CN108631673A - 一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法，计算电机转速和转子位置信号，给定参考转速和计算转速通过数学运算得到转速偏差经转速调节器生成参考交轴电流信号，然后将给定的参考直轴电流信号、计算得到的参考交轴电流信号和计算的转子位置信号联合经过ipark坐标变换计算得到两相静止坐标系下的参考电流，再利用故障诊断模块得到故障信号，联合参考电流、检测的两相电流一起送入滞环容错控制模块得到滞环控制输出量，根据故障信号确定不同故障情况，选择不同开关矢量表确定最终逆变器开关控制信号，实现两相永磁同步电机容错系统矢量控制。本发明可以有效增强两相永磁同步电机控制系统的可靠性和安全性。

Description

一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法

技术领域

本发明属于技术领域，具体涉及一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法。

背景技术

两相永磁同步电机的定子一般采用两个绕组，两相绕组通常按照90电角度分开放置。两相永磁同步驱动通常使用相位互差90度的两相正弦波电压驱动，其驱动的方法比较简单并且有效降低驱动硬件成本。对于低成本应用领域，由于没有专门两相供电，所以一般使用单相电，通过在其中一相里串电容形成相位差，产生起动转矩，现在电冰箱、空调、洗衣机中较多使用的就是这种电机。

矢量控制技术是上世纪60年代末由达姆斯塔特工业大学(TU Darmstadt)的K.Hasse针对异步电机驱动首先提出的。随后在70年代初由西门子工程师F.Blaschke在不伦瑞克工业大学(TU Braunschweig)发表的博士论文中提出三相电机磁场定向控制方法，通过异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制交流电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对交流电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制交流电动机转矩的目的。

目前两相电机多采用四开关逆变器驱动技术、六开关逆变器驱动技术和八开关逆变器驱动技术等。较多采用的控制方法有矢量控制和直接转矩控制等。八开关逆变器拓扑结构在两相交流驱动技术中的输出功率最大，控制性能优异如图1所示。然而，在八开关逆变器两相永磁同步驱动中，逆变器的功率开关故障率较高。在使用较为频繁的场合，系统会经常出现功率开关短路或断路故障，制约了两相电机的应用推广。因此，有必要提出一种容错技术来解决这个难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种两相永磁同步电机容错系统矢量控制方法，可以有效增强两相永磁同步电机控制系统的可靠性和安全性。

本发明采用以下技术方案：

一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法，根据电机的参考转速ω^*得到转速偏差e_ω并经转速调节器生成参考交轴电流信号然后将给定的参考直轴电流信号参考交轴电流信号和转子位置信号θ经坐标变换得到两相静止坐标系下的参考电流再利用故障诊断模块得到故障信号F_L，联合参考电流检测的相电流i_α,i_β一起送入滞环容错控制模块得到滞环控制输出量H_m(H_n)，根据故障信号F_L确定不同的故障情况，选择不同的开关矢量表确定最终的逆变器开关控制信号V_m(Vn)，实现两相永磁同步电机容错系统矢量控制。

具体的，参考转矩信号计算如下：

其中，K_p为比例常值系数，K_i为积分常值系数，eω＝ω^*-ω，ω为电机转速；

具体的，两相静止坐标系下的参考电流计算如下：

进一步的，两相静止坐标系下的相电流i_α,i_β计算如下：

其中，i_a,i_b为电流传感器检测的电枢绕组A和电枢绕组B的相电流。

具体的，逆变器故障信号F_L定义如下：

进一步的，当F_L＝0，电流偏差E_m和电流滞环控制量H_m计算如下：

其中，m＝1,2，δ_m为滞环控制器的设定容差常数值。

进一步的，当F_L＝0，利用电流滞环控制量H_m计算逆变器开关状态矩阵V_m如下：

其中，二维开关状态矩阵V_m内部的四个量分别代表着连接到电机第m个绕组的两个开关桥臂上四个开关管对应的开关状态信号。

进一步的，当F_L＞0，电流偏差E_n和电流滞环控制量H_n计算如下：

其中，n＝1,2,3，δ_n为滞环控制器的设定容差常数值。

进一步的，当FL＞0，逆变器开关状态矩阵V_n计算如下：

其中，H_n为电流滞环控制量。

进一步的，由于此时系统一个开关桥臂因故障退出运行，系统将剩下三个正常开关桥臂，逆变器开关状态矩阵V_n内部的两个量分别代表连接到电机绕组第n个开关桥臂上两个开关管对应的开关状态信号。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明公开了一种两相永磁同步电机容错系统矢量控制方法，利用参考两相电流与检测得到的电机两相电流经过滞环容错控制模块选择不同故障下的滞环输出量，再经过PWM生成模块就可以获取两相永磁同步电机容错逆变器的各个桥臂的开关触发信号，从而实现基于矢量控制的两相永磁同步电机容错控制，可以迅速实现系统中常规八开关逆变器切换为六开关逆变器的硬件重构方式，该方法简单有效，可以保证了系统在单相桥臂故障时保证系统的可持续工作能力。

进一步的，系统采用的矢量控制技术用空间矢量的控制方法，矢量控制应用，采用电流偏差作为输入量，借助于离散的两点式调节(Band-Band)产生PWM波信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。可以使永磁同步电动机的调速可获得和直流电动机相媲美的高精度和快速响应性能。永磁同步电动机的转子结构又比直流电动机简单、坚固，且转子无碳刷滑环等电气接触点，故应用前景十分广阔。

进一步的，通过检测电机定子绕组的电流很容易判断出该相绕组可能发生的故障，比如电流超过系统设定的阀值，该相绕组可能短路故障；如果该相电流在一定的时间内为零值，该相绕组可能发生断路的故障。具体的故障诊断方法在很多文献中都可以容易查到。

综上所述，本发明的容错系统及其控制技术具有很强的实用性和通用性，它们也可以适用于多种不同类型的两相电机，如两相永磁同步电机、两相无刷直流电机、两相开关磁阻电机和两相步进电机等。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明两相永磁同步电机四相容错逆变器结构图；

图2为本发明两相永磁同步电机容错控制系统结构图；

图3为本发明两相永磁同步电机容错控制方法流程图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种两相永磁同步电机容错系统，如图1所示。包括四个逆变器桥臂、四个快速熔断保险丝以及两个双向晶闸管；四个逆变器桥臂并联后与公共直流电源相接；一个双向晶闸管的两端分别连接电枢绕组A和电枢绕组B的一个端口，另一个双向晶闸管的两端分别连接电枢绕组A和电枢绕组B的另一个端口，且电枢绕组A的两个端口分别通过快速熔断保险丝与两个逆变器桥臂中点相连，电枢绕组B的两个端口分别通过快速熔断保险丝与另外两个逆变器桥臂中点相连。当系统逆变器的任意一个桥臂发生故障的时候，利用提出的容错控制方法可以迅速实现系统中常规八开关逆变器切换为六开关逆变器的硬件重构方式，该方法简单有效，可以保证了系统在单相桥臂故障时保证系统的可持续工作能力。

请参阅图1，两相永磁同步电机容错系统包括逆变器桥臂La，逆变器桥臂Lb，逆变器桥臂Lx和逆变器桥臂Ly，它们分别通过快速熔断保险丝Fa，快速熔断保险丝Fb，快速熔断保险丝Fx和快速熔断保险丝Fy以连接到电枢绕组A和电枢绕组B的四个绕组终端，保证在任意一个桥臂发生故障后，由于故障导致该相绕组电流急剧增大，当超过所连接的保险丝额定电流值的时候，保险丝熔断。该故障桥臂将自动从控制系统中移除，保证了系统快速去除系统中故障源，为后面的容错控制的有效执行奠定基础。；

逆变器桥臂La，逆变器桥臂Lb，逆变器桥臂Lx和逆变器桥臂Ly的中点a，b，x，y分别连接到电枢绕组A和电枢绕组B的四个终端上；每个逆变器桥臂均由两个功率开关管串联而成，连接点为桥臂中点，串联后的功率开关两边分别连接点直流电源的正负极；

在电枢绕组A和电枢绕组B的四个终端上，与快速熔断保险丝Fa，快速熔断保险丝Fb连接的两个绕组终端中间连接有双向晶闸管TR1，与快速熔断保险丝Fx，快速熔断保险丝Fy连接的两个绕组终端中间连接有双向晶闸管TR2，双向晶闸管具有触发极使能后，通过该管的电流可以具有双向性，即正电流和负电流都可以顺利通过。采用双向晶闸管后，通过容错策略控制触发极的使能，这样可以使本发明的容错逆变器实现快速的结构重构，实现容错运行的基本功能。

逆变器桥臂La由功率开关管S1和功率开关管S2组成；逆变器桥臂Lb由功率开关管S3和功率开关管S4组成；逆变器桥臂Lx由功率开关管S7和功率开关管S8组成；第四逆变器桥臂Ly由功率开关管S5和功率开关管S6组成，且功率开关管S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8均采用IGBT或MOSFET功率器件。

在容错逆变器任意桥臂中，串联后的两个功率开关两边分别连接直流电源的正负极，这样做可以通过两个功率开关不同的导通状态，将直流电压的信号通过桥臂中点输出方波电压信号，该方波电压信号可以有效控制电机所连接的绕组电压。即通过两个功率开关这样的连接方式，再利用两个功率开关不同的导通状态，可以实现所连接的电枢绕组的频率和相位可调的交流电压。

电枢绕组A和电枢绕组B的两个端口处设置有两个电流传感器，它们分别与控制器相连；同时，控制器分别与双向晶闸管TR1，双向晶闸管TR2的控制极以及逆变器桥臂La，逆变器桥臂Lb，逆变器桥臂Lx和逆变器桥臂Ly的八个功率开关的触发极相连，电流传感器可以反馈电机的绕组电流，并通过控制器实现闭环负反馈的控制方式，这样，可以有效的保证电机时刻处于有效的控制方式下并到达预期的控制指标。

根据以上内容，本发明系统工作原理为：

当本发明容错系统处于正常工作状态时，本发明容错系统按照普通的八开关两相全桥逆变器工作方式运行；由于控制器与两个电流传感器相连，这四个电流传感器分别检测两个电枢绕组的四个端口的电流，控制器也同时与两个双向晶闸管触发极和逆变器八个功率开关管的控制极相连；当某一个桥臂发生故障，比如短路故障，与该桥臂相连的保险丝由于电流过大而熔断。

同时，电流传感器会检查到与该故障桥臂相连的电枢绕组的端口处的异常电流，并传给控制器，控制器将根据该信号作出故障原因故障判断后停止故障桥臂两个功率开关管的控制极信号，同时给故障桥臂相连的双向晶闸管控制极发出导通信号。

这样，故障桥臂停止工作并与相连的电枢绕组端口断开连接，同时该电枢绕组端口通过双向晶闸管连接到相邻桥臂的中点上，容错系统拓扑结构将会发生拓扑重构，系统利用剩下的正常开关桥臂构成新的逆变器拓扑结构继续驱动电机持续工作。

本发明两相永磁同步电机容错系统结构简单，使用方便，该拓扑结构仅在传统的八开关逆变器基础上增加了4个熔断丝和两个双向晶闸管，可以通过检测电枢绕组电流确定逆变器故障原因，根据容错策略控制双向晶闸管进行拓扑重构，从而有效的实现在逆变器发生开关故障的情况下实现系统的可持续运行。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，本发明一种两相永磁同步电机容错系统的矢量控制方法，主要包括一个转速调节器、一个坐标转换单元、一个滞环容错控制单元、一个PWM生成单元、一个故障诊断模块、一个两相永磁同步电机和四桥臂逆变器，两相永磁同步电机的四个绕组终端与四桥臂逆变器连接进行矢量控制。两相永磁同步电机容错系统中电机的转子位置检测传感器信号可以计算得到电机转速ω和转子位置信号θ，两相永磁同步电机的给定参考转速ω^*和计算转速ω通过数学运算得到转速偏差e_ω经转速调节器生成参考交轴电流信号然后将给定的参考直轴电流信号计算得到的参考交轴电流信号和计算的转子位置信号θ联合经过ipark坐标变换计算得到两相静止标准系下的参考电流再利用故障诊断模块确定两相永磁同步电机容错系统故障原因后得到故障信号F_L，联合参考电流检测的两相电流i_α,i_β一起送入滞环容错控制模块得到滞环控制输出量H_m(H_n)，根据故障信号F_L确定不同的故障情况，选择不同的开关矢量表确定最终的逆变器开关控制信号V_m(V_n)，从而实现两相永磁同步电机容错系统矢量控制。

请参阅图3，两相永磁同步电机容错系统矢量控制方法的具体步骤如下：

S1、速度误差e_ω经转速PI调节器调节后生成参考转矩信号

速度误差e_ω计算如下：

e_ω＝ω^*-ω

参考转矩信号计算如下：

其中，K_p为比例常值系数，K_i为积分常值系数；

S2、利用电流给定的参考直轴电流和计算的电机转子位置θ进行Ipark坐标变换，计算两相静止坐标系下的参考电流

S3、利用电流传感器检测电枢绕组A和电枢绕组B的相电流i_a,i_b，计算两相静止坐标系下的相电流i_α,i_β；

S4、利用相电流i_α,i_β可以分析计算得到逆变器故障信号F_L，该信号代表不同逆变器故障情况，定义如下：

S5、利用逆变器故障信号F_L、计算的参考电流和电流i_α,i_β送入滞环容错控制模块进行处理，具体处理步骤有：

当F_L＝0，电流偏差E_m和电流滞环控制量H_m计算如下：

其中，m＝1,2，δ_m为滞环控制器的设定容差常数值；

当F_L＞0，电流偏差E_n和电流滞环控制量H_n计算如下：

其中，n＝1,2,3，δ_n为滞环控制器的设定容差常数值；

S6、利用逆变器故障信号F_L、计算的电流滞环控制量H_m,H_n送入PWM生成模块进行处理，具体处理步骤有：

当F_L＝0，利用电流滞环控制量H_m计算逆变器开关状态矩阵V_m，如下：

其中，字母上面的横杠代表该变量的非逻辑，二维开关状态矩阵V_m内部的四个量分别代表着连接到电机第m个绕组的两个开关桥臂上四个开关管对应的开关状态信号；

当F_L＞0，利用电流滞环控制量H_n计算逆变器开关状态矩阵V_n，如下：

其中，由于此时系统一个开关桥臂因故障退出运行，系统将剩下三个正常开关桥臂。此时，所定义的一维开关状态矢量V_n内部的两个量分别代表着连接到电机绕组的连接到第n个开关桥臂上两个开关管对应的开关状态信号；

根据以上步骤可以生成开关状态信号，它可以有效驱动电机保证逆变器在不同故障情况下系统的可持续工作能力。

本发明继承了两相永磁同步电机容错系统及其矢量控制方法具有的结构简单、鲁棒性强等优点，该方法可以有效提高系统控制精度、加快响应速度，降低了传统电机系统容错控制的复杂度，实现了对两相电机高精准、快响应控制，适用于各种两相电机系统。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法，其特征在于，根据电机的参考转速ω^*得到转速偏差e_ω并经转速调节器生成参考交轴电流信号然后将给定的参考直轴电流信号参考交轴电流信号和转子位置信号θ经坐标变换得到两相静止坐标系下的参考电流再利用故障诊断模块得到故障信号F_L，联合参考电流检测的相电流i_α,i_β一起送入滞环容错控制模块得到滞环控制输出量H_m(H_n)，根据故障信号F_L确定不同的故障情况，选择不同的开关矢量表确定最终的逆变器开关控制信号V_m(V_n)，实现两相永磁同步电机容错系统矢量控制。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法，其特征在于，参考转矩信号计算如下：

其中，K_p为比例常值系数，K_i为积分常值系数，e_ω＝ω^*-ω，ω为电机转速。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法，其特征在于，两相静止坐标系下的参考电流计算如下：

4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法，其特征在于，两相静止坐标系下的相电流i_α,i_β计算如下：

其中，i_a,i_b为电流传感器检测的电枢绕组A和电枢绕组B的相电流。

5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法，其特征在于，逆变器故障信号F_L定义如下：

6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法，其特征在于，当F_L＝0，电流偏差E_m和电流滞环控制量H_m计算如下：

其中，m＝1,2，δ_m为滞环控制器的设定容差常数值。

7.根据权利要求6所述的一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法，其特征在于，当F_L＝0，利用电流滞环控制量H_m计算逆变器开关状态矩阵V_m如下：

其中，二维开关状态矩阵V_m内部的四个量分别代表着连接到电机第m个绕组的两个开关桥臂上四个开关管对应的开关状态信号。

8.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法，其特征在于，当F_L＞0，电流偏差E_n和电流滞环控制量H_n计算如下：

其中，n＝1,2,3，δ_n为滞环控制器的设定容差常数值。

9.根据权利要求8所述的一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法，其特征在于，当F_L＞0，逆变器开关状态矩阵V_n计算如下：

其中，H_n为电流滞环控制量。

10.根据权利要求9所述的一种永磁同步电机容错系统矢量控制方法，其特征在于，由于此时系统一个开关桥臂因故障退出运行，系统将剩下三个正常开关桥臂，逆变器开关状态矩阵V_n内部的两个量分别代表连接到电机绕组第n个开关桥臂上两个开关管对应的开关状态信号。