CN107565868A - 一种五相永磁同步电机开路故障下的容错控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五相永磁同步电机开路故障下的容错控制系统及方法，首先，利用转速控制器获得基波空间交轴电流参考值；基于磁动势不变原则，对故障后的相电流进行重构，并通过拓展Clark变换得到基波空间两相静止电流参考值；然后，利用采集到的相电流和转子位置角计算非零电压矢量作用时间；采用两相静止电流参考值和预测值建立价值函数；最后，通过优化价值函数获得最优电压矢量及其作用时间，采用占空比控制设计占空比并输送至逆变器，逆变器输出最优电压给带故障运行的永磁同步电机。本发明简化了五相永磁同步电机单相开路故障后的电压矢量集，减少了运算量；而且运用了非零矢量与零矢量相结合的方法，改善了模型预测控制稳态性能。

Description

一种五相永磁同步电机开路故障下的容错控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种五相永磁同步电机单相开路故障下的容错控制系统及方法，属于电机驱动及控制领域。
背景技术
相比与传统三相交流调速系统，多相交流调速系统具有以下优势：1)提高了电磁转矩脉动的频率，降低了转矩脉动的幅值；2)增加定子绕组相数，降低了功率器件的容量，避免了由功率器件串、并联所带来的均压、均流等问题；3)提高了系统的容错运行能力，能实现故障状态下的无扰容错运行。此外，与异步电机相比，永磁同步电机具有更高的效率和更大的功率密度等。因此，多相永磁同步电机调速系统在大功率输出和高可靠性场合，具有广泛的应用前景。
多相永磁同步电机调速系统中常见电气故障分为逆变器故障和电机本体故障，每种电气故障又可分为开路和短路两种形式。上述两种故障都会造成系统不对称，产生周期性转矩脉动，影响系统运行性能。容错控制的目的是保证电机调速系统在故障情况下仍具有一定的输出能力，维持系统的持续可靠运行。
另一方面，有限控制集模型预测控制能够根据被控对象的约束和离散特性在线解决优化问题，其结构简单，算法容易实现，而且具有良好的动态性能，近年来在电力电子和电机驱动领域被广泛研究与应用。
针对电压型逆变器供电的五相永磁同步电机驱动系统，中国发明专利《一种五相永磁同步电机有限集模型预测电流控制方法》(专利号为CN201611214528.4，公开日期为2017.03.15)公开了基于大矢量和中矢量合成的虚拟矢量的模型预测电流控制方法。中国发明专利《一种五相永磁同步电机模型预测转矩控制方法》(专利号为CN201710022345.0，公开日期为2017.06.06)公开了基于相邻4矢量的五相永磁同步电机模型预测转矩控制方法。上述专利所公开的模型预测控制方法能提高五相永磁同步电机驱动系统在正常运行时的性能，然而对故障状态下的五相永磁同步电机驱动系统模型预测控制研究较少。
发明内容
本发明针对单相开路故障的五相永磁同步电机驱动系统，提供了一种基于简化电压集和占空比优化的模型预测容错控制系统及方法，该方法能保证五相永磁同步电机驱动系统在发生开路故障后仍然具有较好的运行性能，提高了系统带故障运行能力。
本发明采用的技术方案为：一种五相永磁同步电机开路故障下的容错控制系统，包括转速PI控制器、电流重构模块、价值函数优化模块、占空比控制模块、逆变器、电流传感器、单相开路故障的五相永磁同步电机、编码器、基本电压矢量作用时间计算模块和电流预测模块；
转速参考值和经编码器反馈得到的实际转速相比较，其转速差值输入至转速PI控制器；转速PI控制器输出基波空间交轴电流参考值，并输入给电流重构模块，重构后的相电流经过拓展Clark变换得到基波空间两相静止电流参考值；电流重构模块的输出和电流预测模块的输出(其输入为基本电压矢量作用时间计算模块和电流传感器二者的输出)同时输送至价值函数优化模块；价值函数优化模块输出最优基本电压矢量及其作用时间至占空比控制模块；占空比控制模块输出占空比信号至逆变器；逆变器输出最优电压至单相开路故障下的五相永磁同步电机；电流传感器采集到的四相电流输送给基本电压矢量作用时间计算模块；基本电压矢量作用时间计算模块和电流传感器二者的输出送至电流预测模块。
一种五相永磁同步电机开路故障下的容错控制方法，包括以下步骤：
步骤一：当单相绕组发生开路故障后，转速控制器获得基波空间中的交轴电流参考值，电流重构模块将重构后的相电流通过拓展Clark变换，得到基波空间两相静止电流参考值；
计算基波空间交轴电流参考值iq1 *：检测电机实际转速n，将转速参考值n*与实际转速n的差值en输入转速PI控制器，根据公式(1)获得基波空间交轴电流参考值iq1 *；
其中，KP和KI分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；
计算重构相电流iB’、iC’、iD’和iE’：采集实时转子位置θr，为能够保证五相永磁同步电机发生单相开路故障后合成磁动势不变，将基波空间中的交、直轴电流参考iq1 *和id1 *根据公式(2)进行电流重构；
其中， 可以利用最大转矩电流方法比获得，Pr为极对数。
计算基波空间两相静止电流参考值和将重构后的相电流通过拓展Clark变换公式(3)，得到基波空间中的两相静止电流参考值和
其中，δ＝2π/5。
步骤二：利用电流参考值和电流预测值建立价值函数；
计算k时刻基波空间和3次谐波空间的两相静止电流iα(k)/iβ(k)和ix(k)/iy(k)：根据公式(4)，由四相非故障电流iB(k)、iC(k)、iD(k)和iE(k)，得到k时刻基波空间中的两相静止电流iα(k)/iβ(k)和3次谐波空间中的两相静止电流ix(k)/iy(k)；
计算基本电压矢量作用时间ti：根据公式(5)，由简化电压集中的非零基本电压矢量ui、非零谐波电压矢量vi、k时刻基波空间和3次谐波空间中的两相静止电流iα(k)/iβ(k)和ix(k)/iy(k)，可得到基本电压矢量的作用时间ti，而一个采样周期Ts中的剩余时间(Ts-ti)则由零矢量作用；；
其中，Ts表示采样时间，Rs为定子绕组每相电阻，Ls为定子绕组同步电感，eα(k-1)/eβ(k-1)为(k-1)时刻基波空间中空载反电动势的αβ分量，ey(k-1)为(k-1)时刻3次谐波空间中空载反电动势的y轴分量，uiα(k)/uiβ(k)为k时刻基波空间中非零基本电压矢量ui的αβ分量，viy(k)为k时刻3次谐波空间中非零谐波电压矢量vi的y轴分量，i＝{1,…,8}；
若以A相绕组发生开路故障为例，其中的简化电压集，由以下10组开关状态产生：0000、0001、0011、0110、0111、1000、1001、1100、1110和1111。其中，“1”表示上桥臂开通下桥臂关断，“0”表示下桥臂开通上桥臂关断，0000和1111两组产生零电压矢量，其他8组产生非零电压矢量；上述开关状态在基波空间和3次谐波空间产生的基本电压矢量和谐波电压矢量分别如表1和表2所示，表中Udc为母线电压；
表1基波空间基本电压矢量表
表2 3次谐波空间谐波电压矢量表
计算(k+1)刻基波空间两相静止电流预测值iα(k+1)/iβ(k+1)和3次谐波空间中电流矢量y轴分量预测值iy(k+1)：将k时刻基波空间中的两相静止电流iα(k)/iβ(k)和3次谐波空间的电流矢量y轴分量iy(k)、基本电压矢量ui及其作用时间ti、谐波电压矢量vi，输入电流预测模块，根据公式(6)和公式(7)分别计算(k+1)刻基波空间两相静止电流预测值和谐波空间中的电流矢量y轴分量预测值
建立价值函数：根据公式(8)可得到基波空间中电流矢量参考值β轴分量iβ *与3次谐波空间中电流矢量参考值y轴分量iy *之间的关系。将(k+1)时刻基波空间和3次谐波空间中的电流参考值及其预测值输入价值函数优化模块，根据公式(9)计算价值函数gi。
步骤三：通过优化价值函数获得最优基本电压矢量及其作用时间，并经占空比控制和逆变器作用，输出最优电压给单相开路故障的五相永磁同步电机。
最优电压矢量及其作用时间选择：在价值函数gi中依次代入基本电压矢量ui及其作用时间ti和谐波电压矢量vi，当价值函数gi取得最小值时，其对应基波空间中基本电压矢量确定为最优电压矢量uopt，该电压矢量的作用时间即为最优时间topt。每个周期内，剩余的时间(Ts-topt)则由零矢量作用。
占空比控制：当最优基本电压矢量及其时间确定后，占空比控制模块设计对称式占空比信号并输送至逆变器，逆变器输出最优电压给单相开路故障下的五相永磁同步电机。
工作原理：转速参考值和经编码器得到的实际转速相比较，其转速差值输入至转速PI控制器；转速PI控制器输出基波空间交轴电流参考值，并输入给电流重构模块，重构后的相电流经过拓展Clark变换得到基波空间两相静止电流参考值；电流重构模块的输出和电流预测模块的输出(其输入为基本电压矢量作用时间计算模块和电流传感器二者的输出)送给价值函数优化模块；价值函数优化模块输出最优基本电压矢量及其作用时间给占空比控制模块；占空比控制模块输出占空比信号给逆变器；逆变器输出最优电压给单相开路故障下的五相永磁同步电机；电流传感器采集到的四相电流输送给基本电压矢量作用时间计算模块；基本电压矢量作用时间计算模块和电流传感器二者的输出送至电流预测模块。
有益效果：对于单相开路故障下的五相永磁同步电机驱动系统，本发明选用基波空间中的部分基本电压矢量为备选电压矢量，简化了该系统的电压集，并减少了3次谐波电压对系统输出性能的影响。本发明可保证五相永磁同步电机驱动系统在发生开路故障后仍然具有较好的运行性能，提高了系统带故障运行能力。
附图说明
图1是本发明提供的五相永磁同步电机开路故障下的容错控制系统示意图；
图2是本发明提供的五相永磁同步电机开路故障下的容错控制方法流程图；
图3a、图3b是本发明提供的五相永磁同步电机开路故障容错控制方法中所采用的简化电压集在基波空间和谐波空间分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种五相永磁同步电机开路故障下的容错控制系统，包括转速PI控制器1、电流重构模块2、价值函数优化模块3、占空比控制模块4、逆变器5、电流传感器6、单相开路故障的五相永磁同步电机7、编码器8、基本电压矢量作用时间计算模块9和电流预测模块10；
转速参考值和经编码器8反馈得到的实际转速相比较，其转速差值输入至转速PI控制器1；转速PI控制器1输出基波空间交轴电流参考值，并输入给电流重构模块2，重构后的相电流经过拓展Clark变换得到基波空间两相静止电流参考值；电流重构模块2的输出和电流预测模块10的输出，输入至价值函数优化模块3；价值函数优化模块3输出最优基本电压矢量及其作用时间给占空比控制模块4；占空比控制模块4输出占空比信号给逆变器5；逆变器5输出最优电压给单相开路故障下的五相永磁同步电机7；电流传感器6采集到的四相电流输送给基本电压矢量作用时间计算模块9；基本电压矢量作用时间计算模块9和电流传感器6的输出给电流预测模块10得到(k+1)时刻的电流预测值。
如图2和图3所示，一种五相永磁同步电机开路故障下的容错控制方法，包括以下步骤：
(1)计算基波空间交轴电流参考值iq1 *：检测电机实际转速n，将转速参考值n*与实际转速n的差值en输入PI控制器，根据公式(1)获得基波空间交轴电流参考值iq1 *；
其中，KP和KI分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；
(2)计算重构相电流iB’、iC’、iD’和iE’：采集实时转子位置θr，为能够保证五相永磁同步电机发生单相开路故障后合成磁动势不变，将基波空间中的交、直轴电流参考iq1 *和id1 *根据公式(2)进行电流重构；
其中，id1 *可以利用最大转矩电流方法比获得，Pr为极对数。
(3)计算基波空间两相静止电流参考值iα *和iβ *：将重构后的相电流通过拓展Clark变换公式(3)得到两相静止坐标系的电流参考值iα *和iβ *；
其中，δ＝2π/5。
(4)计算k时刻基波空间和3次谐波空间的两相静止电流iα(k)/iβ(k)和ix(k)/iy(k)：根据公式(4)，由四相非故障电流iB(k)、iC(k)、iD(k)和iE(k)，得到k时刻基波空间中的两相静止电流iα(k)/iβ(k)和3次谐波空间中的两相静止电流ix(k)/iy(k)；
(5)计算基本电压矢量作用时间ti：根据公式(5)，由简化电压集中的非零基本电压矢量ui、非零谐波电压矢量vi、k时刻基波和3次谐波空间中的两相静止电流iα(k)/iβ(k)和ix(k)/iy(k)，可得到基本电压矢量的作用时间ti，而一个采样周期Ts中的剩余时间(Ts-ti)则由零矢量作用；
其中，Ts表示采样时间，Rs为定子绕组每相电阻，Ls为定子绕组同步电感，eα(k-1)/eβ(k-1)为(k-1)时刻基波空间中空载反电动势的αβ分量，ey(k-1)为(k-1)时刻3次谐波空间中空载反电动势的y轴分量，uiα(k)/uiβ(k)为k时刻基波空间中非零基本电压矢量ui的αβ分量，viy(k)为k时刻3次谐波空间中非零谐波电压矢量vi的y分量，i＝{1,…,8}。
(6)计算(k+1)刻基波空间两相静止电流预测值iα(k+1)/iβ(k+1)和3次谐波空间中电流矢量y轴分量预测值iy(k+1)：将k时刻基波空间中的两相静止电流iα(k)/iβ(k)和3次谐波空间中电流矢量y轴分量iy(k)、基本电压矢量ui及其作用时间ti、谐波电压矢量vi输入电流预测模块，根据公式(6)和公式(7)分别计算(k+1)刻基波空间两相静止电流预测值和谐波空间中电流矢量y轴分量预测值
(7)建立价值函数：根据公式(8)可得到基波空间中电流矢量参考值β轴分量iβ *与3次谐波空间内电流矢量参考值y轴分量iy *之间的关系。将(k+1)时刻基波空间和3次谐波空间中的电流矢量参考值及其预测值输入价值函数优化模块，根据公式(9)计算价值函数gi。
(8)在最优电压矢量及其作用时间选择：在价值函数gi中依次代入基本电压矢量ui及其作用时间ti和谐波电压矢量vi，当价值函数gi取得最小值时，其对应基波空间中基本电压矢量确定为最优电压矢量uopt，该电压矢量的作用时间即为最优时间topt。每个采样周期内，剩余的时间(Ts-topt)则由零矢量作用。
(9)占空比控制：当最优基本电压矢量及其时间确定后，占空比控制模块设计对称式占空比信号并输送至逆变器，逆变器输出最优电压给单相开路故障的五相永磁同步电机。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种五相永磁同步电机开路故障下的容错控制系统，其特征在于：包括转速PI控制器、电流重构模块、价值函数优化模块、占空比控制模块、逆变器、电流传感器、单相开路故障的五相永磁同步电机、编码器、基本电压矢量作用时间计算模块和电流预测模块；
转速参考值和经编码器反馈得到的实际转速相比较，其转速差值输入至转速PI控制器；转速PI控制器输出基波空间交轴电流参考值，并输入给电流重构模块，重构后的相电流经过拓展Clark变换得到基波空间两相静止电流参考值；电流重构模块的输出和电流预测模块的输出同时输送至价值函数优化模块；价值函数优化模块输出最优基本电压矢量及其作用时间至占空比控制模块；占空比控制模块输出占空比信号至逆变器；逆变器输出最优电压至单相开路故障下的五相永磁同步电机；电流传感器采集到的四相电流输送给基本电压矢量作用时间计算模块；基本电压矢量作用时间计算模块和电流传感器二者的输出送至电流预测模块。
2.根据权利要求1所述控制系统的的五相永磁同步电机开路故障下的容错控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：当单相绕组发生开路故障后，转速控制器获得基波空间中的交轴电流参考值，电流重构模块将重构后的相电流通过拓展Clark变换，得到基波空间两相静止电流参考值；
步骤二：利用电流参考值和电流预测值建立价值函数；
步骤三：通过优化价值函数获得最优基本电压矢量及其作用时间，并经占空比控制和逆变器作用，输出最优电压给单相开路故障的五相永磁同步电机。
3.根据权利要求2所述的五相永磁同步电机开路故障下的容错控制方法，其特征在于：所述步骤一中：
计算基波空间交轴电流参考值iq1 *：检测电机实际转速n，将转速参考值n*与实际转速n的差值en输入转速PI控制器，根据公式(1)获得基波空间交轴电流参考值iq1 *；
其中，KP和KI分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；
计算重构相电流iB’、iC’、iD’和iE’：采集实时转子位置θr，为能够保证五相永磁同步电机发生单相开路故障后合成磁动势不变，将基波空间中的交、直轴电流参考iq1 *和id1 * 根据公式(2)进行电流重构；
其中，id1 *利用最大转矩电流方法比获得，Pr为极对数；
计算基波空间两相静止电流参考值iα *和iβ *：将重构后的相电流通过拓展Clark变换公式(3)，得到基波空间中的两相静止电流参考值iα *和iβ *；
其中，δ＝2π/5。
4.根据权利要求3所述的五相永磁同步电机开路故障下的容错控制方法，其特征在于：所述步骤二中：
计算k时刻基波空间和3次谐波空间的两相静止电流iα(k)/iβ(k)和ix(k)/iy(k)：根据公式(4)，由四相非故障电流iB(k)、iC(k)、iD(k)和iE(k)，得到k时刻基波空间中的两相静止电流iα(k)/iβ(k)和3次谐波空间中的两相静止电流ix(k)/iy(k)；
计算基本电压矢量作用时间ti：根据公式(5)，由简化电压集中的非零基本电压矢量ui、非零谐波电压矢量vi、k时刻基波空间和3次谐波空间中的两相静止电流iα(k)/iβ(k)和ix(k)/iy(k)，得到基本电压矢量的作用时间ti，而一个采样周期Ts中的剩余时间(Ts-ti)则由零矢量作用；
其中，Ts表示采样时间，Rs为定子绕组每相电阻，Ls为定子绕组同步电感，eα(k-1)/eβ(k-1)为(k-1)时刻基波空间中空载反电动势的αβ分量，ey(k-1)为(k-1)时刻3次谐波空间中空载 反电动势的y轴分量，uiα(k)/uiβ(k)为k时刻基波空间中非零基本电压矢量ui的αβ分量，viy(k)为k时刻3次谐波空间中非零谐波电压矢量vi的y轴分量，i＝{1,…,8}；
计算(k+1)刻基波空间两相静止电流预测值iα(k+1)/iβ(k+1)和3次谐波空间中电流矢量y轴分量预测值iy(k+1)：将k时刻基波空间中的两相静止电流iα(k)/iβ(k)和3次谐波空间的电流矢量y轴分量iy(k)、基本电压矢量ui及其作用时间ti、谐波电压矢量vi，输入电流预测模块，根据公式(6)和公式(7)分别计算(k+1)刻基波空间两相静止电流预测值和谐波空间中的电流矢量y轴分量预测值
建立价值函数：根据公式(8)得到基波空间中电流矢量参考值β轴分量iβ *与3次谐波空间中电流矢量参考值y轴分量iy *之间的关系；将(k+1)时刻基波空间和3次谐波空间中的电流参考值及其预测值输入价值函数优化模块，根据公式(9)计算价值函数gi；
。
5.根据权利要求4所述的五相永磁同步电机开路故障下的容错控制方法，其特征在于：所述步骤三中：
最优电压矢量及其作用时间选择：在价值函数gi中依次代入基本电压矢量ui及其作用时间ti和谐波电压矢量vi，当价值函数gi取得最小值时，其对应基波空间中基本电压矢量确定为最优电压矢量uopt，该电压矢量的作用时间即为最优时间topt。每个周期内，剩余的时间(Ts-topt)则由零矢量作用；
占空比控制：当最优基本电压矢量及其时间确定后，占空比控制模块设计对称式占空比信号并输送至逆变器，逆变器输出最优电压给单相开路故障下的五相永磁同步电机。
6.根据权利要求4所述的五相永磁同步电机开路故障下的容错控制方法，其特征在于：所述步骤二中：
若以A相绕组发生开路故障为例，其中的简化电压集，由以下10组开关状态产生：0000、0001、0011、0110、0111、1000、1001、1100、1110和1111；其中，“1”表示上桥臂开通下桥臂关断，“0”表示下桥臂开通上桥臂关断，0000和1111两组产生零电压矢量，其他8组产生非零电压矢量；上述开关状态在基波空间和3次谐波空间产生的基本电压矢量和谐波电压矢量分别如表1和表2所示，表中Udc为母线电压；
表1基波空间基本电压矢量表
表2 3次谐波空间谐波电压矢量表
。
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