CN104362924A - 基于spwm三相开绕组pmsm驱动系统的容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SPWM三相开绕组PMSM驱动系统的容错控制方法，在双逆变器驱动系统中双逆变器某一桥臂的开关管发生单开关管开路故障或短路故障后，首先将对称的正常开关管的控制信号设置为1或0，以实现单开关管故障拓扑结构重构；然后根据故障后重构的双逆变器驱动系统的数学模型，计算出故障后双逆变器的零序参考电压；最后根据计算得到的零序参考电压，基于SPWM调制算法实现由正常运行到故障后容错运行的切换。本方法解决了传统单逆变器单开关管故障后有效电压矢量降低的问题，大大简化了双逆变器单开关管故障容错算法，降低驱动系统的复杂性；本方法也有效地实现了故障后的容错运行，大大提高了系统的可靠性。

Description

基于SPWM三相开绕组PMSM驱动系统的容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相开绕组PMSM(永磁同步电机)双逆变器驱动系统单开关管出现故障(开路故障、短路故障)后的容错控制，属于永磁同步电机控制技术。

背景技术

双逆变器拓扑结构在保持三电平的优点上，比其他三电平拓扑结构(NPC型逆变器、飞跃电容型逆变器的拓扑结构)，减少了开关器件的数量，同时由于自身的开关器件的冗余项，比传统的单逆变器结构，容错性能也大大提高，极大提高了驱动系统的可靠性。双逆变器拓扑结构以其自身的这些特点，很适合用于电动汽车、航天等大功率驱动系统中。因此双逆变器故障容错控制研究可以极大提高驱动系统的可靠运行。

在驱动系统中，逆变器开关故障在驱动系统占有很大比例，尤其是单开关管故障。对于逆变器单开关管故障容错有很大的发展。在单逆变器驱动系统出现单开关管开路故障后，主要通过故障后拓扑结构的重构以及控制算法的重构进行容错，主要有三相四开关容错控制、两相四开关控制等，然后这些容错方法后的输出有效电压大大降低，不利于被控对象的有效利用。对于双逆变器驱动系统出现的单开关管开路故障后，通过钳位相应的开关管的触发信号，并且在此基础上的拓扑结构上进行空间矢量容错控制。但是这种方法需要重新调整空间矢量调制方法，这样极大增加了容错控制算法的复杂度，使得整体驱动系统的算法兼容性大大降低。

因此，在现有技术中，对于三相开绕组PMSM驱动系统，出现单开关管开路故障后能够进行自身重构的容错，也能够解决单逆变器有效输出电压降低的问题，但是现有的方法是基于SVPWM的调制方法，这样就会使得容错程序中空间矢量调制部分需要重新调制，故障后切换程序复杂，这样会使得整体的驱动系统控制算法更加复杂；同时现有的方法也是针对单开关管开路故障，对于单开关管短路故障容错却没有很好的说明。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于SPWM三相开绕组PMSM驱动系统的容错控制方法，在出现单开关管开路故障后，不需要外部附加开关器件，实现单开关管故障拓扑结构重构，同时改变双逆变器的相应的零序参考电压值，能够有效地实现从正常运行到容错运行的切换，极大地降低了驱动系统的复杂度，同时也适用于单开关管短路故障，兼容性大大提高。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于SPWM三相开绕组PMSM驱动系统的容错控制方法，在双逆变器驱动系统中，当检测到双逆变器某一桥臂的开关管发生单开关管开路故障或短路故障后，将对称的正常开关管的控制信号设置为1或0，在不需要外部附加开关器件的情况下实现单开关管故障拓扑结构重构；然后根据故障后重构的双逆变器驱动系统的数学模型，计算出故障后双逆变器的零序参考电压；最后根据计算得到的零序参考电压，基于SPWM调制算法实现由正常运行到故障后容错运行的切换。

具体的，当计算得到的零序参考电压为0时，双逆变器驱动系统正常运行；当计算得到的零序参考电压为时，双逆变器驱动系统容错运行，其中x为a、b或c，v_x表示x相定子电压。

有益效果：本发明提供的基于SPWM三相开绕组PMSM驱动系统的容错控制方法，相对于现有技术，具有如下优点：

1、当双逆变器中某一开关管出现开路故障(短路故障)后，不需要外部附加开关器件，能够实现单开关管故障拓扑结构重构；

2、当双逆变器中某一开关管出现开路故障后，能够实现有效的容错运行；

3、当双逆变器中某一开关管出现短路故障后，能够实现有效的容错运行；

4、基于SPWM的调制算法可以大大简化容错运行程序；

5、基于SPWM的调制算法，只需改变相应的参考值就可以完成系统从正常到容错运行的切换，降低了整体系统的复杂性。

附图说明

图1为双电源供电的开绕组三相PMSM驱动系统结构图；

图2为双电源供电的开绕组三相PMSM驱动系统重构图；

图3为双电源供电的开绕组三相PMSM驱动系统控制结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种基于SPWM三相开绕组PMSM驱动系统的容错控制方法，在双逆变器驱动系统中，当检测到双逆变器某一桥臂的开关管发生单开关管开路故障或短路故障后，首先将对称的正常开关管的控制信号设置为1或0，在不需要外部附加开关器件的情况下实现单开关管故障拓扑结构重构；然后根据故障后重构的双逆变器驱动系统的数学模型，计算出故障后双逆变器的零序参考电压；最后根据计算得到的零序参考电压，基于SPWM调制算法实现由正常运行到故障后容错运行的切换。下面就该方法涉及的各个部分加以具体说明。

第一部分：三相开绕组PMSM双逆变器驱动系统数学模型以及SPWM调制方法

如图1所示为双电源供电的开绕组三相PMSM驱动系统结构图，根据图1可知，三相PMSM的电压方程为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right]=R_S\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{L}_{\mathrm{aa}}& M_{\mathrm{ab}}& M_{\mathrm{ac}}\\ M_{\mathrm{ba}}& L_{\mathrm{bb}}& M_{\mathrm{bc}}\\ M_{\mathrm{ca}}& M_{\mathrm{cb}}& L_{\mathrm{cc}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，L_aa、L_bb和L_cc分别为定子三相绕组的自感，M_ab、M_ac、M_ba、M_bc、M_ca和M_cb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。

双逆变器的输出电压以及电机端电压之间的关系如式(2)到式(7)所示：

v_x＝v_x1-v_x2-v₂₁  (2)

i_a+i_b+i_c＝0     (3)

$v_0=\frac{1}{\sqrt{3}}(v_a+v_b+v_c)---\left(4\right)$

v₀＝e₀(5)

$v_{21}=\frac{1}{\sqrt{3}}(v_{0\mathrm{eq}}-e_0)---\left(6\right)$

$v_{0\mathrm{eq}}=\frac{1}{\sqrt{3}}(v_{a1}+v_{b1}+v_{c1}-v_{a2}+v_{b2}+v_{c2})---\left(7\right)$

其中，x为a、b或c，v_x为x相定子电压，v_x1为第一逆变器的x相定子电压，v_x2为第二逆变器的x相定子电压，v₂₁为第一逆变器和第二逆变器电源负端的电压差，e₀为电机三相反电动势零序电压，v₀为电机三相零序电压。

SPWM调制算法是一种比较常用的调制算法，在SPWM调制算法中，设为x相定子电压的参考值，则双逆变器各相的输出参考电压占空比可按以下公式求得：

${\mathrm{\δ}}_{x1}=\frac{1}{2}(\frac{v_x^{*}}{v_{\mathrm{dc}}}+1)---\left(8\right)$

${\mathrm{\δ}}_{x2}=\frac{1}{2}(-\frac{v_x^{*}}{v_{\mathrm{dc}}}+1)=1-{\mathrm{\δ}}_{x1}---\left(9\right)$

其中，δ_x1为第一逆变器的x相参考电压的占空比，δ_x2为第一逆变器的x相参考电压的占空比，v_dc为第一逆变器和第二逆变器直流侧电压值(相等)。

在正常运行下，为了保证第一逆变器和第二逆变器电源间不发生相互充电情况，因此保证两电源间低电平端的电压差为0，即保证v₂₁的值为0；因此有式(6)可知，正常运行下双逆变器输出的零序参考电压为e₀，而正常运行情况下e₀为0，故为0。

第二部分：三相开绕组PMSM双逆变器驱动系统容错控制策略

本案中的容错控制策略采用SPWM调制方法，仅需求出各相电压的占空比即可，相比传统的开绕组PMSM双逆变器空间矢量控制，大大减小了程序的复杂性；尤其在开绕组PMSM双逆变器驱动系统出现的单开关管开路或者短路故障，只需改变各相电压参考量，即可达到容错控制目的。

当出现单开关管开路故障(本案以a1桥臂中的上管出现开路故障为例)，给出a1、a2的驱动信号为低电平，如图2所示(图2也同样也适用于a1桥臂中的下开关管出现短路故障)。

此时，v_a1与v_a2分别钳位至0，由式(2)可知：

v_a＝v_a1-v_a2-v₂₁＝-v₂₁   (10)

电机三相电压可通过静止坐标系得到，即clark逆变换：

$\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right]=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 1/\sqrt{2}\\ -0.5& \sqrt{3}/2& 1/\sqrt{2}\\ -0.5& -\sqrt{3}/2& 1/\sqrt{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\\ v_0\end{array}\right]---\left(11\right)$

将式(6)和式(8)带入式(9)，可以得到：

$v_{0\mathrm{eq}}^{*}=-\sqrt{2}{v}_a---\left(12\right)$

第三部分：三相开绕组PMSM双逆变器驱动系统由正常运行到容错运行切换方式

根据第一部分和第二部分可知，三相开绕组PMSM双逆变器驱动系统由正常运行到容错运行切换只需改变双逆变器的零序电压参考值即可；控制结构图如图3所示，其中零序电压参考值根据式(13)得到：

(容错运行)

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于SPWM三相开绕组PMSM驱动系统的容错控制方法，其特征在于：在双逆变器驱动系统中，当检测到双逆变器某一桥臂的开关管发生单开关管开路故障或短路故障后，将对称的正常开关管的控制信号设置为1或0，在不需要外部附加开关器件的情况下实现单开关管故障拓扑结构重构；然后根据故障后重构的双逆变器驱动系统的数学模型，计算出故障后双逆变器的零序参考电压；最后根据计算得到的零序参考电压，基于SPWM调制算法实现由正常运行到故障后容错运行的切换。

2.根据权利要求1所述的基于SPWM三相开绕组PMSM驱动系统的容错控制方法，其特征在于：当计算得到的零序参考电压为0时，双逆变器驱动系统正常运行；当计算得到的零序参考电压为时，双逆变器驱动系统容错运行，其中x为a、b或c，v_x表示x相定子电压。