CN108964547B - 五相永磁同步电机两相开路故障的容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SVPWM的五相永磁同步电机两相开路故障的容错控制方法，包括如下步骤：该算法通过构建故障后的降阶矩阵，计算得到相应的电压空间矢量。通过六个扇区的划分和六个非零电压矢量的重构来实现参考矢量的合成，同三相电机在正常工况下的控制相似，计算简单，易于实现。本发明可在保证平均转矩的同时，大幅减小由定子绕组开路故障引起的转矩脉动，使五相PMSM在故障状态下的运行性能得到明显改善，有效提高调速系统的可靠性。仿真和实验结果表明采用该容错控制策略能够实现五相电机驱动系统在两相开路故障下的高品质运行。

Description

五相永磁同步电机两相开路故障的容错控制方法

技术领域

本发明涉及多相电机容错控制技术领域，特别涉及一种基于五相永磁电机的控制方法。适用于航空航天、电动汽车、舰船推进系统等对电机的可靠性有较高要求的场合。

背景技术

与传统的三相电机相比，五相永磁同步电机具有高功率密度、高效率、高可靠性等优点，在航空航天、风力发电、船舶推进和电动汽车等领域，具有非常广阔的应用前景。

近年来，国内外的高校和科研机构对五相永磁电机的容错控制策略也进行了深入的研究，并取得了一定的成果。中国发明专利《基于铜耗最小原则的五相磁通切换电机容错控制方法》(专利号为CN201410492490.1)公开了一种基于铜耗最小原则的五相磁通切换电机容错控制方法，当系统发生缺相故障，保持电磁转矩不变，计算出铜耗最小情况下非故障相的容错电流公式，但是该方法是基于电流滞环的控制方法，而电流滞环存在着高开关损耗、电流波动大的问题。中国发明专利《一种五相容错永磁电机的全矢量控制方法》(专利号为CN201510568331.X)公开了一种五相永磁电机的全矢量控制，利用滞环控制的特点，通过对故障后空间矢量的重构，进行矢量控制，但是该方法不适用于两相开路的情况。中国发明专利《五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方法》(专利号为CN201610592151.X)和中国发明专利《五相永磁体内嵌式容错直线电机不相邻两相开路容错矢量控制方法》(专利号为CN201610596174.8)针对两相开路的情况提出一种容错矢量控制方法，虽达到容错控制效果，但是控制结构较为复杂。目前常用的容错控制方法大多基于滞环控制，且多集中于五相电机单相开路的研究，两相开路的研究较少。

发明内容

针对传统容错控制策略存在的相关问题，本发明提出了一种基于SVPWM的五相永磁同步电机两相开路故障的容错控制策略。该方法同三相电机在正常工况下的控制相似，计算简单，易于实现。

为达到技术目的，本发明采用如下技术方案：

基于SVPWM的五相永磁同步电机两相开路故障的容错控制策略，包括如下步骤：

步骤1：根据故障前后基波磁动势之和不变以及故障后的α-β轴磁动势仍然可以形成磁链圆两个原则，来推导五相永磁电机在两相开路故障下对应的基波降阶克拉克和帕克变换；

在不相邻两相开路时，以B、E两相发生开路故障为例。当B、E两相发生开路故障时，推导得到的基波降阶克拉克变换为：

其中，

为B、E开路故障下的基波降阶克拉克变换；α为相邻两相之间的夹角，α＝2π/5。

在相邻两相开路时，以C、D两相发生开路故障为例。当C、D两相发生开路故障时，推导得到的基波降阶克拉克变换为：

其中，

为C、D开路故障下的基波降阶克拉克变换。

两相开路故障下的基波降阶帕克变换为：

其中，

代表两相开路故障下的基波降阶帕克变换矩阵；θ_e为电机的电角度。

步骤2：利用步骤1中得到的基波降阶克拉克、帕克变换，推导两相开路故障下的电流表达式以及五相永磁同步电机在α₁-β₁上的空间电压矢量表达式；

不相邻两相开路电流表达式：

其中，i_d、i_q为基波电流在d-q轴下的分量；i₀为零序电流，因为电机采用星形连接方式，所以i₀＝0；i_A,i_C,i_D为剩余相的基波相电流。

空间电压矢量表达式：

其中，U_α1、U_β1为基波电压在α-β轴下的分量；S_a、S_c、S_d分别表示a、c和d相逆变器开关量；U_dc表示直流母线电压。

相邻两相开路电流表达式：

其中，i_A,i_B,i_E为剩余相的基波相电流。

空间电压矢量表达式：

其中，S_a、S_b、S_e分别表示a、b和e相逆变器开关量。

步骤3：根据步骤2中得到的空间电压矢量表达式，代入逆变器开关状态，计算得到对应的开关矢量大小及方向；

步骤4：根据空间电压矢量分布图进行扇区划分，并以降低器件损耗为目标，在每个扇区内选择合适的开关顺序进行目标矢量的合成；

步骤5：应用三角形正弦定理计算得到每个矢量的作用时间，根据矢量作用时间得到占空比，用程序编写得到容错SVPWM方法；

步骤6：检测五相永磁电机的转速，作为电机的速度反馈n，将反馈转速与给定转速n_ref进行比较得到转速误差，将得到的转速误差输入到PI控制器中，计算得到五相永磁电机给定基波q轴电流

为保证获得最大转矩，此时给定基波d轴电流

步骤7：利用电流传感器，对五相永磁电机的电流进行采样，并对相电流进行坐标变换，得到旋转正交坐标系下反馈的电流分量：i_d,i_q。将得到的反馈电流分量与给定电流分量进行比较，将得到的误差送入到PI控制器中，得到旋转正交坐标系下的给定电压分量：U_d，U_q；

步骤8：将步骤7中得到的给定旋转正交坐标系的电压分量，利用坐标变换，变换为静止坐标系下的电压分量U_α、U_β。将得到的电压分量输入到基于空间矢量的脉宽调制(SVPWM)模块中，得到各相的开关信号，输入到逆变器中，实现五相永磁电机开路故障下的容错矢量控制。

本发明具有以下有益效果：本发明通过构建故障后的降阶矩阵，计算得到相应的电压空间矢量。通过六个扇区的划分和六个非零电压矢量的重构来实现参考矢量的合成，同三相电机在正常工况下的控制相似，计算简单，易于实现。可在保证平均转矩的同时，大幅减小由定子绕组开路故障引起的转矩脉动，使五相PMSM在故障状态下的运行性能得到明显改善，有效提高调速系统的可靠性。仿真和实验结果表明采用该容错控制策略能够实现五相电机驱动系统在两相开路故障下的高品质运行。

附图说明

图1：两相开路故障时的容错控制框图；

图2：故障后空间电压矢量分布图；(a)不相邻两相开路；(b)相邻两相开路；

图3：故障后空间电压矢量扇区分布图；(a)不相邻两相开路；(b)相邻两相开路；

图4：故障后所有扇区中空间矢量的选择示意图；(a)扇区1；(b)扇区2；(c)扇区3；(d)扇区4；(e)扇区5；(f)扇区6；

图5：故障后扇区的目标矢量合成示意图；

图6：B、E两相开路故障时的仿真波形；(a)转速波形；(b)转矩波形；(c)电流波形；

图7：C、D两相开路故障时的仿真波形；(a)转速波形；(b)转矩波形；(c)电流波形。

具体实施方式

下面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详细、完整的描述。

步骤1：根据故障前后基波磁动势之和不变以及故障后的α-β轴磁动势仍然可以形成磁链圆两个原则，来推导五相永磁电机在两相开路故障下对应的基波降阶克拉克和帕克变换；

在不相邻两相开路时，以B、E两相发生开路故障为例。当B、E两相发生开路故障时，推导得到的基波降阶克拉克变换矩阵为：

其中，

为B、E开路故障下的基波降阶克拉克变换；α为相邻两相之间的夹角，α＝2π/5；

在相邻两相开路时，以C、D两相发生开路故障为例。当C、D两相发生开路故障时，推导得到的基波降阶克拉克变换矩阵为：

其中，

为C、D开路故障下的基波降阶克拉克变换。

两相开路故障下的基波降阶帕克变换矩阵为：

其中，

代表两相开路故障下的基波降阶帕克变换矩阵；θ_e为电机的电角度。

步骤2：利用步骤1中得到的基波降阶克拉克、帕克变换，推导不两相开路故障下的电流表达式以及五相永磁同步电机在α-β上的空间电压矢量表达式。

不相邻两相开路电流表达式：

其中，i_d、i_q为基波电流在d-q轴下的分量；i₀为零序电流，因为电机采用星形连接方式，所以i₀＝0；i_A,i_C,i_D为剩余相的基波相电流。

空间电压矢量表达式：

其中，U_α1、U_β1为基波电压在α-β轴下的分量；S_a、S_c、S_d分别表示a、c、和d相逆变器开关量；U_dc表示直流母线电压。

相邻两相开路电流表达式：

其中，i_A,i_B,i_E为剩余相的基波相电流。

空间电压矢量表达式：

其中，S_a、S_b、S_e分别表示a、b和e相逆变器开关量。

步骤3：根据步骤2中得到的空间电压矢量表达式，代入逆变器开关状态，计算得到对应的开关矢量大小及方向；

将开关状态分别代入式(5)和式(7)，得到如表1和表2的所示的矢量大小和如图2所示的矢量分布。

表1

表2

步骤4：根据空间电压矢量分布图进行扇区划分，并以降低器件损耗为目标，在每个扇区内选择合适的开关顺序进行目标矢量的合成；在每个扇区内选择目标矢量不相邻的两个矢量和零矢量U₀，U₇来合成参考矢量；为保证两个扇区内的开关顺序能够衔接起来，不会出现U₀跳变到U₇的情况，选择前一扇区的最后一个作用矢量为U₀，下一个扇区的第一个作用矢量也为U₀。

扇区的定义如图3所示，当参考矢量U_ref位于第K扇区时，选择与其不相邻的两个矢量和零矢量来合成参考矢量。以第一扇区为例，矢量的选择顺序为：U₀(000)-U₄(100)-U₆(110)-U₇(111)-U₆(110)-U₄(100)-U₀(000)。以不相邻两相开路为例，所有扇区的空间矢量选择顺序如图4所示，相邻两相开路矢量选择顺序与此相同。

步骤5：应用三角形正弦定理计算得到每个矢量的作用时间，根据矢量作用时间得到占空比，用程序编写得到容错SVPWM方法；

以不相邻两相开路为例，假设矢量U₆、U₄的作用时间分别为T₁、T₂，合成参考矢量U_ref的具体时间示意图如图5所示。应用三角形正弦定理，可以得到

然后作用时间可以计算得到

为了方便矢量作用时间的表示，做出如下定义

则得到如图表3的作用时间：

表3

步骤6：检测五相永磁电机的转速，作为电机的速度反馈n，将反馈转速与给定转速n_ref进行比较得到转速误差，将得到的转速误差输入到PI控制器中，计算得到五相永磁电机给定基波q轴电流

为保证获得最大转矩，此时给定基波d轴电流

步骤7：利用电流传感器，对五相永磁电机的电流进行采样，并对相电流进行坐标变换，得到旋转正交坐标系下反馈的电流分量：i_d,i_q。将得到的反馈电流分量与给定电流分量进行比较，将得到的误差送入到PI控制器中，得到旋转正交坐标系下的给定电压分量：U_d，U_q。

步骤8：将步骤7中得到的给定旋转正交坐标系的电压分量，利用坐标变换，变换为静止坐标系下的电压分量U_α、U_β。将得到的电压分量输入到基于空间矢量的脉宽调制(SVPWM)模块中，得到各相的开关信号，输入到逆变器中，并通过多路开关实现五相永磁电机由正常到容错系统的切换。

图1给出了两相开路故障下的容错控制框图。图6和图7分别给出了不同两相开路故障情况下的仿真结果。为了同时反映系统由正常状态到容错状态的切换能力，仿真波形进行了一个正常、故障及容错运行的切换，切换时间点分别为0.05s和0.07s。图6(a)和图7(a)给出了三种切换状态的转速波形图，可以看出容错情况下的转速波动得到很好地控制；图6(b)和图7(b)给出了三种切换状态的电磁转矩波形，不难发现故障状态下电磁转矩脉动峰峰值大幅增加，而容错以后的电磁转矩在保持平均转矩不变的同时有效抑制了转矩脉动；图6(c)和图7(c)和给出了正常状态切换到容错状态的相电流波形，可以发现故障后的相电流畸变严重，电流谐波含量明显上升，而容错以后的电流波形正弦度较好，有效抑制了相电流中的谐波成分。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.基于SVPWM的五相永磁同步电机两相开路故障的容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据故障前后基波磁动势之和不变以及故障后的α-β轴磁动势仍然可以形成磁链圆两个原则，来推导五相永磁电机在两相开路故障下对应的基波降阶克拉克和帕克变换矩阵；

步骤2：利用步骤1中得到的基波降阶克拉克、帕克变换矩阵，推导两相开路故障下的电流表达式以及五相永磁电机在α-β上的空间电压矢量表达式；

步骤3：根据步骤2中得到的空间电压矢量表达式，代入逆变器开关状态，计算得到对应的开关矢量大小及方向；得到如表1和表2的所示的矢量大小：

表1

表2

步骤4：根据空间电压矢量分布图进行扇区划分，并以降低器件损耗为目标，在每个扇区内选择合适的开关顺序进行目标矢量的合成；在每个扇区内选择目标矢量不相邻的两个矢量和零矢量U₀，U₇来合成参考矢量；为保证两个扇区内的开关顺序能够衔接起来，不会出现U₀跳变到U₇的情况，选择前一扇区的最后一个作用矢量为U₀，下一个扇区的第一个作用矢量也为U₀；

步骤5：应用三角形正弦定理计算得到每个矢量的作用时间，根据矢量作用时间得到占空比，用程序编写得到容错SVPWM方法；

步骤6：利用电流传感器，对五相永磁电机的电流进行采样进行变换，得到旋转正交坐标系下反馈的电流分量，利用位置传感器检测实时转速，并测得转子位置角，构成闭环控制；

步骤1中，在不相邻两相开路时，假如B、E两相发生开路故障，推导得到的基波降阶克拉克变换矩阵为：

其中，

为B、E开路故障下的基波降阶克拉克变换；α为相邻两相之间的夹角，α＝2π/5；

步骤1中，在相邻两相开路时，假如C、D两相发生开路故障时，推导得到的基波降阶克拉克变换矩阵为：

其中，

为C、D开路故障下的基波降阶克拉克变换；

两相开路故障下的基波降阶帕克变换矩阵为：

其中，

代表两相开路故障下的基波降阶帕克变换矩阵；θ_e为电机的电角度

步骤2中，

当不相邻两相开路时，假如B、E两相发生开路故障，电流表达式：

其中，i_d、i_q为基波电流在d-q轴下的分量；i₀为零序电流，因为电机采用星形连接方式，所以i₀＝0；i_A,i_C,i_D为剩余相的基波相电流；

空间电压矢量表达式：

其中，U_α1、U_β1为基波电压在α-β轴下的分量；S_a、S_c、S_d分别表示a、c和d相逆变器开关量；U_dc表示直流母线电压；

步骤2中，当相邻两相开路时，其电流表达式为：

其中，i_A,i_B,i_E为剩余相的基波相电流；

空间电压矢量表达式：

其中，S_a、S_b、S_e分别表示a、b和e相逆变器开关量。

2.根据权利要求1所述基于SVPWM的五相永磁同步电机两相开路故障的容错控制方法，其特征在于，步骤6的具体过程为：

检测五相永磁电机的转速，作为电机的速度反馈n，将反馈转速与给定转速n_ref进行比较得到转速误差，将得到的转速误差输入到PI控制器中，计算得到五相永磁电机给定基波q轴电流

为保证获得最大转矩，此时给定基波d轴电流

利用电流传感器，对五相永磁电机的电流进行采样，并对相电流进行坐标变换，得到旋转正交坐标系下反馈的电流分量：i_d,i_q，将得到的反馈电流分量与给定电流分量进行比较，将得到的误差送入到PI控制器中，得到旋转正交坐标系下的给定电压分量：U_d，U_q；

将得到的给定旋转正交坐标系的电压分量，利用坐标变换，变换为静止坐标系下的电压分量U_α、U_β，将得到的电压分量输入到基于空间矢量的脉宽调制SVPWM模块中，得到各相的开关信号，输入到逆变器中，实现五相永磁电机开路故障下的容错矢量控制。

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