CN107046389B - 一种基于cpwm的三相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CPWM的三相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，包括如下步骤：检测电机转速，将给定转速ω^* _r与反馈转速ω_r比较，利用PI控制器得到q轴给定电流i^* _q；根据采样的相电流判断故障信息，闭合开关S₁；通过降阶矩阵变换得到d‑q轴反馈电流i_dm，i_qm；计算故障状态下的d‑q轴电压u_dm，u_qm；将所得到的d‑q轴电压u_dm，u_qm和电流i_dm，i_qm以及转速ω_r，输入到最大转矩电流比容错(FT‑MTPA)模块中，利用虚拟信号注入法，来得到电机容错运行时的d轴给定电流i^* _d；将d‑q轴的给定电流与反馈电流相比较，通过PI控制器得到d‑q轴的给定电压，通过降阶矩阵得到相电压，输入到CPWM模块中，得到每相的开关信号，通过逆变器控制电机，实现三相永磁电机的FT‑MTPA控制。

Description

一种基于CPWM的三相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法

技术领域

本发明涉及三相永磁电机容错控制领域，特指一种基于CPWM实现的三相永磁电机单相开路最大转矩电流比控制方法。适用于航空航天、电动汽车等对电机可靠性有较高要求的场所。

背景技术

内嵌式永磁电机因为其高转矩密度、高效率和宽调速范围等特点，在电动汽车、航天航空以及海上舰船推动领域应用越来越广泛。同时，对于航空航天、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，永磁电机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。但是这些容错电流的计算方法一般都是基于i_d＝0的控制算法，适用于表贴式永磁电机，对于内嵌式永磁的电机而言，容错运行时没有充分利用内嵌式永磁电机的磁阻转矩来提升电机的输出转矩性能，也无法使内嵌式永磁电机调速范围宽的优势在容错运行时体现出来。

过去几十年中，国内外学者为实现最大转矩电流比(MTPA)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

针对传统容错控制难以利用磁阻转矩的弊端以及现有MTPA未能实现带故障运行的现状，本发明提出了一种基于CPWM的三相永磁电机最大转矩电流比容错控制。

一种基于CPWM的三相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，包括如下步骤：

步骤1，检测三相永磁电机转速，作为电机的速度反馈ω_r，将给定转速ω^* _r与反馈转速ω_r相比较得到电机的转速误差e_r，采用PI控制器根据转速误差e_r计算得到三相永磁电机的q轴电流，PI控制器的输出量为给定的q轴电流i^* _q。

步骤2，利用电流传感器采样三相永磁电机的各相电流i_a，i_b，i_c，将采集到的相电流输入到故障诊断模块中。若检测出发生故障，输出故障信号F，闭合开关S₁，将星形连接的三相永磁电机中性点连接到直流电源的中点。并同时确定故障相信息。

步骤3，根据所确定的故障相来选择对应单相开路时的降阶矩阵，利用所选取的降阶矩阵，对采样得到的三相永磁电机的相电流进行矩阵变换，得到故障时三相永磁电机反馈的d-q轴电流i_dm，i_qm。

步骤4，根据之前得到的故障相信息，利用CPWM模块中得到的剩余正常相输出电压的占空比和母线电压以及故障相的反电势，通过矩阵变换得到故障下的d-q轴电压u_dm，u_qm。

步骤5，将所得到的d-q轴电压u_dm，u_qm和电流i_dm，i_qm以及转速ω_r，作为输入信号输入到最大转矩电流比容错(FT-MTPA)模块中，利用虚拟信号注入法，来得到三相永磁电机的d轴电流，FT-MTPA模块的输出量为给定的d轴电流i^* _d。

步骤6，分别将给定的d-q轴电流i^* _d，i^* _q与反馈的d-q轴电流i_dm，i_qm相比较，得到d-q轴电流误差e_id，e_iq，采用PI控制器根据得到的d-q轴电流误差e_id，e_iq计算得到三相永磁电机d-q轴的电压，两个PI控制器的输出量分别为三相永磁电机给定d-q轴的电压分量u^* _d，u^* _q。

步骤7，利用降阶变换将给定的d-q轴电压分量u^* _d，u^* _q变换到三相自然坐标系下的给定相电压u^* _a，u^* _b，u^* _c。将所得到的给定相电压u^* _a，u^* _b，u^* _c输入到CPWM模块，得到各相的开关信号。将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现三相永磁电机的最大转矩电流比容错控制。

进一步，步骤3中所述的降阶矩阵的推导方法为：在一相开路故障情况下，将与故障相相关的元素去掉，并去除clarke变换矩阵的最后一行。

以A相开路故障为例：

当A相发生开路故障时，重构后的降阶clarke变换矩阵为：

三相永磁电机单相发生开路故障时的降阶park变换矩阵为：

进一步，步骤5中所述FT-MTPA模块的具体执行步骤如下：

步骤5.1，将所得到的d-q轴电压u_dm，u_qm和电流i_dm，i_qm以及转速ω_r，通过一个低通滤波器，得到滤波后的d-q轴电压u_d，u_q和电流i_d，i_q以及转速ω_m。

步骤5.2，由滤波后的d-q轴电流i_d，i_q计算得到电流的幅值I_m和电流相位角β:

步骤5.3，在电流相位角β中注入高频信号Δβ，利用电流幅值I_m和含高平信号的电流相位角β+Δβ计算得到含高频分量的d-q轴电流i^h _d，i^h _q。

Δβ＝Asin(ω_ht)

步骤5.4，根据滤波后得到的d-q轴电压u_d，u_q，电流i_d，i_q，转速ω_m，步骤5.3中得到的含高频分量的d-q轴电流i^h _d，i^h _q以及三相永磁电机的d轴电感L_d来计算含有高频分量的三相永磁电机的电磁转矩T^h _e，并给出其泰勒展开表达式：

步骤5.5，将含有高频分量的转矩T^h _e，通过中心频率为ω_h的带通滤波器提取出分量，将带通滤波器提取的信号与同相位的sin(ω_ht)相乘：

步骤5.6，将相乘得到的信号通过低通滤波器提取出其中的直流量获得正比于的信号，利用PI控制器或纯积分控制器积分出d轴给定电流i^* _d。

进一步，步骤4中所述利用CPWM模块中得到的剩余正常相输出电压占空比和母线电压以及故障相的反电势，计算三相永磁电机d-q轴电压u_dm，u_qm的方法为：

本发明具有以下有益效果：

1、本发明将虚拟信号注入的MTPA算法和使用降阶矩阵的容错算法相结合，解决了传统容错控制难以利用磁阻转矩的弊端以及弥补了现有MTPA未能实现带故障运行的遗憾，实现了内嵌式三相永磁同步电机容错运行状态下的MTPA控制。使得内嵌式三相永磁同步电机在容错运行时也能够充分利用磁阻转矩分量，提高了电机故障状态下的输出转矩性能，提升了电机的容错运行效率，拓宽了电机容错运行时的调速范围，使其能更好的适用于电动汽车等需要高可靠性和宽调速范围的应用领域。

2、本发明采用的MTPA算法为虚拟信号注入法，与传统信号注入的MTPA算法相比，虚拟信号注入不需要往电机中注入额外的信号，因此不会增加电机的铁耗和铜耗，而且不会受到电压和电流中固有谐波的影响。对于电机运行工况的变化也具有更好的鲁棒性。

3、本发明采用的PWM调制方式为基于载波的脉宽调制CPWM，与传统容错算法中使用的电流滞环调制方法相比，CPWM具有固定的调制周期，可以用来实现故障状态下的磁场定向控制。

附图说明

图1：采用虚拟信号注入和降阶矩阵实现的FT-MTPA容错控制框图；(a)三相永磁电机基于CPWM实现的最大转矩电流比容错控制的主框图；(b)采用虚拟信号注入实现最大转矩电流比容错控制的算法框图；

图2：三相永磁同步电机容错运行时的电流波形；

图3：三相永磁同步电机容错运行时的d轴电流；

图4：三相永磁同步电机容错运行的(a)速度波形；(b)转矩波形；

图5：采用高频信号注入和降阶矩阵实现的FT-MTPA容错控制框图；

图6：高频信号注入实现最大转矩电流比容错控制的算法框图。

具体实施方式

具体实施例1

具体实施例1，主要是介绍基于虚拟信号注入和降阶矩阵所实现的三相永磁电机最大转矩电流比容错控制，其控制框图如图1所示。下面结合附图，仔细说明该实施例的具体实施方式和实施效果。

步骤1，检测三相永磁电机转速，作为电机的速度反馈ω_r，将给定转速ω^* _r与反馈转速ω_r相比较得到电机的转速误差e_r，采用PI控制器根据转速误差e_r计算得到三相永磁电机的q轴电流，PI控制器的输出量为给定的q轴电流i^* _q。

步骤2，利用电流传感器采样三相永磁电机的各相电流i_a，i_b，i_c，将采集到的相电流输入到故障诊断模块中。若检测出发生故障，输出故障信号F，闭合开关S₁，将星形连接的三相永磁电机中性点连接到直流电源的中点。并同时确定故障相信息。

步骤3，根据所确定的故障相来选择对应单相开路时的降阶矩阵，利用所选取的降阶矩阵，对采样得到的三相永磁电机的相电流进行矩阵变换，得到故障时三相永磁电机反馈的d-q轴电流idm，iqm。

所述的降阶矩阵的推导方法为：在一相开路故障情况下，将clarke变换矩阵中与故障相相关的那一列去掉(其中A,B,C相分别与第一，二，三列相关)，并去除clarke变换矩阵的最后一行。

以A相开路故障为例：

正常运行时，clarke变换矩阵为：

当A相发生开路故障时，去掉clarke变换中与A相有关的第一列，并去除剩余的最后一行，重构后的降阶clarke变换矩阵为：

三相永磁电机发生单相开路故障时的降阶park变换矩阵为：

步骤4，根据之前得到的故障相信息，利用CPWM模块中得到的剩余正常相输出电压的占空比和母线电压以及故障相的反电势，通过矩阵变换得到故障下的d-q轴电压u_dm，u_qm。

计算三相永磁电机d-q轴电压u_dm，u_qm的方法为：

步骤5，将所得到的d-q轴电压u_dm，u_qm和电流i_dm，i_qm以及转速ω_r，作为输入信号输入到最大转矩电流比容错(FT-MTPA)模块中，利用虚拟信号注入法，来得到三相永磁电机的d轴电流，FT-MTPA模块的输出量为给定的d轴电流i^* _d。

如图1(b)所示，所述FT-MTPA模块的具体执行步骤如下：

步骤5.1，将所得到的d-q轴电压u_dm，u_qm和电流i_dm，i_qm以及转速ω_r，通过一个低通滤波器，得到滤波后的d-q轴电压u_d，u_q和电流i_d，i_q以及转速ω_m。

步骤5.2，由滤波后的d-q轴电流i_d，i_q计算得到电流的幅值I_m和电流相位角β:

步骤5.3，在电流相位角β中注入高频信号Δβ，利用电流幅值I_m和含高平信号的电流相位角β+Δβ计算得到含高频分量的d-q轴电流i^h _d，i^h _q。

Δβ＝Asin(ω_ht)

步骤5.4，根据滤波后得到的d-q轴电压u_d，u_q，电流i_d，i_q，转速ω_m，步骤5.3中得到的含高频分量的d-q轴电流i^h _d，i^h _q以及三相永磁电机的d轴电感L_d来计算含有高频分量的三相永磁电机的电磁转矩T^h _e，并给出其泰勒展开表达式：

步骤5.5，将含有高频分量的转矩T^h _e，通过中心频率为ω_h的带通滤波器提取出分量，将带通滤波器提取的信号与同相位的sin(ω_ht)相乘：

步骤5.6，将相乘得到的信号通过低通滤波器提取出其中的直流量获得正比于的信号，利用PI控制器或纯积分控制器积分出d轴给定电流i^* _d。

步骤6，分别将给定的d-q轴电流i^* _d，i^* _q与反馈的d-q轴电流i_dm，i_qm相比较，得到d-q轴电流误差e_id，e_iq，采用PI控制器根据得到的d-q轴电流误差e_id，e_iq计算得到三相永磁电机d-q轴的电压，两个PI控制器的输出量分别为三相永磁电机给定d-q轴的电压分量u^* _d，u^* _q。

步骤7，利用降阶变换将给定的d-q轴电压分量u^* _d，u^* _q变换到三相自然坐标系下的给定相电压u^* _a，u^* _b，u^* _c。将所得到的给定相电压u^* _a，u^* _b，u^* _c输入到CPWM模块，得到各相的开关信号。将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现三相永磁电机的最大转矩电流比容错控制。

图2给出了三相永磁电机A相开路容错运行时的相电流波形。由图3所示，给出了三相永磁同步电机A相开路容错运行时的d轴电流波形，从图中可以看出，d轴电流最终稳定在d轴电流理论值附近，从而也验证了本发明所提三相永磁电机FT-MTPA算法的正确性，最终可以稳定在最大转矩点附近。

图4给出了三相内嵌式永磁同步电机A相开路容错运行时的转速和转矩波形。由图4(a)转速波形图可以看出，电机容错运行时的转速恒定；图4(b)为转矩波形图，可以看出电机容错运行时的输出转矩平均值保持了不变，满足了电机的容错运行要求。

具体实施例2

具体实施例2，主要是介绍基于高频信号注入和降阶矩阵所实现的三相永磁电机最大转矩电流比容错控制，其控制框图如图2所示。与具体实施例1相比，具体实施例2的FT-MTPA算法，采用了高频信号注入的方法，高频信号注入与虚拟信号注入相比不需要电机的具体参数，但是会增加系统的铜耗和铁耗。下面结合附图5和图6，仔细说明该实施例的具体实施方式。

步骤1，检测三相永磁电机转速，作为电机的速度反馈ω_r，将给定转速ω^* _r与反馈转速ω_r做差得到电机的转速误差e_r，采用PI控制器根据转速误差e_r计算得到三相永磁电机的q轴电流，PI控制器的输出量为给定的q轴电流i^* _q。

步骤2，利用电流传感器采样三相永磁电机的各相电流i_a，i_b，i_c，将采集到的相电流输入到故障诊断模块中。若检测出发生故障，输出故障信号F，闭合开关S₁，将星形连接的三相永磁电机中性点连接到直流电源的中点。并同时确定故障相信息。

步骤3，根据所确定的故障相来选择对应单相开路时的降阶矩阵，利用所选取的降阶矩阵，对采样得到的三相永磁电机的相电流进行矩阵变换，得到故障时三相永磁电机反馈的d-q轴电流i_dm，i_qm。

步骤4，根据之前得到的故障相信息，利用CPWM模块中得到的剩余正常相输出电压占空比和母线电压以及故障相的反电势，通过矩阵变换得到故障下的三相永磁电机α-β轴电压u_α，u_β:

同样可以利用降阶矩阵获得α-β轴电流i_α，i_β。

步骤5，将所得到的α-β轴电压u_α，u_β和电流i_α，i_β以及转速ω_r，作为输入信号输入到最大转矩电流比容错模块(FT-MTPA)中，来获得三相永磁电机的d轴电流，FT-MTPA的输出量为给定的d轴电流i^* _d。如图6所示，具体执行步骤如下：

步骤5.1，利用输入的α-β轴电压u_α，u_β和电流i_α，i_β计算定子磁链幅值|ψ_s|：

ψ_α＝∫(u_α-Ri_α)dt

ψ_β＝∫(u_β-Ri_β)dt

步骤5.2，定子电流幅值|i_s|和定子磁链幅值|ψ_s|分别经过通带频率为ω_h的带通滤波器BPF分离出ω_h的信号，将提取后的信号相乘，经过一个低通滤波器LPF，最后送入一个积分器，积分器的输出为给定的d轴电流i^* _d。

步骤6，分别将给定的d-q轴电流i^* _d，i^* _q与反馈的d-q轴电流i_dm，i_qm比较，得到d-q轴电流误差e_id，e_iq采用PI控制器根据得到的d-q轴电流误差e_id，e_iq计算得到三相永磁电机d-q轴的电压，两个PI控制器的输出量分别为三相永磁电机给定d-q轴电压分量u^* _d，u^* _q。

步骤7，将得到的d-q轴电压分量u^* _d，u^* _q，通过降阶矩阵变换得到α-β轴的电压u^* _α，u^* _β，将得到的α-β轴的电压u^* _α，u^* _β输入到信号注入模块，进行高频信号注入，其注入方法如下：

信号注入模块输入是α-β轴电压给定值u^* _α，u^* _β，输出是u^* _αh，u^* _βh，具体运算如下：

θ＝Asin(ω_ht)

其中，θ是要注入的高频信号，A是信号的幅值，ω_h是注入信号的频率。需要强调的是，注入信号的频率需要考虑逆变器的开关频率和电机的电角速度的基波频率，比如电机转速W r/min，极对数P，基波频率就为WP/60Hz，经过试验，注入信号的频率选取基波频率的2-3倍最佳，即WP/30～WP/20Hz，注入信号的幅值A取3～8°最佳。经过上述操作，高频信号就可以成功的注入进电压空间矢量中了。

步骤8，利用降阶变换将含有高频信号的α-β轴电压u^* _αh，u^* _βh变换到三相自然坐标系下的给定相电压u^* _a，u^* _b，u^* _c。将所得到的给定相电压u^* _a，u^* _b，u^* _c输入到CPWM模块，得到各相的开关信号。将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现三相永磁电机的最大转矩电流比容错控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于CPWM的三相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，检测三相永磁电机转速，作为电机的速度反馈ω_r，将给定转速ω^* _r与反馈转速ω_r相比较得到电机的转速误差e_r，采用PI控制器根据转速误差e_r计算得到三相永磁电机的q轴电流，PI控制器的输出量为给定的q轴电流i^* _q；

步骤2，利用电流传感器采样三相永磁电机的各相电流i_a，i_b，i_c，将采集到的相电流输入到故障诊断模块中，若检测出发生单相开路故障，输出故障信号F，闭合开关S₁，将星形连接的三相永磁电机中性点连接到直流电源的中点，并同时确定故障相信息；

步骤3，根据所确定的故障相来选择对应单相开路时的降阶矩阵，降阶矩阵的推导方法为：在一相开路故障情况下，将clarke变换矩阵中与故障相相关的那一列去掉，并去除clarke变换矩阵的最后一行，具体过程为：假如为A相开路故障：

正常运行时，clarke变换矩阵为：

当A相发生开路故障时，去掉clarke变换中与A相有关的第一列，并去除剩余的最后一行，重构后的降阶clarke变换矩阵为：

三相永磁电机发生单相开路故障时的降阶park变换矩阵为：

利用所选取的降阶矩阵，对采样得到的三相永磁电机的相电流进行矩阵变换，得到故障时三相永磁电机反馈的d-q轴电流i_dm，i_qm；

步骤4，根据之前得到的故障相信息，利用CPWM模块中得到的剩余正常相输出电压的占空比和母线电压以及故障相的反电势，通过矩阵变换得到故障下三相永磁电机的d-q轴电压u_dm，u_qm；

步骤5，将所得到的d-q轴电压u_dm，u_qm和电流i_dm，i_qm以及转速ω_r，作为输入信号输入到最大转矩电流比容错FT-MTPA模块中，利用虚拟信号注入法，来得到三相永磁电机的d轴电流，FT-MTPA模块的输出量为给定的d轴电流i^* _d；

步骤6，分别将给定的d-q轴电流i^* _d，i^* _q与反馈的d-q轴电流i_dm，i_qm相比较，得到d-q轴电流误差e_id，e_iq，采用PI控制器根据得到的d-q轴电流误差e_id，e_iq计算得到三相永磁电机d-q轴的电压，两个PI控制器的输出量分别为三相永磁电机给定d-q轴的电压分量u^* _d，u^* _q；

步骤7，利用降阶变换将给定的d-q轴电压分量u^* _d，u^* _q变换到三相自然坐标系下的给定相电压u^* _a，u^* _b，u^* _c，将所得到的给定相电压u^* _a，u^* _b，u^* _c输入到CPWM模块，得到各相的开关信号，将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现三相永磁电机的最大转矩电流比容错控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于CPWM的三相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，其特征在于，步骤5中所述FT-MTPA模块的具体执行步骤如下：

步骤5.1，将所得到的d-q轴电压u_dm，u_qm和电流i_dm，i_qm以及转速ω_r，通过一个低通滤波器，得到滤波后的d-q轴电压u_d，u_q和电流i_d，i_q以及转速ω_m；

步骤5.2，由滤波后的d-q轴电流i_d，i_q计算得到电流的幅值I_m和电流相位角β：

步骤5.3，在电流相位角β中注入高频信号Δβ，利用电流幅值I_m和含高平信号的电流相位角β+Δβ计算得到含高频分量的d-q轴电流i^h _d，i^h _q；

Δβ＝Asin(ω_ht)

步骤5.4，根据滤波后得到的d-q轴电压u_d，u_q，电流i_d，i_q，转速ω_m，步骤5.3中得到的含高频分量的d-q轴电流i^h _d，i^h _q以及三相永磁电机的d轴电感L_d来计算含有高频分量的三相永磁电机的电磁转矩T^h _e，并给出其泰勒展开表达式：

步骤5.5，将含有高频分量的转矩T^h _e，通过中心频率为ω_h的带通滤波器提取出分量，将带通滤波器提取的信号与同相位的sin(ω_ht)相乘：

步骤5.6，将相乘得到的信号通过低通滤波器提取出其中的直流量获得正比于的信号，利用PI控制器或纯积分控制器积分出d轴给定电流i^* _d。

3.根据权利要求1所述的一种基于CPWM的三相永磁电机最大转矩电流比容错控制方法，其特征在于，步骤4中所述利用CPWM模块中得到的剩余正常相输出电压占空比和母线电压以及故障相的反电势，计算三相永磁电机d-q轴电压u_dm，u_qm的方法为：