CN104333272B - 开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统及容错方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统及容错方法，通过电流调节函数器生成正常相初步参考电流，再利用短路相电流对正常相初步参考电流进行补偿，形成最终参考电流，最后通过电流滞环比较器将最终参考电流与双逆变器正常相电流进行比较生成双逆变器正常相开关信号并输送给双逆变器。通过利用短路相电流对正常相电流的补偿消除短路故障相电流对电机转矩的影响，达到单相绕组短路故障的容错目的，提高了电机绕组的电流利用率，输出稳定转矩。

Description

开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统及容错方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统及容错方法。

背景技术

近年来，多电平双逆变器以其良好的性能成功运用于航天、电动汽车等大功率领域中，其中双逆变器即具有三电平的优势，比起其他三电平双逆变器，有效避免了电容中点电压偏移等问题，还具有故障后不添加额外开关管就能够实现自身重构。由于永磁同步电机运行状态的好坏关乎驱动系统整体的运行状况，针对永磁同步电机驱动系统的故障检测及容错，得到广泛的关注，并因此永磁同步电机驱动系统的故障检测技术及容错控制得到很大的发展。

永磁同步电机发生单相绕组短路故障后，被短路的绕组内会出现暂态冲击电流，故障相电流会对整个电机的输出转矩产生不利的影响，带来转矩震荡严重、电流的利用率低以及与电机相连机械部件噪音大等问题。

现有的技术主要是基于空间矢量调制的容错控制，对于电机短路故障相的电流不能有效控制，不能很好的解决转矩震荡严重，电流利用率低的问题。

发明内容

有鉴于此，为了解决由于开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路产生的转矩震荡严重、电流利用率低的问题，本发明提供一种开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统和容错方法，达到电机输出转矩稳定，电流利用率高的效果。

为解决电流利用率低的问题，本发明一方面提供了一种开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统，包括：

位置角度转速检测器，用于获取电机的实际转速和位置角，所述位置角为双逆变器短路故障相与电机直轴之间的夹角；

转速环调节器，用于根据电机的实际转速与给定转速的差值调节电流幅值；

电流调节函数器，用于根据电流幅值和位置角生成第一正常相初步参考电流和第二正常相初步参考电流；

电流补偿器，用于利用双逆变器短路故障相的电流分别对第一正常相初步参考电流和第二正常相初步参考电流进行补偿，形成第一正常相最终参考电流和第二正常相最终参考电流；

电流滞环比较器，用于将第一正常相最终参考电流和第二正常相最终参考电流分别与双逆变器的第一正常相电流和第二正常相电流进行比较形成双逆变器的第一正常相和第二正常相桥臂开关信号，并将所述桥臂开关信号输送给双逆变器。

为了使得电机输出转矩为常量，双逆变器短路故障相的电流为双逆变器在单电源供电模式下，所述双逆变器的第一正常相电流和第二正常相电流在短路故障相绕组内形成的电流，电流补偿器为加法器，用于将该电流叠加在正常相初步参考电流上形成正常相的最终参考电流。

另一方面，本发明还提供了一种开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错方法，包括步骤：

位置角度转速检测器获取电机的实际转速和位置角，所述位置角为双逆变器短路故障相与电机直轴之间的夹角；

转速环调节器根据电机的实际转速与给定转速的差值，调节电流幅值；

电流调节函数器根据电流幅值和位置角生成第一正常相初步参考电流和第二正常相初步参考电流；

电流补偿器利用双逆变器短路故障相电流分别对第一正常相初步参考电流和第二正常相初步参考电流进行补偿，形成第一正常相最终参考电流和第二正常相最终参考电流；

电流滞环比较器将第一正常相最终参考电流和第二正常相最终参考电流分别与双逆变器的第一正常相电流和第二正常相电流进行比较形成双逆变器的第一正常相和第二正常相桥臂开关信号，并将桥臂开关信号输送给双逆变器。

为了使电机输出转矩为常量，双逆变器短路故障相的电流为双逆变器在单电源供电模式下，所述双逆变器的第一正常相电流和第二正常相电流在短路故障相绕组内形成的电流，并利用加法器将该电流叠加在正常相初步参考电流上形成正常相的最终参考电流。

与现有技术相比，本发明的优点在于：双逆变器的电流与电机的转速为三角函数关系，检测电机的实际转速就可以获取到电流的大小，根据电机的实际转速与给定转速的差值调节电流幅值，然后根据电流幅值和短路故障相与电机直轴之间的夹角生成正常相初步参考电流，打开两个逆变器的短路故障相桥臂下管，并切换至单电源模式，为双逆变器短路故障相绕组电流提供回路，将短路故障相电流叠加在正常相初步参考电流上得到最终参考电流，将补偿后的最终参考电流与当前时刻的正常相电流进行比较，得到控制双逆变器正常相的桥臂开关信号s。通过对正常相电流的补偿，抵消短路电流对转矩所产生的影响，输出稳定转矩，同时，提高双逆变器电流的利用率。

附图说明

图1是开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统结构图；

图2是双电源供电的开绕组三相永磁同步电机双逆变器等效电路图；

图3是单电源供电的开绕组三相永磁同步电机双逆变器单相绕组短路重构图；

图4是a相绕组磁链向量图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明，本说明以a相绕组短路故障为例。

如图1所示，开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统包括位置角度转速检测器、转速环调节器、电流调节函数器、电流补偿器1、电流滞环比较器，位置角度转速检测器检测双逆变器中a相与电机直轴之间的夹角θ；转速环调节器根据电机的实际转速n与给定转速n^*的差值调节电流幅值I_m，如果实际转速大于参考转速，使之减小，反之变大；然后，电流调节函数根据电流幅值I_m和当前角度θ确定正常相b、c的初步参考电流最后，电流补偿器1利用故障相a的电流i_a对正常相b、c的初步参考电流进行补偿，获得最终参考电流电流滞环比较器将正常相b、c的最终参考电流分别与双逆变器的正常相电流i_b、i_c进行比较形成双逆变器正常相b、c的开关信号s反馈给双逆变器。

如图2所示，双逆变器包括两个逆变器INV1和INV2，包括a、b、c三相绕组，逆变器INV1中a、b、c三相的桥臂上管分别为T₁₁、T₁₂、T₁₃，桥臂下管分别为T₁₄、T₁₅、T₁₆，直流供电电源为DC1，INV2中a、b、c三相的桥臂上管分别为T₂₁、T₂₂、T₂₃，桥臂下管分别为T₂₄、T₂₅、T₂₆，供电电源为DC2。

当系统检测出单相短路故障后，打开两个逆变器的短路故障相绕组a相桥臂下管T₁₄和T₂₄，并切换至单电源模式即两个逆变器均通过DC1供电，为双逆变器短路故障相绕组电流i_a提供回路，同时能够实现对正常相进行单独控制，等效电路图如图3所示。

图3中，故障相a相短路，因此a相两端电压为0，开绕组三相永磁同步电机的电压方程为：

$\left[\begin{array}{c}0\\ v_b\\ v_c\end{array}\right]=R_S\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{L}_{\mathrm{aa}}& L_m& L_m\\ L_m& L_{\mathrm{bb}}& L_m\\ L_m& L_m& L_{\mathrm{cc}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a=-w{\mathrm{\ψ}}_f\cos \mathrm{\θ}\\ e_b=-w{\mathrm{\ψ}}_f\cos (\mathrm{\θ}-2\×\mathrm{pi}/3)\\ e_c=-w{\mathrm{\ψ}}_f\cos (\mathrm{\θ}+2\×\mathrm{pi}/3)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，L_aa、L_bb和L_cc分别为定子三相绕组的自感，L_m分别为定子三相绕组间的互感，v_a、v_b和v_c分别为定子三相电压，i_a、i_b和i_c分别为定子三相电流，e_a、e_b和e_c为定子三相反电动势，R_S为电机三相定子电阻，w为电角速度，ψ_f为永磁磁链，θ为a相与电机直轴之间的夹角。

$0=R_s{i}_a+L_{\mathrm{aa}}\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_a}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

ψ_a＝L_m(i_b+i_c)+ψ_fa (4)

$T_e=\frac{e_a{i}_a+e_b{i}_b+e_c{i}_c}{\mathrm{\Ω}}---\left(5\right)$

其中ψ_a为b、c相电流以及永磁磁链在a相绕组的耦合磁链，ψ_fa为永磁磁链在a相绕组的耦合磁链，Ω为机械角速度，T_e为电机输出的电磁转矩。

由公式4可知，为了降低a相的电流的大小，以消除短路电流对电磁转矩的影响，则需尽可能减小b、c相电流耦合于a相的磁链，即ψ_a尽可能减小。

当b、c相电流大小相同时，由向量图4可知，b、c相分别在a相绕组耦合的磁链F_ba、F_ca的合成磁链F_bca与永磁磁链在a相绕组的耦合磁链方向相反，此时能够最大减小ψ_a。

但是b、c相在a相耦合磁链F_bca对ψ_a的减小有限，因此F_bca与ψ_a的合成磁链还会在a相绕组产生感应电动势，产生环流i_com。

图3中，a相绕组短路电流i_a为正常相b、c在a相绕组中产生的不平衡电流i_com，将i_com作为补偿电流对b、c相电流进行补偿，此时三相电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=i_{\mathrm{com}}\\ i_b=i_b^{*}+i_{\mathrm{com}}\\ i_c=i_c^{*}+i_{\mathrm{com}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中为补偿前的电流。

定子三相反电动势e_a、e_b、e_c之和为0，由公式5、6可得：

$\begin{array}{c}{T}_e=\frac{i_{\mathrm{com}}(e_a+e_b+e_c)+e_b{i}_b^{*}+e_c{i}_b^{*}}{\mathrm{\Ω}}\\ =\frac{e_b{i}_b^{*}+e_c{i}_b^{*}}{\mathrm{\Ω}}\end{array}---\left(7\right)$

由公式7可知，由b、c相补偿前的电流表达的转矩形式与开绕组三相永磁同步电机驱动系统中出现单相断路故障后的转矩表达式一样，因此，为使得输出转矩T_e为常量，电流形状函数满足

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b^{*}=I_m\cos (\mathrm{\θ}-5\mathrm{pi}/6)\\ i_b^{*}=I_m\cos (\mathrm{\θ}+5\mathrm{pi}/6)\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中θ为a相与电机直轴之间的夹角。

将公式8带入公式6可得正常相b、c相的电流参考值，如公式9所示

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=i_{\mathrm{com}}\\ i_b^r=I_m\cos (\mathrm{\θ}-5\mathrm{pi}/6)+i_{\mathrm{com}}\\ i_c^r=I_m\cos (\mathrm{\θ}+5\mathrm{pi}/6)+i_{\mathrm{com}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

用作为最终参考电流，利用如图1所述的开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统生成开关信号s反馈给双逆变器，使双逆变器的输出转矩满足公式7，抵消短路电流对转矩所产生的影响，输出稳定转矩T_e。

Claims (8)

1.一种开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统，包括：

位置角度转速检测器，用于获取电机的实际转速和位置角，所述位置角为双逆变器短路故障相与电机直轴之间的夹角；

转速环调节器，用于根据所述电机的实际转速与给定转速的差值调节电流幅值；

电流调节函数器，用于根据所述电流幅值和所述位置角生成第一正常相初步参考电流和第二正常相初步参考电流；

电流补偿器，用于利用双逆变器短路故障相的电流分别对所述第一正常相初步参考电流和所述第二正常相初步参考电流进行补偿，形成第一正常相最终参考电流和第二正常相最终参考电流；

电流滞环比较器，用于将所述第一正常相最终参考电流和所述第二正常相最终参考电流分别与双逆变器的第一正常相电流和第二正常相电流进行比较形成双逆变器的第一正常相和第二正常相的桥臂开关信号，并将所述桥臂开关信号输送给双逆变器；

其中，短路故障相的电流为a相绕组短路电流i_a为第一正常相b和第二正常相c在a相绕组中产生的不平衡电流i_com，将i_com作为补偿电流对第一正常相b和第二正常相c电流进行补偿，此时三相电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=i_{com}\\ i_b=i_b^{*}+i_{com}\\ i_c=i_c^{*}+i_{com}\end{array}\right.$

其中为补偿前的电流。

2.根据权利要求1所述的开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统，其特征在于，所述双逆变器短路故障相的电流为双逆变器在单电源供电模式下，所述双逆变器的第一正常相电流和第二正常相电流在短路故障相绕组内形成的电流。

3.根据权利要求2所述的开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统，其特征在于，所述电流补偿器为加法器。

4.根据权利要求3所述的开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统，其特征在于，所述第一正常相初步参考电流和所述第二正常相初步参考电流的取值满足电机的输出转矩为常量。

5.一种利用权利要求1所述的开绕组三相永磁同步电机单相绕组短路容错系统的容错方法，包括步骤：

所述位置角度转速检测器获取电机的实际转速和位置角，所述位置角为双逆变器短路故障相与电机直轴之间的夹角；

所述转速环调节器根据所述电机的实际转速与给定转速的差值调节电流幅值；

所述电流调节函数器根据所述电流幅值和所述位置角生成第一正常相初步参考电流和第二正常相初步参考电流；

所述电流补偿器利用双逆变器短路故障相的电流分别对所述第一正常相初步参考电流和所述第二正常相初步参考电流进行补偿，形成第一正常相最终参考电流和第二正常相最终参考电流；

所述电流滞环比较器将所述第一正常相最终参考电流和所述第二正常相最终参考电流分别与双逆变器的第一正常相电流和第二正常相电流进行比较形成双逆变器的第一正常相和第二正常相桥臂开关信号，并将所述桥臂开关信号输送给双逆变器。

6.根据权利要求5所述的容错方法，其特征在于，所述双逆变器短路故障相的电流为双逆变器在单电源供电模式下，所述双逆变器的第一正常相电流和第二正常相电流在短路故障相绕组内形成的电流。

7.根据权利要求6的容错方法，其特征在于，所述补偿为叠加补偿。

8.根据权利要求7的容错方法，其特征在于，所述第一正常相初步参考电流和所述第二正常相初步参考电流的取值满足电机的输出转矩为常量。