CN108322118A - 基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法，具体方法包括：提出一种五桥臂逆变器驱动双三相永磁同步电机系统双零序电压注入PWM策略，采用均值连续PWM(脉冲宽度调制)方式，并对其母线电压利用率进行了分析，该策略具有易于实现、可以实现最大母线电压利用等优点，可以作为正常双三相电机驱动系统中六桥臂逆变器一相桥臂故障后的一种新的容错控制方法，与常用缺相容错运行方法相比，具有不增加定子铜耗、降低转矩脉动且易于实现等优点。同时公开一种双三相电机从六桥臂运行在线切换到五桥臂运行的电路拓扑。

Description

基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法。

背景技术

随着电力电子变换技术的快速发展，多相(相数>3)电机驱动系统及其控制方法在大功率高可靠性交流传动领域中得到了广泛的关注。在各类多相电机中，六相电机由于和传统三相电机具有紧密的联系而得到了更多的关注。由60°相带角三相电机裂相后得到的不对称六相电机(相移30°双三相电机)由于转矩脉动更小而具有更大的优势。适于容错运行是多相电机的重要应用特点，目前双三相电机常用的一相开路容错控制方案为基于降维数学模型的容错控制策略。首先构建双三相电机缺相后的降维解耦变换阵，进而建立其缺相数学模型，从而实现多相电机缺相后的矢量控制。该方法虽然实现了缺相电流的解耦矢量控制，但其建模过程比较复杂，且三次谐波磁势会产生二次和四次转矩脉动。本发明提出一种五桥臂逆变器驱动双三相电机系统。五桥臂逆变器驱动双三相电机系统可以作为正常双三相电机驱动系统中六桥臂逆变器一相桥臂故障后的新型容错控制方法，该容错控制策略的最大优势为双三相电机本质上还是六相运行，解决了传统缺相容错控制方案会增加定子铜耗、三次谐波磁势会产生转矩脉动等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法，解决了现有技术中存在的定子铜耗增大，转矩脉动较大且实现复杂的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、首先将双三相电机系统α-β和z₁-z₂子平面的参考电压通过矢量空间解耦逆变换得到各相电压参考值，然后在各相电压中注入一定的零序分量，最后将得到的各相极电压与三角载波比较输出PWM波形；

步骤2、定义五桥臂逆变器驱动双三相电机系统的零序电压，得到五桥臂逆变器驱动双三相电机系统的六相电压表达式；

步骤3、结合三相系统中注入零序电压的取值范围，计算双三相电机系统中六相桥臂需要注入的零序电压取值范围；

步骤4、计算五桥臂逆变器驱动双三相电机系统采用均值零序注入连续脉宽调制方式下需注入的电压；

步骤5、对五桥臂逆变器驱动双三相电机系统的母线电压利用率进行分析；

步骤6、提出双三相电机从六桥臂运行到五桥臂运行的在线切换策略。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

采用均值零序分量注入，如下式所示：

式中u_max、u_mid、u_min分别表示三相相电压的最大值，中间值和最小值，则最终得到的六相电压分别为：

对于五桥臂逆变器驱动双三相电机系统而言，由于C相和F相共用一个桥臂，因此两套三相系统注入零序电压后公共相的极电压必须相等，即u^* _com＝u^* _C＝u^* _F。

步骤2定义零序电压为以下形式：

则此时六相极电压分别为：

步骤3三相系统中零序电压的取值范围为：

其中，电压以U_dc进行定标，将步骤2所得零序电压表达式代入步骤3得：

零序电压u_o的取值范围为：

则u_o的极小值u_omin和极大值u_omax表示为：

显然u_o存在的充要条件为：

u_omin≤u_omax。

步骤4需要注入的电压为：

u_o＝(u_omin+u_omax)/2。

步骤5具体为：

定义调制系数m为相电压基波幅值与直流母线电压的比值，则

正常六相逆变器驱动双三相电机的线性调制范围与三相电机一致，为0.577U_dc，对于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统，两套三相绕组内部的线电压受到的限制与三相电机一致，但C相和F相绕组共用一个桥臂，因此两套三相绕组之间的线电压与各套三相绕组内部的线电压发生耦合，此时两套三相绕组之间的线电压u_AD表示为：

类似的：线电压u_AE、u_BD和u_BE分别为：

其中幅值最大的线电压为u_AE，其需要满足：

因此得到即五桥臂逆变器驱动双三相电机的最大线性调制范围为0.408U_dc，仅为正常六相逆变器驱动双三相电机的70.7％。

步骤6具体为：

定义T1，T2，T3，T4，T5，T6分别为A，D，B，E，C，F相六个桥臂上的可控交流开关，五桥臂逆变器容错实现策略，需要九个可控交流开关，当六桥臂正常运行时，T₁…T₆处于导通状态，T₇…T₉处于关断状态，当检测到某相桥臂发生故障后，例如C相或F相发生故障时，首先将与故障桥臂串联的开关T₅或T₆关断，然后将T₉导通，即可切换到五桥臂逆变器运行状态，PWM策略采用本发明提出的五桥臂逆变器双零序注入PWM策略即可；对于A相或D相、B相或E相发生桥臂故障时除了关断和导通相应的开关外，只需将u_C和u_F对应改成u_A和u_D、u_B和u_E即可，其余均与C相或F相发生故障时情况一样。

本发明的有益效果是，五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法，作为一种正常双三相电机驱动系统中六桥臂逆变器一相桥臂故障后的新型容错控制方法，由于五桥臂运行时双三相电机本质上还是六相运行，具有不增加定子铜耗、降低转矩脉动且易于实现等优点，且该策略可以实现最大母线电压利用率，同时对五桥臂逆变器驱动两台独立的三相电机系统同样有效。

附图说明

图1是本发明五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法系统结构图；

图2是本发明五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法中双零序注入PWM策略框图；

图3是本发明五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法中相电压参考幅值为0.4U_dc，电角度频率f＝10Hz时采用本发明提出的均值CPWM下的各相极电压波形图；

图4(a)是本发明五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法中均值CPWM方式下的COM相极电压、C相相电压、u_o1波形图；

图4(b)是本发明五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法中均值CPWM方式下的COM相极电压、F相相电压、u_o2的波形图；

图5是本发明五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法中相电压参考幅值为0.408U_dc，电角度频率f＝10Hz时对应的各相极电压波形图；

图6是本发明五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法中双三相电机从六桥臂运行到五桥臂运行的在线切换拓扑图；

图7是本发明五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法中双三相电机五桥臂运行时的E相和COM极电压、C相和F相电流波形图；

图8是本发明五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法中双三相电机五桥臂运行时的电机启动波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

结合图1、图2所示，五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、图2为双三相电机驱动系统双零序注入PWM策略实现框图，首先将双三相电机系统α-β和z₁-z₂子平面的参考电压通过矢量空间解耦逆变换得到各相电压参考值，然后在各相电压中注入一定的零序分量，最后将得到的各相极电压与三角载波比较输出PWM波形，具体按照以下步骤实施：

采用均值零序分量注入，如下式所示：

式中u_max、u_mid、u_min分别表示三相相电压的最大值，中间值和最小值，则最终得到的六相电压分别为：

对于五桥臂逆变器驱动双三相电机系统而言，由于C相和F相共用一个桥臂，因此两套三相系统注入零序电压后公共相的极电压必须相等，即u^* _com＝u^* _C＝u^* _F；

步骤2、定义五桥臂逆变器驱动双三相电机系统的零序电压，定义零序电压为以下形式：

则此时六相极电压分别为：

步骤3、考虑到极电压的幅值需要小于0.5U_dc，三相系统中零序电压的取值范围为

其中，电压以U_dc进行定标，将步骤2所得零序电压表达式代入步骤3得：

零序电压u_o的取值范围为：

则u_o的极小值u_omin和极大值u_omax表示为：

显然u_o存在的充要条件为：

u_omin≤u_omax；

步骤4、采用常用的均值零序注入连续脉宽调制取：

u_o＝(u_omin+u_omax)/2；

图3为参考电压幅值为0.4U_dc时本发明构建的均值CPWM方式的各相极电压的波形，其中电角度频率f＝10Hz；图4(a)和图4(b)以均值CPWM方式为例给出了COM极相电压分别与u_o1、C相相电压和u_o2、F相相电压的关系；

步骤5、对母线电压利用率进行分析，具体为：为便于分析母线电压利用率，将z₁-z₂子平面的参考电压设置为零，即各相参考电压为理想的正弦波，定义调制系数m为相电压基波幅值与直流母线电压的比值，则

双三相电机的各相参考电压可以表示为：

对于正常六相逆变器驱动的双三相电机系统，由于中性点隔离，两套三相绕组之间的线电压没有实际意义，只需要考虑同一套三相绕组的线电压，其与常用三相电机一致，以线电压u_AB为例，可以表示为：

根据三相系统的对称性，其余线电压也可以表示成类似上式的形式，由于线电压的幅值必须小于母线电压，因此有：

可以得到因此正常六相逆变器驱动双三相电机的线性调制范围与三相电机一致，为0.577U_dc；

正常六相逆变器驱动双三相电机的线性调制范围与三相电机一致，为0.577U_dc，对于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统，两套三相绕组内部的线电压受到的限制与三相电机一致，但C相和F相绕组共用一个桥臂，因此两套三相绕组之间的线电压与各套三相绕组内部的线电压发生耦合，此时两套三相绕组之间的线电压u_AD表示为：

类似的：线电压u_AE、u_BD和u_BE分别为：

其中幅值最大的线电压为u_AE，其需要满足：

因此得到即五桥臂逆变器驱动双三相电机的最大线性调制范围为0.408U_dc，仅为正常六相逆变器驱动双三相电机的70.7％；

图5为相电压参考幅值为0.408U_dc时采用本发明的均值CPWM方式下的极电压波形图，此时极电压的最大幅值正好达到0.5U_dc，表明本发明提出的五桥臂逆变器驱动双三相电机系统双零序注入PWM策略可以实现最大母线电压利用率；

步骤6、提出双三相电机从六桥臂运行到五桥臂运行的在线切换策略，如图6所示，具体为：

定义T1，T2，T3，T4，T5，T6分别为A，D，B，E，C，F相六个桥臂上的可控交流开关，五桥臂逆变器容错实现策略，需要九个可控交流开关，当六桥臂正常运行时，T₁…T₆处于导通状态，T₇…T₉处于关断状态，当检测到某相桥臂发生故障后，例如C相或F相发生故障时，首先将与故障桥臂串联的开关T₅或T₆关断，然后将T₉导通，即可切换到五桥臂逆变器运行状态，PWM策略采用本发明提出的五桥臂逆变器双零序注入PWM策略即可；对于A相或D相、B相或E相发生桥臂故障时除了关断和导通相应的开关外，只需将u_C和u_F对应改成u_A和u_D、u_B和u_E即可，其余均与C相或F相发生故障时情况一样。

为验证本发明提出的五桥臂逆变器PWM控制的动态性能，图7、图8分别给出了电机在五桥臂逆变器均值CPWM下的E相和公共相极电压，C相和F相电流以及电机启动的实验波形图，其中电机参考速度为300r/min；由实验结果可以看出，五桥臂逆变器在均值CPWM下电流纹波较小，速度响应时间较快，表明本发明提出的PWM策略具有良好的动态响应能力。

由于五桥臂运行时双三相电机本质上还是六相运行，因此其定子铜耗不会增加，转矩脉动较小，但其两相绕组共用一相桥臂，其桥臂电流最大幅值是正常运行时的1.932倍，因此其能输出的最大转矩会减小，但在缺相容错运行时其桥臂电流最大幅值同样会增加。缺相容错运行通常采用SPWM策略，因此其最大线性调制范围为0.5U_dc。从控制难度上比较，五桥臂运行只需要改变PWM策略，其余控制方法与正常运行完全一致，实现比较容易。

Claims (7)

1.基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、首先将双三相电机系统α-β和z₁-z₂子平面的参考电压通过矢量空间解耦逆变换得到各相电压参考值，然后在各相电压中注入一定的零序分量，最后将得到的各相极电压与三角载波比较输出PWM波形；

步骤2、定义五桥臂逆变器驱动双三相电机系统的零序电压，得到五桥臂逆变器驱动双三相电机系统的六相电压表达式；

步骤3、结合三相系统中注入零序电压的取值范围，计算双三相电机系统中六相桥臂需要注入的零序电压取值范围；

步骤4、计算五桥臂逆变器驱动双三相电机系统采用均值零序注入连续脉宽调制方式下需注入的电压；

步骤5、对五桥臂逆变器驱动双三相电机系统的母线电压利用率进行分析；

步骤6、提出双三相电机从六桥臂运行到五桥臂运行的在线切换策略。

2.根据权利要求1所述的基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：

采用均值零序分量注入，如下式所示：

式中u_max、u_mid、u_min分别表示三相相电压的最大值，中间值和最小值，则最终得到的六相电压分别为：

对于五桥臂逆变器驱动双三相电机系统而言，由于C相和F相共用一个桥臂，因此两套三相系统注入零序电压后公共相的极电压必须相等，即u^* _com＝u^* _C＝u^* _F。

3.根据权利要求1所述的基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法，其特征在于，所述步骤2定义零序电压为以下形式：

则此时六相极电压分别为：

4.根据权利要求3所述的基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法，其特征在于，所述步骤3三相系统中零序电压的取值范围为：

其中，电压以U_dc进行定标，将步骤2所得零序电压表达式代入步骤3得：

零序电压u_o的取值范围为：

则u_o的极小值u_omin和极大值u_omax表示为：

显然u_o存在的充要条件为：

u_omin≤u_omax。

5.根据权利要求3所述的基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法，其特征在于，所述步骤4需要注入的电压为：

u_o＝(u_omin+u_omax)/2。

6.根据权利要求3所述的基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

定义调制系数m为相电压基波幅值与直流母线电压的比值，则

正常六相逆变器驱动双三相电机的线性调制范围与三相电机一致，为0.577U_dc，对于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统，两套三相绕组内部的线电压受到的限制与三相电机一致，但C相和F相绕组共用一个桥臂，因此两套三相绕组之间的线电压与各套三相绕组内部的线电压发生耦合，此时两套三相绕组之间的线电压u_AD表示为：

类似的：线电压u_AE、u_BD和u_BE分别为：

其中幅值最大的线电压为u_AE，其需要满足：

因此得到即五桥臂逆变器驱动双三相电机的最大线性调制范围为0.408U_dc，仅为正常六相逆变器驱动双三相电机的70.7％。

7.根据权利要求3所述的基于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统容错控制方法，其特征在于，所述步骤6具体为：

定义T1，T2，T3，T4，T5，T6分别为A，D，B，E，C，F相六个桥臂上的可控交流开关，五桥臂逆变器容错实现策略，需要九个可控交流开关，当六桥臂正常运行时，T₁…T₆处于导通状态，T₇…T₉处于关断状态，当检测到某相桥臂发生故障后，例如C相或F相发生故障时，首先将与故障桥臂串联的开关T₅或T₆关断，然后将T₉导通，即可切换到五桥臂逆变器运行状态，PWM策略采用本发明提出的五桥臂逆变器双零序注入PWM策略即可；对于A相或D相、B相或E相发生桥臂故障时除了关断和导通相应的开关外，只需将u_C和u_F对应改成u_A和u_D、u_B和u_E即可，其余均与C相或F相发生故障时情况一样。