CN108667379B - 一种两相永磁同步电机容错系统直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两相永磁同步电机容错系统直接转矩控制方法，利用参考转速和计算转速得到转速偏差经转速调节器生成参考转矩信号，然后将转矩磁链计算单元计算的转矩、磁链与计算的参考转矩以及给定的参考磁链信号计算得到转矩和磁链偏差，转矩和磁链偏差分别经一个滞环调节器得到转矩调节量和磁链调节量，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，联合转矩调节量、磁链调节量和磁链矢量扇区号一起送入容错控制模块，根据故障信号确定不同的故障情况，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直接转矩控制。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

一种两相永磁同步电机容错系统直接转矩控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种两相永磁同步电机容错系统直接转矩控制方法。

背景技术

两相永磁同步电机的定子一般采用二个绕组，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。

直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)变频调速，是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。20世纪80年代中期，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分别提出了六边形直接转矩控制方案和圆形直接转矩控制方案。直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，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。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM信号发生器。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。

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。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。

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直接转矩控制方法，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：

一种两相永磁同步电机容错系统直接转矩控制方法，确定两相永磁同步电机容错系统中两相永磁同步电机的转速偏差e_ω，并经转速调节器生成参考转矩信号

计算两相静止坐标系下的电流I_α,I_β和电压V_α,V_β，然后根据电磁转矩T_e、磁链幅值φ、磁链角θ、参考转矩信号

以及参考磁链信号φ^*计算得到转矩偏差和磁链偏差e_T,e_φ，转矩偏差和磁链偏差e_T,e_φ分别经滞环调节器得到转矩调节量H_T和磁链调节量H_φ，再利用故障诊断模块得到故障信号F_L，联合转矩调节量H_T、磁链调节量H_φ和磁链矢量扇区号N一起送入容错控制模块，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_k，实现两相永磁同步电机容错系统直接转矩控制。

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，e_ω＝ω^*-ω，_ω ^*为参考转速，_ω为实际转速。

具体的，利用电枢绕组A和电枢绕组B的相电流I_a,I_b和相电压V_a,V_b计算两相静止坐标系下的电流I_α,I_β和电压V_α,Vβ如下：

其中，X＝I或V。

具体的，电磁转矩T_e、磁链幅值φ和磁链角θ计算如下：

T_e＝1.5p[φ_αI_β-φ_αI_β]

θ＝arctan(φ_β/φ_α)

其中，φ_α,φ_β为电机定子磁链。

具体的，联合转矩调节量H_T、磁链调节量H_φ、转矩偏差和磁链偏差e_T,e_φ计算如下：

其中，δ₁,δ₂分别为两个滞环控制器的设定容差常数值。

具体的，逆变器故障信号F_L定义如下：

具体的，根据计算的磁链角θ和故障信号F_L，分别查询容错逆变器健康运行时的磁链扇区所在扇区查询表和容错逆变器容错运行时的磁链扇区所在扇区查询表，得到容错逆变器健康运行和容错运行所对应的定子磁链矢量所在的扇区号N₁,N₂。

进一步的，容错逆变器健康运行时的磁链扇区所在扇区查询表如下：

容错逆变器容错运行时的磁链扇区所在扇区查询表如下：

具体的，根据计算的定子磁链矢量所在扇区号N₁,N₂、滞环控制器输出联合转矩调节量H_T、磁链调节量H_φ和逆变器故障信号F_L查开关选择表得到驱动逆变器功率开关需要的电压矢量，当F_L＝0时，利用开关选择表I得到驱动逆变器功率开关需要的电压矢量V_m,m＝0,1,2,3,4,5,6,7,8,9；当F_L＞0时，利用开关选择表II得到驱动逆变器功率开关需要的电压矢量V_n',n＝0,1,2,3,4,5,6,7。

进一步的，开关选择表I如下：

开关选择表II如下：

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直接转矩控制方法，利用转矩调节器和磁链调节器输出、磁链角选择不同故障下的开关矢量表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采用直接转矩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，系统采用的直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，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，省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM信号发生器。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。

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。

进一步的，系统根据不同的故障分别设计了对应的开关矢量表，可以在完成容错控制的基础上有效提高系统控制性能和响应速度。

综上所述，本发明的容错系统及其控制技术具有很强的通用性，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系统在健康模式下的空间电压矢量分布图；

图3为本发明两相永磁同步电机容错系统在故障模式下的空间电压矢量分布图；

图4为本发明两相永磁同步电机容错控制系统结构图；

图5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，需要理解的是，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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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，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四个电流传感器，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。

如图1和表1所示，容错系统在健康工作条件下8个功率开关管S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8的导通状态可以通过不同的开关状态组合，得到10个空间电压矢量V_i，其中两个为零电压矢量V0和V9，剩余的8个为非零电压矢量。矢量在电压空间分布情况如图2所示。

表1正常逆变器输出的空间电压矢量

表1中，V_i代表空间电压矢量，i＝0,1,2,3,4,5,6,7,8,9。空间电压矢量二进制表达形式为(S_a S_x S_b S_y)，其中开关状态信号S_a、S_x、S_b和S_y分别代表四个逆变器桥臂La、Lb、Lx、Ly上的第一、七、三、五功率开关管S1，S7，S3和S5的触发信号。它们与同一桥臂上的第二、八、四、六功率开关管S2，S8，S4和S6的出发信号是对称的。V_a和V_b分别代表第一、二电枢绕组A，B的相电压。Vs代表输出的电压矢量幅值，Vdc代表系统直流母线电压幅值。

如图1和表2所示，容错系统在任意一相桥臂故障状态下，其逆变器将重构为六开关逆变器拓扑。通过不同的开关状态组合，逆变器输出空间电压矢量V_i’有8个，其中2个为零电压矢量V0’和V7’，剩余的6个为非零电压矢量。在桥臂故障模式下的空间电压矢量空间分布如图3所示。

表2桥臂故障后重构逆变器输出的空间电压矢量

表2中，V_j’代表空间电压矢量，j＝0,1,2,3,4,5,6,7。空间电压矢量二进制表达形式为(S₁S₂S₃)，其中开关状态信号S₁、S₂和S₃分别代表四个逆变器桥臂La、Lb、Lx、Ly在其中一个桥臂故障后顺序剩下的三个桥臂上管的触发信号。

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4，本发明一种两相永磁同步电机容错系统的直接转矩控制方法，主要包括一个转速调节器、一个转矩和磁链计算单元、两个滞环调节器、一个容错控制模块、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直接转矩控制。利用参考转速ω^*和实际转速ω做算数求差运算得到转速偏差e_ω经转速调节器生成参考转矩信号

然后将转矩磁链计算单元计算得到的转矩T_e、磁链φ与计算得到的参考转矩

给定的参考磁链φ^*信号做算数求差运算得到转矩偏差和磁链偏差e_T,e_φ，转矩偏差和磁链偏差e_T,e_φ分别经一个滞环调节器得到转矩调节量H_T和磁链调节量H_φ，再利用故障诊断模块确定故障原因后得到故障信号F_L，它联合之前计算得到的信号H_T,H_φ和转矩磁链计算单元计算的磁链矢量扇区号N一起送入容错控制模块，该模块可以根据F_L所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_k，从而实现两相永磁同步电机容错系统直接转矩控制。

请参阅图5，两相永磁同步电机容错系统直接转矩控制方法的具体步骤如下：

S1、电机的给定转速ω*与实际转速ω经过相减数学运算后得到速度误差e_ω，速度误差e_ω经转速PI调节器后生成参考转矩信号

e_ω＝ω^*-ω

其中，K_p为比例常值系数，K_i为积分常值系数；

S2、利用电流传感器检测电枢绕组A和电枢绕组B的相电流I_a,I_b和利用电压传感器检测相电压V_a,V_b计算两相静止坐标系下的电流I_α,I_β和电压V_α,Vβ，如下：

其中，X＝I或V；

S3、电机定子磁链φ_α,φ_β，磁链幅值φ、磁链角θ和电磁转矩T_e计算如下：

T_e＝1.5p[φ_αI_β-φ_αI_β]

θ＝arctan(φ_β/φ_α)

其中，Rs为电机绕组等效电阻，p为电机极对数；

S4、将参考转矩

给定的参考磁链φ*与计算得到的转矩T_e、磁链φ计算转矩偏差和磁链偏差e_T,e_φ分别经一个滞环调节器后输出转矩调节量H_T和磁链调节量H_φ；

其中，δ₁,δ₂分别为两个滞环控制器的设定容差常数值；

S5、利用四个电流传感器检测电机的A相和B相定子绕组的四个终端的电流得到逆变器故障信号F_L，然后在容错控制模块中根据不同逆变器故障情况选择不同的开关矢量表生成PWM波，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，逆变器故障信号F_L如下：

S6、根据计算的磁链角θ和故障信号F_L查表得到容错逆变器健康运行和容错运行所对应的定子磁链矢量所在的扇区号N₁,N₂；

表3为容错逆变器健康运行时的磁链扇区所在扇区查询表

表4为容错逆变器容错运行时的磁链扇区所在扇区查询表

S7、根据计算的定子磁链矢量所在的扇区号N₁,N₂、滞环控制器输出值H_T,H_φ、和逆变器故障信号F_L查表得到驱动逆变器功率开关需要的电压矢量。

当F_L＝0时候，可以利用表5查表得到驱动逆变器功率开关需要的电压矢量V_m,m＝0,1,2,3,4,5,6,7,8,9；

表5为开关选择表I

当F_L＞0时候，可以利用表6查表得到驱动逆变器功率开关需要的电压矢量V_n',n＝0,1,2,3,4,5,6,7；

表6为开关选择表II

根据以上步骤可以生成PWM波，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直接转矩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 (3)

1.一种两相永磁同步电机容错系统直接转矩控制方法，其特征在于，利用两相永磁同步电机容错系统中两相永磁同步电机的参考转速ω^*和计算转速ω得到速度误差e_ω经转速调节器生成参考转矩信号T_e ^*，然后将转矩磁链计算单元计算得到的转矩T_e、磁链幅值φ与计算得到的参考转矩信号T_e ^*以及给定的参考磁链φ^*信号计算得到转矩偏差和磁链偏差e_T,e_φ，转矩偏差和磁链偏差e_T,e_φ分别经一个滞环调节器得到转矩调节量H_T和磁链调节量H_φ，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，联合转矩调节量H_T、磁链调节量H_φ和磁链矢量扇区号N一起送入容错控制模块，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_k，实现两相永磁同步电机容错系统直接转矩控制，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T_e ^*；

速度误差e_ω计算如下：

e_ω＝ω^*-ω

参考转矩信号T_e ^*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、利用电流传感器检测电枢绕组A和电枢绕组B的相电流I_a,I_b和利用电压传感器检测相电压V_a,V_b，计算两相静止坐标系下的电流I_α,I_β和电压V_α,V_β；

S3、电机定子磁链φ_α,φ_β，磁链幅值φ、磁链角θ和电磁转矩T_e计算如下：

T_e＝1.5p[φ_αI_β-φ_αI_β]

θ＝arctan(φ_β/φ_α)

其中，Rs为电机绕组等效电阻，p为电机极对数；

S4、转矩调节量H_T和磁链调节量H_φ计算如下：

其中，δ₁,δ₂分别为两个滞环控制器的设定容差常数值；

S5、利用四个电流传感器检测电枢绕组A和电枢绕组B四个终端的电流得到逆变器故障信号F_L，然后在容错控制模块中根据不同逆变器故障情况选择不同的开关矢量表生成PWM波，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，逆变器故障信号F_L如下：

步骤S5完成后，根据计算的磁链角θ和故障信号F_L，分别查询容错逆变器健康运行时的磁链扇区所在扇区查询表和容错逆变器容错运行时的磁链扇区所在扇区查询表，得到容错逆变器健康运行和容错运行所对应的定子磁链矢量所在的扇区号N₁,N₂；容错逆变器健康运行时的磁链扇区所在扇区查询表如下：

容错逆变器容错运行时的磁链扇区所在扇区查询表如下：

根据计算的定子磁链矢量所在的扇区号N₁,N₂、滞环控制器输出值H_T,H_φ、和逆变器故障信号F_L查开关选择表得到驱动逆变器功率开关需要的电压矢量；当F_L＝0时，利用开关选择表I得到驱动逆变器功率开关需要的电压矢量V_m,m＝0,1,2,3,4,5,6,7,8,9；

当F_L＞0时，利用开关选择表II得到驱动逆变器功率开关需要的电压矢量V_n',n＝0,1,2,3,4,5,6,7；开关选择表I如下：

开关选择表II如下：

2.根据权利要求1所述的一种两相永磁同步电机容错系统直接转矩控制方法，其特征在于，步骤S2中，两相静止坐标系下的电流I_α,I_β和电压V_α,Vβ计算如下：

其中，X＝I或V，X_α,X_β为两相静止坐标系下的变量参数，X_a,X_b为三相静止坐标系下的变量参数，I为电流，U为电压。

3.根据权利要求1所述的一种两相永磁同步电机容错系统直接转矩控制方法，其特征在于，步骤S4中，转矩偏差和磁链偏差e_T,e_φ如下：

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