CN108282127A

CN108282127A - 多相电机的容错控制方法和装置

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Publication number: CN108282127A
Application number: CN201711338657.9A
Authority: CN
Inventors: 耿乙文; 李永岗; 郑鹏飞
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2018-07-13
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: CN108282127B

Abstract

本发明公开了一种多相电机的容错控制方法和装置，该容错控制方法包括以下步骤：当多相电机的至少一相发生缺相故障时，获取未发生缺相故障的正常相的相电压和相电流；对正常相的相电压和相电流进行变换以得到两相静止坐标系下的定子电流和定子电压；根据两相静止坐标系下的定子电流和定子电压获取转子磁链的幅值和相位以及多相电机的转速参数；根据转子磁链的相位对两相静止坐标系下的定子电流进行变换以得到两相旋转坐标系下的定子电流；根据转子磁链的幅值给定值、转速参数给定值、转子磁链的幅值、转速参数、转子磁链的相位以及两相旋转坐标系下的定子电流获取正常相的参考相电压，并根据正常相的参考相电压对多相电机进行控制。

Description

多相电机的容错控制方法和装置

技术领域

本发明涉及多相电机控制技术领域，特别涉及一种多相电机的容错控制方法和一种多相电机的容错控制装置。

背景技术

在多相电机(相数>3)驱动系统中，由于相数的增加提高了电机系统冗余能力，当一相或者多相绕组发生故障，可通过相应的容错控制策略使剩余各相电流平衡，维持气隙磁链不变，保证电机继续平稳运行，使系统运行的可靠性大大增加。因此在电动汽车、轨道交通，船舶推进等场合得到了广泛应用。

当多相感应电机出现某相绕组路断路故障时，转矩和转速不可避免地出现波动。为了维持电机的平稳运行，需要及时调整控制策略，消除转矩波动的影响。基于多相感应电机的容错控制策略主要采用基于磁势不变的容错控制策略，其中基于磁势不变的容错控制策略根据目标不同又分为定子铜耗约束、定子电流幅值最小约束和定子电流幅值相等约束，这些容错控制策略通常采用电流滞环方式产生PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)波，不可避免的带来了不可控谐波，降低了电机效率。

多相感应电机驱动系统的高性能运行，通常釆用转速和电流双闭环的控制方式。对速度检测需要光电编码器、旋转变压器、磁编码器等传感器，增加了系统成本。同时，编码器对电机的运行环境要求高，给电机驱动系统带来安全隐患。无速度传感器技术的广泛研究，在速度检测传感器故障时为系统提供了备用方案，提高了电机驱动系统的可靠性，降低了经济成本。

目前适应于多相感应电机的无速度传感器算法，主要有基于电机模型的开环速度估计方法，信号注入法，还有构建状态闭环观测器的方法，闭环观测器又可以分为全阶状态观测器、扩展卡尔曼滤波器、模型参考适应观测器和滑模观测器等。其中构建状态闭环观测器方法是当前研究的热点之一，这种方法直接或间接地从反电势中提取转速信号，通过电机的状态方程计算出所感应的电动势来进行转速的估计。由于反电势幅值与速度成正比，当转速很低甚至到零速时反电动势的信噪比小，加上其它的扰动因素，很难精确地估算出转子速度和磁链，故此种方法适用于电机的中高速转速辨识，这些方法的模型都是依据精确的电机数学模型，便于数字化实现，然而电机参数辨识困难且易受环境温度的影响，降低了速度估计的精度和鲁棒性。并且在多相感应电机处于某相开路故障时，由于电磁参数的改变，这种传统基于闭环观测器的无速度传感器算法在故障条件下无法对转速和磁链进行准确的观测，要想实现容错运行，必须对无速度传感器的控制方式进行改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种多相电机的容错控制方法，能够在多相电机发生任意缺相故障时，有效且准确地对多相电机的转速进行辨识，从而实现缺相故障下的无扰运行，并且还能够有效抑制谐波，提高多相电机的效率，增强整体电机驱动系统的稳定性。

本发明的第二个目的在于提出一种多相电机的容错控制装置。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出的多相电机的容错控制方法，包括以下步骤：当所述多相电机的至少一相发生缺相故障时，获取未发生缺相故障的正常相的相电压和相电流；对所述正常相的相电压和相电流进行变换以得到两相静止坐标系下的定子电流和定子电压；根据所述两相静止坐标系下的定子电流和定子电压获取转子磁链的幅值和相位以及所述多相电机的转速参数；根据所述转子磁链的相位对所述两相静止坐标系下的定子电流进行变换以得到两相旋转坐标系下的定子电流；根据转子磁链的幅值给定值、转速参数给定值、所述转子磁链的幅值、所述转速参数、所述转子磁链的相位以及所述两相旋转坐标系下的定子电流获取所述正常相的参考相电压，并根据所述正常相的参考相电压对所述多相电机进行控制。

另外，根据本发明上述实施例的多相电机的容错控制方法还可以具有如下附加的技术特征：

具体地，所述根据转子磁链的幅值给定值、转速参数给定值、所述转子磁链的幅值、所述转速参数、所述转子磁链的相位以及所述两相旋转坐标系下的定子电流获取所述正常相的参考相电压包括：根据所述转子磁链的幅值和转子磁链的幅值给定值获取两相旋转坐标系下的参考电流的直轴分量，并根据所述转速参数和转速参数给定值获取两相旋转坐标系下的参考电流的交轴分量；分别对所述参考电流的直轴分量与所述两相旋转坐标系下的定子电流的直轴分量之差、所述参考电流的交轴分量与所述两相旋转坐标系下的定子电流的交轴分量之差进行准比例谐振调节，以得到两相旋转坐标系下的参考电压的直轴分量和交轴分量；根据所述两相旋转坐标系下的参考电压的直轴分量和交轴分量以及所述转子磁链的相位获取两相静止坐标系下的参考电压；对所述两相静止坐标系下的参考电压进行变换以得到所述正常相的参考相电压。

根据本发明的一个实施例，所述多相电机的转速参数为所述多相电机的转子电角速度或转速。

进一步地，根据单位正交解耦矩阵对所述正常相的相电压和相电流进行变换，以得到基波子空间下的两相静止坐标系下的定子电流和定子电压。

具体地，所述根据所述两相静止坐标系下的定子电流和定子电压获取转子磁链的幅值和相位以及所述多相电机的转速参数包括：根据所述两相静止坐标系下的定子电流和定子电压，通过在至少一相发生缺相故障时的定子电流方程计算两相静止坐标系下的电流误差，并将所述电流误差经过饱和函数和滑模增益后得到滑模控制函数；将所述滑模控制函数经过低通滤波器滤波后得到等效滑模控制函数，并将所述等效滑模控制函数的负值积分得到两相静止坐标系下的磁链，以及进一步得到所述转子磁链的幅值和相位；根据所述等效滑模控制函数和所述两相静止坐标系下的磁链获取所述转子电角速度。

根据本发明的一个实施例，所述多相电机为双三相感应电机，所述双三相感应电机包括A～F相，所述A～F相中的F相发生缺相故障，其中，所述单位正交解耦矩阵为：

其中，所述定子电流方程和磁链方程为：

其中，ψ_rα、ψ_rβ为所述两相静止坐标系下的磁链，i_sα、i_sβ为基波子空间下的两相静止坐标系下的定子电流，u_sα、u_sβ为基波子空间下的两相静止坐标系下的定子电压，ω_r为所述转子电角速度，T_r为转子时间常数，L_r为转子电感， L_md、L_mq为所述多相电机在至少一相发生缺相故障时两相旋转坐标系下的定转子互感，L_sq、L_sd为所述多相电机在至少一相发生缺相故障时两相旋转坐标系下的定子自感，σ₁、σ₂为直交轴电机漏磁系数，其中，

其中，所述滑模函数为：

其中，γ₀为滑模增益，u(x)为饱和函数，其中，ε为正数，表示电流误差界限，s_sα、s_sβ为两相静止坐标系下的电流误差，

所述等效滑模控制函数为：

其中，μ为所述低通滤波器的参数。

其中，所述两相静止坐标系下的转子磁链为：

所述转子磁链的幅值和相位为：

其中，ψ_r为所述转子磁链的幅值，θ为所述转子磁链的相位，

其中，ω_c为转子截止频率。

其中，所述转子电角速度为：

进一步地，根据旋转变换矩阵T^e[2s/2r]和所述转子磁链的相位对所述两相静止坐标系下的定子电流进行变换以得到两相旋转坐标系下的定子电流，其中，

其中，用于准比例谐振调节的比例谐振控制器的传递函数为：

其中，K_p为所述比例谐振控制器的比例系数，K_r为所述比例谐振控制器的谐振系数，ω_k为谐振频率。

其中，所述正常相的参考相电压为：

其中，

根据本发明实施例的多相电机的容错控制方法，能够在多相感应电机发生任意缺相故障时，有效且准确地对多相电机的转速进行辨识，从而实现多相电机缺相故障下的无扰运行。

并且，本发明实施例的多相电机的容错控制方法，通过比例谐振控制，能够有效抑制多相电机因缺相故障而产生的转矩脉动，通过电压载波生成电机逆变器的控制信号，能够进一步抑制谐波，从而能够提高多相电机的效率，增强整体电机驱动系统的稳定性。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出的多相电机的容错控制装置，包括：第一获取模块，用于当所述多相电机的至少一相发生缺相故障时，获取未发生缺相故障的正常相的相电压和相电流；第一变换模块，用于对所述正常相的相电压和相电流进行变换以得到两相静止坐标系下的定子电流和定子电压；第二获取模块，用于根据所述两相静止坐标系下的定子电流和定子电压获取转子磁链的幅值和相位以及所述多相电机的转速参数；第二变换模块，用于根据所述转子磁链的相位对所述两相静止坐标系下的定子电流进行变换以得到两相旋转坐标系下的定子电流；控制模块，用于根据转子磁链的幅值给定值、转速参数给定值、所述转子磁链的幅值、所述转速参数、所述转子磁链的相位以及所述两相旋转坐标系下的定子电流获取所述正常相的参考相电压，并根据所述正常相的参考相电压对所述多相电机进行控制。

根据本发明实施例的多相电机的容错控制装置，能够在多相电机发生任意缺相故障时，有效且准确地对多相电机的转速进行辨识，从而实现多相电机缺相故障下的无扰运行。

并且，本发明实施例的多相电机的容错控制装置，通过比例谐振控制，能够有效抑制多相电机因缺相故障而产生的转矩脉动，通过电压载波生成电机逆变器的控制信号，能够进一步抑制谐波，从而能够提高多相电机的效率，增强整体电机驱动系统的稳定性。

附图说明

图1为根据本发明实施例的多相电机的容错控制方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的多相电机的物理结构图；

图3为根据本发明一个实施例的多相电机正常运行时的控制结构图；

图4为根据本发明一个实施例的多相电机的容错控制结构图；

图5为根据本发明一个实施例的比例谐振控制器的系统结构图；

图6为根据本发明一个实施例的多相电机发生缺相故障后的电流相位示意图；

图7为根据本发明一个实施例的电流仿真波形图；

图8为根据本发明一个实施例的转速仿真波形图；

图9为图8中转速仿真波形图的局部放大图；

图10为根据本发明一个实施例的转矩仿真波形图；

图11为根据本发明一个实施例的磁链仿真波形图；

图12为根据本发明实施例的多相电机的容错控制装置的方框示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图描述本发明实施例的多相电机的容错控制方法和装置。

本发明实施例的多相电机为无速度传感器的多相感应电机，其相数大于3，下面主要以对双三相感应电机的控制为例进行说明，但本发明实施例的多相电机的容错控制方法和装置、电机转速辨识优化方法不限于对双三相感应电机的控制，而适用于大多多相感应电机。

图1为根据本发明一个实施例的多相电机的容错控制方法的流程图。

如图1所示，本发明实施例的多相电机的容错控制方法，包括以下步骤：

S1，当多相电机的至少一相发生缺相故障时，获取未发生缺相故障的正常相的相电压和相电流。

当多相电机的电机逆变器发生故障或电机逆变器与电机之间的某一或某些线路断路时，可导致多相电机的至少一相无电流输入，即至少一相发生缺相故障。

本发明实施例所述的容错控制方法，即在多相电机的至少一相发生缺相故障时的控制方法。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，双三相感应电机可包括A～F相，每三相之间的相位差为π/6。其中，当双三相感应电机未发生缺相故障时，如图3所示，SVPWM(SpaceVector Pulse Width Modulation，空间矢量脉冲控制) 模块可向电机逆变器输入多路PWM信号，以控制电机逆变器将直流电源U_dc转换为六相交流电，提供给双三相电机。可实时采集A～F相中每一相的相电压和相电流，并对A～F相的相电压U_a～U_f和相电流i_a1～i_c2进行变换以得到两相静止坐标系下的定子电流i_sα、i_sβ和定子电压U_α、U_β，然后通过滑模观测器得到转子磁链和转速等参数，最终实现对SVPWM模块的闭环控制。更具体的控制过程可参照下述的在双三相电机发生缺相故障时控制过程，在此不再赘述。

而当双三相电机的A～F相中的F相发生缺相故障时，如图4所示，可采集A～E相的相电压U_a～U_e和相电流i_a～i_e。

S2，对正常相的相电压和相电流进行变换以得到两相静止坐标系下的定子电流和定子电压。

如图4所示，对A～E相的相电压U_a～U_e和相电流i_a～i_e经过T_5s/2s变换，即五相静止坐标系到两相静止坐标系的变换，可得到两相静止坐标系下的定子电流i_α、i_β和定子电压U_α、U_β。

在本发明的一个实施例中，可根据单位正交解耦矩阵对正常相的相电压和相电流进行变换，以得到基波子空间下的两相静止坐标系下的定子电流i_sα、i_sβ 和定子电压U_α、U_β。

其中，单位正交解耦矩阵可为：

S3，根据两相静止坐标系下的定子电流和定子电压获取转子磁链的幅值和相位以及多相感应电机的转速参数。

参照图4，当双三相感应电机的A～F相中的F相发生缺相故障时，可将两相静止坐标系下的定子电流i_α、i_β和定子电压U_α、U_β输入优化后的滑模观测器，优化后的滑模观测器可根据两相静止坐标系下的定子电流和定子电压以及至少一相发生缺相故障时的电磁参数，例如转子电感、转子电阻、定转子互感、定子自感和漏磁系数等，获取转子磁链的幅值和相位以及多相感应电机的转速参数。

具体地，步骤S3可包括：

S31，根据两相静止坐标系下的定子电流和定子电压，通过在至少一相发生缺相故障时的定子电流方程计算两相静止坐标系下的电流误差，并将电流误差经过饱和函数和滑模增益后得到滑模控制函数。

首先根据双三相电机缺F相下的数学模型，可得到据双三相电机缺F相时在基波子空间下的状态方程，即上述的定子电流方程和磁链方程：

其中，ψ_rα、ψ_rβ为两相静止坐标系下的磁链，i_sα、i_sβ为基波子空间下的两相静止坐标系下的定子电流，u_sα、u_sβ为基波子空间下的两相静止坐标系下的定子电压，ω_r为转子电角速度，T_r为转子时间常数，L_r为转子电感， R_r为转子电阻，L_md、L_mq为多相电机在至少一相发生缺相故障时两相旋转坐标系下的直交轴定转子互感，L_sq、L_sd为多相电机在至少一相发生缺相故障时两相旋转坐标系下的定子自感，σ₁、σ₂为电机直交轴漏磁系数，其中，

在本发明的一个实施例中，不同缺相故障下的L_md、L_mq、L_sq、L_sd可如表1 所示：

表1

其中，L_ls为多相电机在至少一相发生缺相故障时的定子漏感，L_ms为多相电机在至少一相发生缺相故障时的定转子互感。

对上述公式(2)进行整理，可得：

令k_1d＝L_md/(σ₁L_sdL_r)，k_1q＝L_mq/(σ₂L_sqL_r)，k_2d＝R_s/(σ₁L_sd)，k_2q＝R_s/(σ₂L_sq)， k_3d＝1/(σ₁L_sd)，k_3q＝1/(σ₂L_sq)，可由公式(3)进一步得到：

由公式(4)可以看出，定子电流方程中的第一项与转子磁链方程结构相同，即在转子磁链和定子电流方程中存在相同的耦合项。因而可用滑模函数 λ_rα、λ_rβ来代替这个同转子磁链方程仅相差一个负号的耦合项，可得到：

其中，滑模函数为：

其中，γ₀为滑模增益，u(x)为饱和函数，其中，ε为正数，表示电流误差界限，s_sα、s_sβ为两相静止坐标系下的电流误差。

其中，为通过上述定子电流方程求出的电流参考值。

在公式(6)中，以饱和函数代替传统滑模观测器中的符号函数，能够避免产生高频量，从而避免抖振现象。ε取值较小，通过选择合适的ε值，能够使控制信号更加平滑，减小滑模控制过程中的抖振。

S32，将滑模函数经过低通滤波器滤波后得到等效滑模控制函数，并将等效滑模控制函数的负值积分得到两相静止坐标系下的磁链，以及进一步得到转子磁链的幅值和相位。

采用等效控制的概念来描述电机在滑模流型面上的控制特性，减小抖振也就是用等效控制函数来代替电流观测器收敛于真实值时的转子磁链，此处可利用一个低通滤波器来实现等价控制，即等效滑模函数为：

其中，μ为低通滤波器的参数。

根据磁链方程，对等效控制量的负值积分可以得到在两相静止坐标系下的转子磁链：

转子磁链的幅值和相位为：

其中，ψ_r为转子磁链的幅值，θ为转子磁链的相位，

其中，ω_c为转子截止频率。

其中可以扩展到四个象限。为了补偿低通滤波器带来的相位滞后，添加补偿量Δθ。

S33，根据等效滑模函数和两相静止坐标系下的磁链获取转子电角速度。

进一步地，对上述公式进行转换可得：

将公式(11)中第一行两边乘以ψ_rβ,第二行乘以ψ_rα，得到：

对公式(12)求解得到ω_r：

在本发明的一个实施例中，多相电机的转速参数不仅可为多相电机的转子电角速度，还可为多相电机的转速。其中，电机的转速n＝ω_r*30/(p*π)，其中， p为多相电机的极对数。本发明实施例以根据多相电机的转子电角速度ω_r进行后续控制为例，应当理解，多相电机的转速n与转子电角速度ω_r均能够表征电机运转速度，因此在本发明的其他实施例中，ω_r还可用多相电机的转速n 等价替换。

由此，能够在多相电机发生任意缺相故障，即多相电机的任意一相或多相发生缺相故障时，有效且准确地对多相电机的转速进行辨识，从而实现无速度传感器下的正常控制，实现多相电机在容错控制下的无扰运行。

S4，根据转子磁链的相位对两相静止坐标系下的定子电流进行变换以得到两相旋转坐标系下的定子电流。

在本发明的一个实施例中，可根据旋转变换矩阵T^e[2s/2r]和转子磁链的相位对两相静止坐标系下的定子电流i_sα、i_sβ进行变换以得到两相旋转坐标系下的定子电流i_d、i_q，其中，

S5，根据转子磁链的幅值给定值、转速参数给定值、转子磁链的幅值、转速参数、转子磁链的相位以及两相旋转坐标系下的定子电流获取正常相的参考相电压，并根据正常相的参考相电压对多相电机进行控制。

具体地，步骤S5可包括：

S51，根据转子磁链的幅值和转子磁链的幅值给定值获取两相旋转坐标系下的参考电流的直轴分量，并根据转速参数和转速参数给定值获取两相旋转坐标系下的参考电流的交轴分量。

如图4所示，可将转子磁链的幅值给定值ψ_r ^*与转子磁链的幅值作差后经PI调节得到两相旋转坐标系下的参考电流的直轴分量i_sd ^*，并可将转子电角速度给定值ω_r ^*与转子电角速度ω_r作差后经PI调节得到两相旋转坐标系下的参考电流的交轴分量i_sq ^*。

S52，分别对参考电流的直轴分量与两相旋转坐标系下的定子电流的直轴分量之差、参考电流的交轴分量与两相旋转坐标系下的定子电流的交轴分量之差进行准比例谐振调节，以得到两相旋转坐标系下的参考电压的直轴分量和交轴分量。

在本发明的一个实施例中，用于准比例谐振调节的比例谐振控制器的系统结构可如图5所示，用于准比例谐振调节的比例谐振控制器的传递函数可为：

其中，K_p为比例谐振控制器的比例系数，K_r为比例谐振控制器的谐振系数，ω_k为谐振频率。该比例谐振控制器在其谐振点增益最大并且相位无滞后，能够根据多相电机的频率对谐振点进行实时调整。

如图4和图5所示，将(i_sd ^*-i_d)与(i_sq ^*-i_q)分别输入对应的比例谐振控制器PR，可输出两相旋转坐标系下的参考电压的直轴分量和交轴分量 U_q ^*、U_d ^*。

S53，根据两相旋转坐标系下的参考电压的直轴分量和交轴分量以及转子磁链的相位获取两相静止坐标系下的参考电压。

即将两相旋转坐标系下的参考电压的直轴分量和交轴分量U_q ^*、U_d ^*，经过缺相故障下解耦后的旋转反变换，可得到基波子空间下两相静止坐标系下的参考电压U_α、U_β。

S54，对两相静止坐标系下的参考电压进行变换以得到正常相的参考相电压。

发生缺相故障后的电流相位可如图6所示，此时生成的五相容错电流相位和电机空间绕组顺序不再一致，是为了补偿缺相绕组减小的磁势。电流幅值也不相同。

由于发生缺相故障后的电机转矩方程中有一个脉动频率为电源频率两倍的交变分量，转矩脉动也会引起转速脉动，如下式：

其中，φ₁＝tan^-1((2τ_rω₁)/(1+τ_r ²(ω² _r-ω² ₁))，其中， ω₁为电源频率，I_α、I_β分别为基波子空间下两相静止坐标系下的定子电流 i_sα、i_sβ的幅值，即：

由该转速脉动分量可知，抑制转矩脉动需要满足以下条件：

L² _mdI² _α＝L² _mqI² _β(18)，

只要将I_α、I_β满足公式(19)即可消除这个转矩脉动分量。令

其中，K_t为电流系数，这就意味着相电流的幅值不相同了，正常相的参考相电流I_sref可通过矩阵T_c获得，其中T_c满足：

由此可以求得变换矩阵T_c：

由此，如图4所示，通过T_c下的2s/5s变换，即两相静止坐标系到五相静止坐标系的变换，可得到正常相的参考相电压为：

S55，根据正常相的参考相电压经过电压载波型PWM调制给多相电机供电。

本发明实施例的双三相感应电机的参数如表2所示：

表2

电机参数	值
		极对数	3
转动惯量	0.02kg·m²
		定子电阻	2.125Ω
转子电阻	1.62Ω
		定子漏感L_ls	0.01H
转子漏感L_lr	0.01H
		定转子互感L_ms	0.145H

对上述多相电机的容错控制方法进行MATLAB/simulink仿真，仿真条件为：给定转速为400r/min、给定磁链为0.96Wb，双三相感应电机正常启动，在0.3s时加5N·m负载，在0.4s断开F相，在0.7s时加5N·m负载。

通过仿真得到的电流波形如图7所示，由该电流波形可知，在0.4s发生断相时，由于应用上述实施例的控制方法，五相正常相的电流正弦度良好，幅值不同，符合控制预期。

通过仿真得到的转速波形如图8和图9所示，其中，图9为局部放大图。由图8和图9可明显看出，在0.4s发生缺相故障时，优化后的滑模观测器能够对转速进行准确辨识，观测误差几乎为零，控制良好。

通过仿真得到的转矩波形如图10所示，由图10可以看出，在0.4s发生缺相故障时，电机转矩有一个大的震荡，由于我们采用上述的转矩抑制的控制策略，电机脉动大幅度减小。

通过仿真得到的磁链波形如图11所示，由图11可以看出，在0.4s发生缺相故障时，磁链轨迹发生变化，但是仍然维持圆形。

综上所述，根据本发明实施例的多相电机的容错控制方法，能够在多相电机发生任意缺相故障时，有效且准确地对多相电机的转速进行辨识，从而实现多相电机缺相故障下的无扰运行。

对应上述实施例，本发明还提出一种多相电机的容错控制装置。

如图12所示，本发明实施例的多相电机的容错控制装置，包括第一获取模块10、第一变换模块20、第二获取模块30、第二变换模块40和控制模块 50。

其中，第一获取模块10用于当多相电机的至少一相发生缺相故障时，获取未发生缺相故障的正常相的相电压和相电流；第一变换模块20用于对正常相的相电压和相电流进行变换以得到两相静止坐标系下的定子电流和定子电压；第二获取模块30用于根据两相静止坐标系下的定子电流和定子电压获取转子磁链的幅值和相位以及多相电机的转速参数；第二变换模块40用于根据转子磁链的相位对两相静止坐标系下的定子电流进行变换以得到两相旋转坐标系下的定子电流；控制模块50用于根据转子磁链的幅值给定值、转速参数给定值、转子磁链的幅值、转速参数、转子磁链的相位以及两相旋转坐标系下的定子电流获取正常相的参考相电压，并根据正常相的参考相电压对多相电机进行控制。

进一步地，第二获取模块30具体通过以下步骤获取转子磁链的幅值和相位以及多相电机的转速参数：根据两相静止坐标系下的定子电流和定子电压，通过在至少一相发生缺相故障时的定子电流方程计算两相静止坐标系下的电流误差，并将电流误差经过饱和函数和滑模增益后得到滑模函数；将滑模函数经过低通滤波器滤波后得到等效滑模函数，并将等效滑模函数的负值积分得到两相静止坐标系下的磁链，以及进一步得到转子磁链的幅值和相位；根据等效滑模函数和两相静止坐标系下的磁链获取转子电角速度。

控制模块50具体通过以下步骤获取正常相的参考相电压：根据转子磁链的幅值和转子磁链的幅值给定值获取两相旋转坐标系下的参考电流的直轴分量，并根据转速参数和转速参数给定值获取两相旋转坐标系下的参考电流的交轴分量；分别对参考电流的直轴分量与两相旋转坐标系下的定子电流的直轴分量之差、参考电流的交轴分量与两相旋转坐标系下的定子电流的交轴分量之差进行准比例谐振调节，以得到两相旋转坐标系下的参考电压的直轴分量和交轴分量；根据两相旋转坐标系下的参考电压的直轴分量和交轴分量以及转子磁链的相位获取两相静止坐标系下的参考电压；对两相静止坐标系下的参考电压进行变换以得到正常相的参考相电压。

在得到正常相的参考相电压后，控制模块50可根据正常相的参考相电压经过电压载波型PWM调制给多相电机供电。

本发明实施例的容错控制装置更具体的实施方式可参照上述容错控制方法的实施方式，为避免冗余，在此不再赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、 “宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、 “固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上” 或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种多相电机的容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

当所述多相电机的至少一相发生缺相故障时，获取未发生缺相故障的正常相的相电压和相电流；

对所述正常相的相电压和相电流进行变换以得到两相静止坐标系下的定子电流和定子电压；

根据所述两相静止坐标系下的定子电流和定子电压获取转子磁链的幅值和相位以及所述多相电机的转速参数；

根据所述转子磁链的相位对所述两相静止坐标系下的定子电流进行变换以得到两相旋转坐标系下的定子电流；

根据转子磁链的幅值给定值、转速参数给定值、所述转子磁链的幅值、所述转速参数、所述转子磁链的相位以及所述两相旋转坐标系下的定子电流获取所述正常相的参考相电压，并根据所述正常相的参考相电压对所述多相电机进行控制。

2.根据权利要求1所述的多相电机的容错控制方法，其特征在于，所述根据转子磁链的幅值给定值、转速参数给定值、所述转子磁链的幅值、所述转速参数、所述转子磁链的相位以及所述两相旋转坐标系下的定子电流获取所述正常相的参考相电压具体包括：

根据所述转子磁链的幅值和转子磁链的幅值给定值获取两相旋转坐标系下的参考电流的直轴分量，并根据所述转速参数和转速参数给定值获取两相旋转坐标系下的参考电流的交轴分量；

分别对所述参考电流的直轴分量与所述两相旋转坐标系下的定子电流的直轴分量之差、所述参考电流的交轴分量与所述两相旋转坐标系下的定子电流的交轴分量之差进行准比例谐振调节，以得到两相旋转坐标系下的参考电压的直轴分量和交轴分量；

根据所述两相旋转坐标系下的参考电压的直轴分量和交轴分量以及所述转子磁链的相位获取两相静止坐标系下的参考电压；

对所述两相静止坐标系下的参考电压进行变换以得到所述正常相的参考相电压。

3.根据权利要求2所述的多相电机的容错控制方法，其特征在于，根据单位正交解耦矩阵对所述正常相的相电压和相电流进行变换，以得到基波子空间下的两相静止坐标系下的定子电流和定子电压。

4.根据权利要求3所述的多相电机的容错控制方法，其特征在于，所述根据所述两相静止坐标系下的定子电流和定子电压获取转子磁链的幅值和相位以及所述多相电机的转速参数具体包括：

根据所述两相静止坐标系下的定子电流和定子电压，通过在至少一相发生缺相故障时的定子电流方程计算两相静止坐标系下的电流误差，并将所述电流误差经过饱和函数和滑模增益后得到滑模函数；

将所述滑模函数经过低通滤波器滤波后得到等效滑模函数，并将所述等效滑模函数的负值积分得到两相静止坐标系下的磁链，以及进一步得到所述转子磁链的幅值和相位；

根据所述等效滑模控制函数和所述两相静止坐标系下的磁链获取所述转子电角速度。

5.根据权利要求4所述的多相电机的容错控制方法，其特征在于，所述多相电机为双三相感应电机，所述双三感应相电机包括A～F相，所述A～F相中的F相发生缺相故障，其中，所述单位正交解耦矩阵为：

6.根据权利要求5所述的多相电机的容错控制方法，其特征在于，所述定子电流方程和磁链方程为：

其中，ψ_rα、ψ_rβ为所述两相静止坐标系下的磁链，i_sα、i_sβ为基波子空间下的两相静止坐标系下的定子电流，u_sα、u_sβ为基波子空间下的两相静止坐标系下的定子电压，ω_r为所述转子电角速度，T_r为转子时间常数，L_r为转子电感，L_md、L_mq为所述多相电机在至少一相发生缺相故障时两相旋转坐标系下的直交轴定转子互感，L_sq、L_sd为所述多相电机在至少一相发生缺相故障时两相旋转坐标系下的定子自感，σ₁、σ₂为电机直交轴漏磁系数，其中，

7.根据权利要求6所述的多相电机的容错控制方法，其特征在于，所述滑模函数为：

所述等效滑模控制函数为：

其中，μ为所述低通滤波器的参数。

8.根据权利要求7所述的多相电机的容错控制方法，其特征在于，所述两相静止坐标系下的转子磁链为：

所述转子磁链的幅值和相位为：

其中，ω_c为转子截止频率。

9.根据权利要求8所述的多相电机的容错控制方法，其特征在于，所述转子电角速度为：

10.根据权利要求9所述的多相电机的容错控制方法，其特征在于，根据旋转变换矩阵T^e[2s/2r]和所述转子磁链的相位对所述两相静止坐标系下的定子电流进行变换以得到两相旋转坐标系下的定子电流，其中，

11.根据权利要求10所述的多相电机的容错控制方法，其特征在于，用于准比例谐振调节的比例谐振控制器的传递函数为：

12.根据权利要求11所述的多相电机的容错控制方法，其特征在于，所述正常相的参考相电压为：

其中，

13.一种多相电机的容错控制装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于当所述多相电机的至少一相发生缺相故障时，获取未发生缺相故障的正常相的相电压和相电流；

第一变换模块，用于对所述正常相的相电压和相电流进行变换以得到两相静止坐标系下的定子电流和定子电压；

第二获取模块，用于根据所述两相静止坐标系下的定子电流和定子电压获取转子磁链的幅值和相位以及所述多相电机的转速参数；

第二变换模块，用于根据所述转子磁链的相位对所述两相静止坐标系下的定子电流进行变换以得到两相旋转坐标系下的定子电流；

控制模块，用于根据转子磁链的幅值给定值、转速参数给定值、所述转子磁链的幅值、所述转速参数、所述转子磁链的相位以及所述两相旋转坐标系下的定子电流获取所述正常相的参考相电压，并根据所述正常相的参考相电压对所述多相电机进行控制。