CN106972806B

CN106972806B - 一种考虑磁阻转矩的三相容错内置式永磁电机的开路容错控制方法

Info

Publication number: CN106972806B
Application number: CN201710197624.0A
Authority: CN
Inventors: 刘国海; 朱迪; 赵文祥; 陈前; 徐高红
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2019-03-05
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: CN106972806A

Abstract

本发明公开了一种考虑磁阻转矩的三相容错内置式永磁电机的开路容错控制方法，包括如下步骤：建立三相容错内置式永磁电机模型；推导出某一相开路情况下，利用磁阻转矩的容错电流；基于滞环发波，完成正常情况下，基于虚拟信号注入法的最大转矩电流比控制；基于滞环发波，完成i_d＝0控制下的容错；结合所推导出的容错电流以及虚拟信号从注入法，完成一相开路条件下，磁阻转矩的利用。本发明在对电机进行一相开路容错控制的基础上，考虑利用内嵌式永磁同步电机的磁阻转矩，与i_d＝0控制相比，在输出相同转矩的条件下，减小了容错电流幅值，从而降低了铜耗。

Description

一种考虑磁阻转矩的三相容错内置式永磁电机的开路容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相容错内置式永磁电机的开路容错控制方法，特别是要利用磁阻转矩的容错控制方法。适用于航空航天、电动汽车等对电机的可靠性以及连续性有较高要求的场合。

背景技术

内嵌式永磁电机因为其高转矩密度、高效率以及高可靠性等特点，在电动汽车牵引、航天航空以及海上巡航系统领域应用越来越广泛。同时，对于飞行器、电动汽车等一些可靠性要求较高的场合，稳定可靠的电机驱动系统尤为重要。因此，容错永磁电机的高可靠性的容错控制方法受到了广泛的关注。

在电机故障中，绕组开路和逆变器开关故障最为常见，并且目前为止，有相当可观的研究是针对传统三相永磁电机、双通道三相永磁电机在开路故障时的容错运行。但是目前这些容错算法大多是基于i_d＝0控制策略，这种容错策略往往忽略了磁阻转矩分量。但是与表贴式永磁电机相比，内嵌式永磁电机有一个突出的特点：凸极特性。也就是说其d轴电感明显小于q轴电感，相应的这就产生了磁阻转矩。因此，在这种情况下，针对内嵌式电机，为了提高系统效率，利用磁阻转矩是必要的，而最大转矩电流比控制是最常用的一种方法。

过去几十年中，国内外学者为实现最大转矩额电流比控制，采用了很多不同的方法。总结来说，分为依赖电机参数和不依赖电机参数的方法。而在不依赖参数的最大转矩额电流比控制方法中，基于极值搜索原理的高频信号注入方法越来越多的应用到内嵌式电机中。但是，一般高频信号注入由于向电机注入了高频信号，因而会产生额外的功率损耗以及转矩波纹。为了解决这一问题，虚拟信号注入法被提出。

发明内容

本发明的目的是为解决现有三相内嵌式永磁电机在一相开路故障运行时考虑磁阻转矩容错控制问题。针对现有容错控制方法均基于i_d＝0控制策略这一现状，提出了三相内嵌式永磁同步电机考虑磁阻转矩的容错控制策略。

本发明采用的技术方案是：当电机发生一相开路故障时，在滞环发波的基础上，采用考虑磁阻转矩的容错电流，结合修正的虚拟信号注入法，实现电机容错平稳运行。

一种考虑磁阻转矩的三相容错内置式永磁电机的开路容错控制方法，包括如下步骤：

步骤1，建立三相容错内置式永磁电机模型；

步骤2，推导出某一相开路情况下，利用磁阻转矩的容错电流；

步骤3，基于滞环发波，完成正常情况下，基于修正虚拟信号注入法的最大转矩电流比控制；

步骤4，基于滞环发波，完成i_d＝0控制下的容错；

步骤5，结合所推导出的容错电流以及虚拟信号从注入法，完成一相开路条件下，磁阻转矩的利用。

进一步，所述步骤2的具体过程为：

步骤2.1，内嵌式永磁同步电机的磁阻转矩计算公式为：

其中，T_r是磁阻转矩；L_k是每相自感；M_kj是k相和j相的互感，k,j＝1,2,3分别代表A、B、C三相；θ_m是机械角度。

步骤2.2，电机正常运行时，设利用磁阻转矩的三相电流为：

其中，I_m是定子电流幅值，θ_e是电气角度，β是最大转矩电流比控制下的最优电流角。

三相内嵌式永磁同步电机的自感和互感矩阵分别为：

其中，L₀和M₀是自感及互感直流分量；L_m和M_m是自感及互感的二次谐波分量。

将三相电流、自感和互感分别带入磁阻转矩公式，整理得到正常运行时的磁阻转矩：

步骤2.3，设A相为开路相，并假设考虑容错电流为：

其中，β₁和β₂是B、C两相的电流角。

步骤2.4，将电感矩阵以及2.3中的容错电流带入2.1的磁阻转矩计算公式中，得到A相开路时的磁阻转矩为：

其中，磁阻转矩的脉动分量为：

平均磁阻转矩为：

步骤2.5，比较正常运行时的磁阻转矩以及容错时的磁阻转矩，使平均磁阻转矩相等，得到β、β₁和β₂的关系为：

β₁＝β₂＝β

因此，可推导出A相开路时，考虑磁阻转矩的容错电流为：

进一步，所述步骤3的具体过程为：

步骤3.1，电机机械功率及与输出转矩的关系为：

因此转矩可表示为：

永磁电机的电压和转矩方程在d-q轴坐标系下表示为：

其中，L_d和L_q是d-q轴电感，R是定子电阻，p是极对数，ω_m是机械角速度，为单位rad/s，ψ_m是永磁磁链，u_d和u_q是d-q轴电压；

当电机平稳运行时，根据上述公式，得到等效关系为：

步骤3.2，如果向电流角中注入一个幅值很小的高频正弦信号，d-q轴电流可表示为：

Δβ＝A sin(ω_ht)

步骤3.3，在步骤3.1和3.2的基础上，当注入高频信号之后，得到含有高频分量的转矩公式为：

步骤3.4，通过信号处理的方法，对含有高频分量的输出转矩进行解调，得到和转矩对电流角的偏导信号成比例的信号，提取此偏导信号的目的是利用最大转矩电流比的特性：在最大转矩电流比运行点时，转矩对电流角的偏导为0。然后，偏导信号再经过比例积分或者比例环节，得到最大转矩电流比控制的电流角β或者是d轴电流。

进一步，所述步骤4中，设A相为开路故障相，则基于i_d＝0控制的容错电流为：

进一步，所述步骤5中，设A相为开路故障相，则考虑磁阻转矩的容错电流为：

β由虚拟信号注入方法产生。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明针对内嵌式永磁同步电机一相开路的情况，提出了考虑磁阻转矩的容错控制方法，以较低的定子电流幅值，产生相同的输出转矩，降低了铜耗；

2)本发明同样适用于其他内嵌式三相以及多相电机。

附图说明

图1为三相内嵌式永磁同步电机考虑磁阻转矩的容错控制方法流程图；

图2为内嵌式电机电磁转矩、磁阻转矩和永磁转矩与电流角的关系图；

图3为电机A相开路时，考虑磁阻转矩和不考虑磁阻转矩时的相电流仿真波形图；

图4为电机A相开路时，考虑磁阻转矩和不考虑磁阻转矩时的转矩各分量仿真波形图；

图5为电机A相开路时，实际的与采用虚拟信号注入法得到的电流角的仿真结果比较；

图6为电机A相开路时，不同转矩下虚拟信号注入法得到的电流角与实际电流角仿真比较；

图7为电机正常运行时，考虑磁阻转矩和不考虑磁阻转矩时的相电流以及转矩实验波形图；

图8为电机正常运行时，考虑磁阻转矩情况下，转矩跳变后的i_d电流实验波形图以及与理想i_d电流的对比；

图9为电机A相开路时，考虑磁阻转矩和不考虑磁阻转矩时的相电流以及转矩实验波形图；

图10为电机A相开路时，考虑磁阻转矩情况下，转矩跳变后的i_d电流实验波形图以及与理想i_d电流的对比；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为考虑磁阻转矩的三相容错内嵌式永磁电机的开路容错控制方法流程图。

本发明将考虑磁阻转矩的三相容错内嵌式永磁电机的开路容错控制分解两部分：一是基于滞环的虚拟信号注入控制实现；二是在滞环基础上将虚拟信号注入法与容错策略相结合。

第一部分，由于滞环控制不涉及电压量，而在专利说明书3中，提到注入高频信号之后，计算含有高频分量的总转矩，需要用到u_d和u_q，本发明中，利用了开关量S_a，S_b，S_c和母线电压U_dc计算u_d和u_q，公式为：

第二部分，设A相开路，推导出考虑磁阻转矩的容错相电流为：

其中，β是由虚拟信号注入法产生的。在实现虚拟信号注入时，要对反馈的i_d、i_q、ω_m，计算得到的u_d、u_q进行滤波，滤掉不需要的高频部分。

图2为内嵌式电机电磁转矩、磁阻转矩和永磁转矩与电流角的关系图，可以看出，当电流角小于最大转矩电流比运行点时，电磁转矩曲线的斜率是正的，当电流角大于最大转矩电流比运行点时，电磁转矩曲线的斜率是负的，而在最大转矩电流比这一点，电磁转矩对电流角的导数为0，这一特性即为虚拟信号注入法所利用的特性。

图3为电机A相开路时，考虑磁阻转矩和不考虑磁阻转矩时的相电流仿真波形图。仿真状态为：转速为300r/min，负载转矩8Nm，0～0.2s，基于传统i_d＝0控制；0.2s～0.7s，基于虚拟信号注入法。仿真结果中可以看到，从传统控制方法切换至虚拟信号注入法时，相电流幅值是下降的。

图4为电机A相开路时，考虑磁阻转矩和不考虑磁阻转矩时的输出转矩仿真波形图。仿真状态同样为：转速为300r/min，负载转矩8Nm，0～0.2s，基于传统i_d＝0控制；0.2s～0.7s，基于虚拟信号注入法。仿真结果中可以看到，电机的输出转矩是不变的。

图5是电机A相开路时，考虑磁阻转矩和不考虑磁阻转矩时的转速响应仿真波形图。仿真状态设置与图3、4相同，可以看到，转速稳定在300r/min。

图6电机A相开路时，实际的与采用虚拟信号注入法得到的电流角的仿真结果比较。仿真设置为：转速为300r/min，负载转矩8Nm，0～0.7s，采用虚拟信号注入法；0.7s～1s，认为给定电流角从0.3rad以斜率1rad/s增加一直到仿真结束。可以看到，虚拟信号注入法得到的电流角是0.304rad，实际最大转矩电流比的电流角是0.299rad，误差很小，因此可以忽略。

图7为电机A相开路时，不同转矩下虚拟信号注入法得到的电流角与实际电流角仿真比较。转矩以1Nm为补偿从3Nm到13Nm，转速为300r/min。从图中看出，在不同负载条件下，虚拟信号注入法都能够较准确的找到最大转矩电流比运行点。

图8为电机A相开路时，考虑磁阻转矩时，转矩跳变后的i_d电流仿真波形图以及与理想i_d电流的对比。转矩从8Nm阶跃至12Nm，转速为300r/min。可以看到修正虚拟信号注入法找到的最大转矩电流比运行点与理想值很接近。

图9为电机正常运行时，考虑磁阻转矩情况下，转矩跳变后的i_d电流响应实验波形图以及与理想i_d电流的对比。负载转矩从4.6Nm阶跃至8Nm，转速300r/min。

图10为电机A相开路时，考虑磁阻转矩情况下，转矩跳变后的i_d电流实验波形图以及与理想i_d电流的对比。转矩从4.4Nm阶跃至7Nm，转速为300r/min。

在图9和图10中，电流下降并不明显，这是由于控制对象的限制，其磁阻转矩所占总转矩的比例较低，如果应用在磁阻转矩比例较大的电机中，定子电流幅值会有较为明显的下降。

应理解上述实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种考虑磁阻转矩的三相容错内置式永磁电机的开路容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立三相容错内置式永磁电机模型；

步骤3，基于滞环比较法，完成正常情况下，基于修正虚拟信号注入法的最大转矩电流比控制；

步骤4，基于滞环比较法，完成i_d＝0控制下的容错；

2.根据权利要求1所述的一种考虑磁阻转矩的三相容错内置式永磁电机的开路容错控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程是：

步骤2.1，内嵌式永磁同步电机的磁阻转矩计算公式为：

其中，T_r是磁阻转矩；L_k是每相自感；M_kj是k相和j相的互感，k,j＝1,2,3分别代表A、B、C三相；i_k和i_j分别表示k相和j相的相电流，θ_m是机械角度；

步骤2.2，将三相电流、自感和互感分别带入磁阻转矩公式，整理得到正常运行时的磁阻转矩；

步骤2.3，设A相为开路相，并假设考虑磁阻转矩的容错相电流；

步骤2.4，将电感矩阵以及步骤2.3中的容错电流带入步骤2.1的磁阻转矩计算公式中，计算得到A相开路时的磁阻转矩；

步骤2.5，比较正常运行时的磁阻转矩以及容错时的磁阻转矩，使平均磁阻转矩相等，得到最终容错电流。

3.根据权利要求1所述的一种考虑磁阻转矩的三相容错内置式永磁电机的开路容错控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程是：

步骤3.1，根据内嵌式永磁同步电机在两相旋转坐标系下的机械功率、输出转矩以及电压方程，得到等效关系；

步骤3.2，向电流角中注入一个幅值很小的高频正弦信号，则相应的直轴和交轴电流为：

Δβ＝Asin(ω_ht)

其中，Δβ是要注入的高频信号，I_m是电流的幅值，A是信号的幅值，ω_h是注入信号的频率；

步骤3.3，在步骤3.1和3.2基础上，得到由反馈电流、电压、转速、含高频分量的d-q轴电流计算组成的，注入高频信号之后的输出转矩；

步骤3.4，通过信号处理的方法，对含有高频分量的输出转矩进行解调，得到转矩对电流角的偏导信号，再经过比例积分或者比例环节，得到最大转矩电流比控制的电流角β或d轴电流。

4.根据权利要求1所述的一种考虑磁阻转矩的三相容错内置式永磁电机的开路容错控制方法，其特征在于，A相开路时，考虑磁阻转矩的容错电流为：

其中，I_m是电流的幅值，θ_e是电机电角度，β是最大转矩电流比控制下的电流角。