CN109981017A - 一种开路故障下的两单元同相位永磁同步电机容错控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了开路故障下两单元同相位永磁同步电机容错控制系统及方法，首先利用转速控制器获得交轴电流参考值；依据各单元所含健康相数量，对各单元交轴参考电流进行分配；电流传感器将采集到的绕组电流经过Clark、Park变换后得到两组交、直轴电流，并与上述交、直轴电流参考值相比较，差值送至电流控制器；电流控制器输出的两组交、直轴电压经过反Park变换后得到两组α、β轴电压；最后，通过电压矢量选取获得最优电压矢量及其作用时间，经过占空比控制后输送至逆变器，逆变器输出最优电压给带故障运行的两单元同相位永磁同步电机。本发明与电流滞环控制相比，具有开关频率固定，输出电流谐波含量小，控制性能好等优点。

Description

一种开路故障下的两单元同相位永磁同步电机容错控制系统 及方法

技术领域

本发明涉及一种开路故障下的两单元同相位永磁同步电机容错控制系统及方法，属于电机驱动及控制领域。

背景技术

相比与传统三相交流调速系统，多相交流调速系统具有以下优势：1)增加定子绕组相数，降低了功率器件容量，避免了由功率器件串、并联所带来的均压、均流等问题；2)提高了系统容错运行能力，能实现故障状态下的容错运行。但相数的增多会导致控制算法复杂，而同相位、多单元电机除了具有多相电机的优势之外，还有控制算法简单的特点。另一方面，与异步电机相比，永磁同步电机具有更高的效率和更大的功率密度等。因此，同相位、多单元永磁同步电机调速系统在大功率输出和高可靠性场合，具有广泛的应用前景。

电机调速系统中的主要电气故障分为逆变器故障和电机本体故障，包括开路故障、短路故障等不同类型，造成系统不对称，产生周期性转矩脉动，影响系统运行性能。容错控制的目的是保证电机调速系统在故障情况下仍具有一定的输出能力，维持系统持续可靠运行。

目前对于同相位、多单元电机容错控制研究较少，容错方案主要包括：1)当某一单元电机的某一相发生故障后，将该相所在单元全部切除并进入到容错运行，这种方案实施简单但不能充分利用发生故障的所在单元剩余健康相；2)当某一相发生故障后，利用所在单元的剩余健康相与其他健康单元电机，基于磁动势不变原则进行电流重构，然后采取电流滞环控制，这种方案能够利用电机剩余健康绕组，但控制过程中开关频率不固定，使得电流的谐波含量较高，控制性能不理想。

发明内容

本发明针对单相开路故障的两单元同相位永磁同步电机驱动系统，提供了一种基于空间矢量调制算法的容错控制系统及方法，该方法能保证两单元同相位永磁同步电机驱动系统在发生一相开路故障后仍然具有较好的运行性能，提高了系统带故障运行能力。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种两单元同相位永磁同步电机开路故障下的容错控制系统，包括转速PI控制器、转矩分配模块、电流PI控制器、坐标变换模块、电压矢量选择模块、占空比计算模块、逆变器、电流传感器、单相开路故障的两单元同相位永磁同步电机和编码器；

转速参考值和经编码器反馈得到的实际转速相比较，其转速差值输入至转速PI控制器；转速PI控制器输出交轴电流参考值，并输入给转矩分配模块，分配后两个单元分别得到其交、直轴电流参考值；电流传感器将采集到的多单元绕组电流经过Clark、Park变换后得到两组交、直轴电流，并与上述交、直轴电流参考值相比较，电流差值输入至电流PI控制器；电流PI控制器输出两组交、直轴电压；将这两组交、直轴电压经过反Park变换后得到两组两相静止坐标系下的电压；将得到的两组两相静止坐标系下的电压分别输入各自的电压矢量选择模块进行电压矢量的筛选；占空比计算模块计算各电压矢量的占空比，输出占空比信号至逆变器；逆变器输出最优电压至单相开路故障下的两单元同相位永磁同步电机。

本发明还公开了一种两单元同相位永磁同步电机开路故障下的容错控制方法，包括以下步骤：

步骤一：当单相绕组发生开路故障后，转速控制器获得交轴电流参考值，转矩分配模块将分配后的交、直轴电流通过电流控制器，获得各个单元的交、直轴电压，各单元的交、直轴电压通过反Park变换，得到各单元两相静止电压；

计算交轴电流参考值i_q ^*：检测电机实际转速n，将转速参考值n^*与实际转速n的差值e_n输入转速PI控制器，根据公式(1)获得交轴电流参考值i_q ^*，直轴电流参考值为0；

其中，K_P和K_I分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；

计算分配给各单元的交轴参考电流i_q1 ^*、i_q2 ^*：单相开路后，故障单元只剩下两个绕组，健康单元仍有三个绕组，为使系统铜耗最小，则应该满足公式(2)。由公式(2)可以解得，此时i_b1＝i_c1＝i_a2＝i_b2＝i_c2，因此故障单元交轴电流参考值i_q1 ^*和健康单元交轴电流参考值i_q2 ^*根据公式(3)进行电流分配，故障单元的健康单元的直轴电流参考值均为0；

其中，i_b1、i_c1为故障单元剩余绕组的电流，i_a2、i_b2、i_c2为健康单元各绕组电流，R为定子绕组电阻；

计算直轴、交轴电压u_d、u_q：将由电流传感器检测得到的五相电流根据公式(4)计算得到故障单元交直轴电流检测值i_d1、i_q1和健康单元交直轴电流检测值i_d2、i_q2；

将各单元直轴、交轴电流参考值i_d1 ^*、i_q1 ^*、i_d2 ^*、i_q2 ^*与各单元实际直轴、交轴电流i_d1、i_q1、i_d2、i_q2的差值e_nd1、e_nq1、e_nd2、e_nq2输入电流PI控制器，根据公式(5)获得各单元直轴、交轴电压u_d1、u_q1、u_d2、u_q2；

计算各单元两相静止电压u_α1、u_β1、u_α1、u_β1：根据公式(6)获得各单元静止两相电压。

步骤二：利用电压矢量选择模块进行电压矢量的选取；

若以A1相绕组发生开路故障为例，剩余的五相可以产生32个空间电压矢量，这32个矢量可以由以下32组开关状态表示：00000,10000,01000,11000,00100,10100,01100,11100,00010,10010,01010,11010,00110,10110,01110,11110,00001,10001,01001,11001,00101,10101,01101,11101,00011,10011,01011,11011,00111,10111,01111,11111；其中，“1”表示上桥臂开通下桥臂关断，“0”表示下桥臂开通上桥臂关断，00000和11111两组产生零电压矢量，其他30组产生非零电压矢量；上述开关状态在α₁、β₁空间和α₂、β₂空间产生的基本电压矢量分别如表1和表2所示，表中U_dc为母线电压；

表1 α₁、β₁空间基本电压矢量表

表2 α₂、β₂空间基本电压矢量表

控制的目标为一个开关周期内在α₁、β₁平面所选择的电压矢量能够合成出所需的u_α1、u_β1，同时在α₂、β₂平面内作用为0，即对α₁、β₁平面的控制不对α₂、β₂平面产生影响。同理，一个开关周期内在α₂、β₂平面所选择的电压矢量能够合成出所需的u_α2、u_β2，同时在α₁、β₁平面内作用为0，即对α₂、β₂平面的控制不对α₁、β₁平面产生影响。这样就实现了两个平面的解耦控制。

通过观察表1和表2各电压矢量的幅值和相位，可以发现，α₁、β₁平面中1、3、2、30、28、29号矢量在α₂、β₂平面内均为零，因此在α₁、β₁平面中选择这6个矢量进行控制，可以实现对α₁、β₁平面的独立控制；α₂、β₂平面中由4、15、8、27、16、23号矢量组成的第一组矢量和由7、12、11、24、19、20号矢量组成的第二组矢量在α₁、β₁平面中相位相反，第二组矢量的幅值是第一组矢量的2倍，因此在α₂、β₂平面中选择这两组矢量，并且第一组矢量的作用时间为第二组矢量的2倍，可以实现对α₂、β₂平面的独立控制。由此通过上述矢量的选择，可以实现α₁、β₁平面和α₂、β₂平面的解耦控制。

步骤三：通过占空比计算模块计算得到各占空比信号，经逆变器作用，输出最优电压给单相开路故障的两单元同相位永磁同步电机。

占空比计算：对于α₁、β₁平面：通过扇区判断找到当前对应u_α1、u_β1的扇区，将u_α1、u_β1分解到相应扇区边缘的两个电压矢量上并除以各自电压矢量的幅值即可得到个各适量的占空比；对于α₂、β₂平面：通过扇区判断找到当前对应u_α2、u_β2的扇区，将u_α2、u_β2分解到相应扇区边缘的两个电压矢量上并除以各自电压矢量的幅值可得到两组矢量占空比之和，经过过调制处理后最终得到α₁、β₁平面各适量的占空比P_α1β1和α₂、β₂平面两组矢量占空比之和P_α2β2，剩余占空比(1-P_α1β1-P_α2β2)则由零矢量提供。将P_α2β2乘以2/3作为第一组矢量的占空比，剩余的1/3作为第二组矢量的占空比。各适量的占空比与对应矢量的开关状态相乘后求和并加之零矢量占空比的一半可以得到两套逆变器所需要的触发脉冲信号。将此信号输送至逆变器，逆变器输出最优电压给单相开路故障下的两单元同相位永磁同步电机。

工作原理：转速参考值和经编码器反馈得到的实际转速相比较，其转速差值输入至转速PI控制器；转速PI控制器输出交轴电流参考值，并输入给转矩分配模块，分配后两个单元分别得到其交、直轴电流参考值；电流传感器将采集到的多单元绕组电流经过Clark、Park变换后得到两组交、直轴电流，并与上述交、直轴电流参考值相比较，电流差值输入至电流PI控制器；电流PI控制器输出两组交、直轴电压；将这两组交、直轴电压经过反Park变换后得到两组两相静止坐标系下的电压；将得到的两组两相静止坐标系下的电压分别输入各自的电压矢量选择模块进行电压矢量的筛选；占空比计算模块计算各电压矢量的占空比，输出占空比信号至逆变器；逆变器输出最优电压至单相开路故障下的两单元同相位永磁同步电机。

有益效果：

对于单相开路故障下的两单元同相位永磁同步电机驱动系统，本发明选用α₁、β₁平面中1、3、2、30、28、29号矢量，在α₂、β₂平面中选择由4、15、8、27、16、23号矢量组成的第一组矢量和由7、12、11、24、19、20号矢量组成的第二组矢量进行控制。本发明可实现两单元同相位永磁同步电机驱动系统在发生一相开路故障后对两个单元的独立解耦控制，并使得每个采样周期内的开关频率保持恒定，保证两单元同相位永磁同步电机驱动系统在发生开路故障后仍然具有较好的运行性能，提高了系统带故障运行能力。

附图说明

图1是本发明提供的两单元同相位永磁同步电机开路故障下的容错控制系统示意图；

图2是本发明提供的两单元同相位永磁同步电机一相开路故障容错控制方法中所采用的空间电压矢量在α₁、β₁空间分布图。

图3是本发明提供的两单元同相位永磁同步电机一相开路故障容错控制方法中所采用的空间电压矢量在α2、β2空间分布图。

图4是本发明提供的两单元同相位永磁同步电机开路故障下的容错控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种两单元同相位永磁同步电机开路故障下的容错控制系统，包括转速PI控制器、转矩分配模块、电流PI控制器、坐标变换模块、电压矢量选择模块、占空比计算模块、逆变器、电流传感器、单相开路故障的两单元同相位永磁同步电机和编码器；

转速参考值和经编码器反馈得到的实际转速相比较，其转速差值输入至转速PI控制器；转速PI控制器输出交轴电流参考值，并输入给转矩分配模块，分配后两个单元分别得到其交、直轴电流参考值；电流传感器将采集到的多单元绕组电流经过Clark、Park变换后得到两组交、直轴电流，并与上述交、直轴电流参考值相比较，电流差值输入至电流PI控制器；电流PI控制器输出两组交、直轴电压；将这两组交、直轴电压经过反Park变换后得到两组两相静止坐标系下的电压；将得到的两组两相静止坐标系下的电压分别输入各自的电压矢量选择模块进行电压矢量的筛选；占空比计算模块计算各电压矢量的占空比，输出占空比信号至逆变器；逆变器输出最优电压至单相开路故障下的两单元同相位永磁同步电机。

如图2到图4所示，一种两单元同相位永磁同步电机一相开路故障下的容错控制方法，包括以下步骤：

(1)计算交轴电流参考值i_q ^*：检测电机实际转速n，将转速参考值n^*与实际转速n的差值e_n输入转速PI控制器，根据公式(1)获得交轴电流参考值i_q ^*，直轴电流参考值为0；

其中，K_P和K_I分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；

(2)计算分配给各单元的交轴参考电流i_q1 ^*、i_q2 ^*：单相开路后，故障单元只剩下两个健康相，健康单元仍有三个相，为使系统铜耗最小，则应该满足公式(2)。由公式(2)可以解得，此时i_b1＝i_c1＝i_a2＝i_b2＝i_c2，因此故障单元交轴电流参考值i_q1 ^*和健康单元交轴电流参考值i_q2 ^*根据公式(3)进行电流分配，故障单元的健康单元的直轴电流参考值均为0；

其中，i_b1、i_c1为故障单元剩余健康相电流，i_a2、i_b2、i_c2为健康单元各相电流，R为定子绕组电阻；

(3)计算直轴、交轴电压u_d、u_q：将由电流传感器检测得到的五相电流根据公式(4)计算得到故障单元直轴、交轴电流检测值i_d1、i_q1和健康单元直轴、交轴电流检测值i_d2、i_q2；

将各单元直轴、交轴电流参考值i_d1 ^*、i_q1 ^*、i_d2 ^*、i_q2 ^*与各单元实际直轴、交轴电流i_d1、i_q1、i_d2、i_q2的差值e_nd1、e_nq1、e_nd2、e_nq2输入电流PI控制器，根据公式(5)获得各单元直轴、交轴电压u_d1,u_q1,u_d2,u_q2；

(4)计算各单元两相静止电压u_α1、u_β1、u_α1、u_β1：根据公式(6)获得各单元静止两相电压。

(5)空间电压矢量的选择：在α₁、β₁平面中选取1、3、2、30、28、29号矢量，在α₂、β₂平面中选择由4、15、8、27、16、23号矢量组成的第一组矢量和由7、12、11、24、19、20号矢量组成的第二组矢量进行控制。

(6)占空比计算：对于α₁、β₁平面：通过扇区判断找到当前对应u_α1、u_β1的扇区，将u_α1、u_β1分解到相应扇区边缘的两个电压矢量上并除以各自电压矢量的幅值即可得到个各适量的占空比；对于α₂、β₂平面：通过扇区判断找到当前对应u_α2、u_β2的扇区，将u_α2、u_β2分解到相应扇区边缘的两个电压矢量上并除以各自电压矢量的幅值可得到两组矢量占空比之和，经过过调制处理后最终得到α₁、β₁平面各适量的占空比P_α1β1和α₂、β₂平面两组矢量占空比之和P_α2β2，剩余占空比(1-P_α1β1-P_α2β2)则由零矢量提供。将P_α2β2乘以2/3作为第一组矢量的占空比，剩余的1/3作为第二组矢量的占空比。各适量的占空比与对应矢量的开关状态相乘后求和并加之零矢量占空比的一半可以得到两套逆变器所需要的触发脉冲信号。将此信号输送至逆变器，逆变器输出最优电压给单相开路故障下的两单元同相位永磁同步电机。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于高频信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据d轴基频电流参考值和q轴基频电流参考值找到使电磁转矩高频脉动最小的高频电流分量与d轴之间的夹角，即最优高频电流角β_i；

步骤二、将所述步骤一得到的最优高频电流角β_i，带入电机高频电压方程，得到使电磁转矩高频脉动最小的高频电压分量在d轴和q轴上的投影和计算得到最优高频电压角β_u；

步骤三、根据电机α轴电流i_α和β轴电流i_β，以及所述步骤一所得最优高频电流角β_i和所述步骤四所得转子位置估计值使用外差法得到转子位置估计误差

步骤四、根据所述步骤三所得转子位置估计误差使用位置观测器得到转子位置估计值和转子角速度估计值在电流派克变换模块和电压派克逆变换模块用代替转子位置实际值θ_e，用代替转子角速度实际值ω_e，实现系统的无位置控制。

2.根据权利要求1所述的基于高频信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤一中，永磁同步电机电磁转矩公式为：

其中：i_d是d轴电流，i_q是q轴电流，P_n是电机极对数，L_d是d轴电感，L_q是q轴电感，ψ_f是永磁体产生的d轴磁链，不考虑PWM开关引起的噪声和其他高频噪声，电压、电流等电气量都由与同步转速相关的基频分量和与注入的高频信号频率相关的高频分量组成，i_d和i_q可以表示成基频分量和响应出的高频分量的叠加形式，即：

其中：i_d0是d轴基频电流，i_dh是d轴高频电流，i_q0是q轴基频电流，i_qh是q轴高频电流。带入电磁转矩公式并整理，可得：T_e＝T_e0+T_e1h+T_e2h；

其中：T_e0是由基频电流所产生的电磁转矩直流分量，T_e1h是由注入高频电压响应的高频电流所产生的等频率电磁转矩分量，T_e2h是由注入高频电压响应的高频电流所产生的两倍频电磁转矩分量，T_e0、T_e1h和T_e2h可表示为：

由于T_e2h远小于T_e1h，故常省略，则T_e1h是高频注入法造成电机高频电磁转矩脉动的主要原因，令i_qh与i_dh同相位，且通过合理分配i_qh和i_dh的幅值比可消除T_e1h，即令：其中：为d轴基频电流参考值，为q轴基频电流参考值，为d轴高频电流参考值，为q轴高频电流参考值，计算可得最优高频电流角β_i：

3.根据权利要求1所述的基于高频信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤二中，根据dq坐标系下的电机高频电压方程：

可得最优高频电压角β_u：

可得使电磁转矩高频脉动最小的高频电压分量在d轴和q轴的投影

其中：u_s为注入的高频电压信号源，当采用占空比为50％的方波信号时，则V_h是注入方波的幅值，T_h是方波的频率。

4.根据权利要求1所述的基于高频信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤三中，将α轴电流i_α和β轴电流i_β变换到以和组成的正交坐标系下，对应的电气量x复矢量形式记作列向量形式记作其中：最优高频电流角β_i由所述步骤一得到，转子位置估计值由所述步骤四得到，并将所述步骤二得到的和带入αβ坐标系下的电机高频电压方程：

其中：L为均值电感，L＝(L_d+L_q)/2，l为半差电感，l＝(L_d-L_q)/2。

将电流微分形式表示成电流差分形式，差分时间取T_h/2，可得到：

其中：为转子估计角度误差，对在处一阶Taylor展开并化简：

即与成正比，可由i_α和i_β经过外差法后，再经过高通滤波器得到：

5.根据权利要求1所述的基于高频信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤四中，将所述步骤三中得到的位置估计误差经过PI控制器得到原始转子角速度估计值 经过一阶积分得到转子位置估计值 经过低通滤波器得到可用的转子角速度估计值在电流派克变换模块和电压派克逆变换模块用代替实际的转子位置信号θ_e，用代替实际的转子角速度ω_e，实现系统的无位置控制。