}{i}_{\mathrm{sab}}+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sab}}}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

磁链方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_d=L_d{i}_d+{\mathrm{\ψ}}_f\\ {\mathrm{\ψ}}_q=L_q{i}_q\end{array}\right.---\left(7\right)$

ψ_sab＝(L_sabi_sab+ψ_fcos(θ))      （8）

转矩方程为：

$T_{e1}=\frac{3}{2}{n}_p({\mathrm{\ψ}}_d{i}_q-{\mathrm{\ψ}}_q{i}_d)=\frac{3}{2}{n}_p[{\mathrm{\ψ}}_f{i}_q+(L_d-L_q)i_d{i}_q]---\left(9\right)$

T_e2＝n_pψ_fi_sabsinθ      （10）

T_e＝T_e1+T_e2      （11）

转子机械运动方程：

$J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=n_p(T_e-T_l-B\frac{\mathrm{\ω}}{n_p})---\left(12\right)$

四、正常运行时的双三相永磁同步电机的控制策略如图6所示；采用在双d-q坐标系下分别对ABC绕组和abc绕组在dq轴下的解耦控制，对于非对称型双三相永磁同步电机，d1-q1和d2-q2相差30度电角度；对于对称型双三相永磁同步电机，d1-q1和d2-q2相差60度电角度。根据式（4）所示，可以观测出负载转矩的值，并作为双三相永磁同步电机一相开路时容错控制的策略选择标准。

五、一相开路时双三相永磁同步电机的容错控制策略如图7所示；当逆变器或绕组发生开路或短路故障时，通过硬件对故障进行隔离，以c相为例；

当故障发生时，通过正常时检测到的负载转矩的值与额定转矩值相比较，当实际负载转矩的值大于等于50%的额定负载时；

1）如图5所示，封锁功率开关器件S11和S12的驱动信号，打开常闭继电器Kc，隔离故障相c相；

2）将电机的数学模型等效为一非对称的双中性点隔离的五相永磁同步电机，在旋转d-q和自然混合坐标系下对此5相永磁同步电机进行控制；

3）对正常的三相绕组ABC采用在旋转d-q坐标系下的矢量控制策略，进行转矩的控制；对于等效的单相永磁同步电机绕组ab采用在自然坐标系下的绕组电流控制方式。其实现方式为将速度的设定值与速度的反馈值经过PI运算后得到转矩电流的给定值I_qref，该给定值既做为正常的三相绕组ABC在d1-q1坐标系下q轴电流的给定值，同时I_qref×Kp也作为ab相绕组单相永磁同步电机的相电流幅值。系数Kp用来保证ABC相的电流和ab相的电流幅值相同，实现功率在这五相绕组之间进行均衡分配。为了产生平稳的转矩，ab相电流应为正弦波，且与ab相反电动势同相位；θ₀为单相永磁同步电机ab相反电动势与A相绕组间的相位差电角度。对于正常的三相绕组ABC，设定I_dref＝0，与经过坐标变换的d1-q1坐标系下的电流反馈值id1、iq1进行PI运算后得到d1-q1坐标系下的电压给定值，并最终通过坐标变换得到三相绕组ABC相连接的S1-6六桥臂的驱动控制信号。对于单相ab绕组，将I_qref×Kp×sin(θ₀)与实际的反馈电流值ia经PI运算后得到占空比的值，实现S7-10四桥臂驱动信号的控制，从而保证相电流与反电动势同相位。最终实现一相绕组开路时双三相永磁同步电机的容错控制。

当故障发生时，通过正常时检测到的负载转矩的值与额定转矩值相比较，当实际负载转矩的值小于50%的额定负载时；

1）如图5所示，封锁六个功率开关器件S7-12的驱动信号，打开常闭继电器Ka、Kb、Kc，隔离故障相c相所对应的整套绕组abc；将双三相永磁同步电机切换为三相永磁同步电机；所采用的控制策略为传统的磁场定向的矢量控制。

该容错控制系统同样可以适用于3n相（n>=2）的中性点隔离的多相永磁同步电机容错控制应用中。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，由双三相永磁同步电机，具有故障隔离和容错功能的硬件驱动电路，以及新型的容错控制策略组成，其特征是：当双三相永磁同步电机的任意一相发生故障时，系统能够及时切除故障相，并能根据故障前的电机运行状态，选择容错控制策略，实现双三相永磁同步电机的容错控制功能。

2.根据权利要求1所述的一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，其特征是：双三相永磁同步电机的绕组依次为A、B、C和a、b、c，硬件驱动电路由六个桥臂组成，每一个桥臂的组成自上而下分别为一个快速熔断器、两个全控型功率开关器件和一个常闭继电器，其中常闭继电器的一端与功率开关器件的中点相连接，另一端与双三相永磁同步电机的对应绕组相连接。

3.根据权利要求2所述的一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，其特征是：所述双三相永磁同步电机中的两套绕组的中性点o1和o2隔离。

4.根据权利要求3所述的一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，其特征是：所述双三相永磁同步电机中的两套绕组ABC和abc为非对称结构形式，两套绕组相差30度电角度。

5.根据权利要求3所述的一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，其特征是：所述双三相永磁同步电机中的两套绕组ABC和abc为对称结构形式，两套绕组相差60度电角度。

6.根据权利要求3、4或5所述的一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，其特征是：在一相开路时，剩余的五相绕组可以等效为非对称的双中性点隔离的五相永磁同步电机，对于该非对称的双中性点隔离的五相永磁同步电机的动态数学模型采用在旋转d-q和自然坐标混合坐标系下进行建模分析，对于正常的三相绕组采用d-q坐标系下进行建模分析，对于发生故障的那一套绕组，在自然坐标系下将剩余两相等效为单相永磁同步电机，并在此混合坐标下建立非对称五相永磁同步电机的动态数学模型。

7.根据权利要求6所述的一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，其特征是：在电机正常工作时，对绕组ABC和abc采用双d-q坐标变换的控制算法；在任意一相发生故障时，当负载转矩小于等于额定转矩的50%时，通过将与该套绕组相连接的三个常闭继电器打开，将整套故障绕组切除出去，对正常的三相绕组采用三相永磁同步电机的矢量控制算法进行容错，保证系统的转矩平稳性；在任意一相发生故障时，当负载转矩大于额定转矩的50%时，通过将与该相绕组相连接的那一个常闭继电器打开，将故障相切除出去，其它不作任何变化；对正常的三相绕组采用三相永磁同步电机的矢量控制算法进行容错，对于发生故障的那一套绕组，剩余两相可以等效为单相永磁同步电机，即将剩余的五相绕组等效为一个三相永磁同步电机的和一个单相永磁同步电机，实现容错控制。

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