CN110336498B - 一种自适应抑制谐波转矩的缺相控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应抑制二次谐波转矩的缺相控制方法，通过在原有的电流环比例积分控制器PI基础上并联二倍频的谐振控制器并且将故障相的空间矢量调制波SVPWM复制到电机中性点加以实现，适用于三相星形接法永磁同步电机的一相缺相运行工作模式。改进的电流环比例积分谐振控制器PIR可以自适应地补偿传统前馈补偿方法中由于参数变化产生的误差。复制的调制波可以在不改变电机的稳态性能前提下，维持SVPWM的高直流母线电压利用率这一特性。利用本发明，可以抑制缺相运行时传统前馈方法由于参数变化引发的二次谐波转矩。

Description

一种自适应抑制谐波转矩的缺相控制方法
技术领域
本发明属于永磁电机控制领域，尤其是涉及一种自适应抑制由电机参数变化引发的谐波转矩的缺相控制方法。
背景技术
近年来，永磁同步电机因为高转矩密度、高效率、结构简单而被广泛应用。在军工、航空航天以及汽车等多个领域中，电机的高可靠性是一项至关重要的指标。因此，永磁同步电机的容错运行逐渐成为研究热点之一，其中包括了各式各样的逆变器容错拓扑结构以及配套的故障检测和容错运行控制算法。其中，三相四桥臂逆变器容错拓扑，有着结构简单，冗余器件较少、不需要分裂电容和直流母线电压利用率维持不变等优点而被广泛关注。
一相开路故障是一种当电机一相绕组或逆变器一相桥臂由于机械或电气连接问题引发的故障。故障发生后，如果仍使用常规的逆变器，三相电机将劣化为单相电机，无法维持稳定的转速和转矩。将三相电机的中性点引出可以解决这一问题，为了维持和正常态相同的转矩，健康两相的电流需要叠加反相的原故障相电流，因此幅值需要增大到原有的
Figure BDA0002150727100000011
倍，同时相位偏转30°。
大部分缺相控制策略采用前馈控制的方法来实现上述的电流规划，前馈控制可以在dq旋转坐标系加入，也可以在0轴加入，然而这些前馈控制依赖于准确的电机参数，比如电阻、电感等。这些参数在实际应用中会随着温度等参数的变化而变化，进而导致前馈补偿量不准确，最后导致转速与转矩纹波的出现，使得电机性能下降。这些不准确的参数在低速大转矩的工况下的影响更为明显。为了使补偿更加准确，自适应的补偿方式无疑是更有效的。另外，健康两相以及中性点的调制波也应该妥善选择，以便维持SVPWM调制策略的直流母线电压利用率。
发明内容
本发明提供了一种自适应抑制谐波转矩的缺相控制方法，解决了传统前馈补偿因参数不准确引发的二次谐波转矩问题，从而优化了缺相运行性能；另外通过选择合适的调制波，在缺相运行模式下维持了SVPWM的电压利用率。
本发明的技术方案如下：
一种自适应抑制谐波转矩的缺相控制方法，当三相电机缺相运行时，在常规矢量控制框架中原有的电流环比例积分控制器PI上并联一个谐振控制器，构成电流环比例积分谐振控制器PIR；电流环输出的电压经过空间矢量调制SVPWM后通过三相四桥臂逆变器拓扑结构实现。
所述的自适应抑制谐波转矩的缺相控制方法，其特征在于，所述的缺相运行为电机abc三相缺任意一相的容错工作状态。
所述常规矢量控制框架包括在正常工作状态使用的速度环比例积分控制器、电流环比例积分控制器、空间矢量调制算法SVPWM和坐标变换等。
所述谐振控制器的传递函数为：
Figure BDA0002150727100000021
其中，s＝jω为传递函数中常用的频域表示符号，Kr为增益，ωc为带宽，s为传递函数中常用的频域表示，ω0为谐振角频率。
根据缺相运行下各相电压的幅值与相位，确定前馈控制所需的补偿量。而后确定参数不准确引发的补偿量误差，将这些误差的影响转化到dq旋转坐标系下。转化后的误差频率为二倍电角频率，因此，所述谐振控制器的谐振频率为电角频率的两倍。
进一步地，所述三相四桥臂逆变器拓扑结构的第四桥臂连接到三相电机的中性点。这一连接方式使得缺相后的三相电机不再是无法输出平稳转矩的单相电机。进而使健康两相的电流可以独立控制，产生稳定的转矩。
进一步地，所述三相四桥臂逆变器拓扑结构的空间矢量调制波选择方式为：三相电机中健康两相的调制波仍为空间矢量调制波SVPWM，从电机中性点的调制波使用故障相原有的空间矢量调制波。这一系列调制波的目的在于维持SVPWM对直流母线电压的高利用率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过自适应的补偿方式抑制了由于电机参数变化导致的传统前馈控制方法中存在的二次谐波转矩；
2、本发明将故障相的SVPWM调制波复制到中性点，该方法无需多余的容错调制波算法并且可以维持SVPWM算法的高直流母线电压利用率。
附图说明
图1为本发明的三相四桥臂逆变器拓扑示意图；
图2为本发明实施例故障前与缺相故障后的电流矢量示意图；
图3为本发明实施例矢量控制框图示意图；
图4为使用本发明后dq轴反馈电流与传统前馈方法对比图；
图5为使用本发明后转矩波动与传统前馈方法对比图；
图6为使用本发明后转速波动与传统前馈方法对比图；
图7为故障前三相电压调制波；
图8为使用本发明后三相电压调制波；
图9为使用理论电阻值计算故障后中性点调制波的三相调制波。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本实施例及附图只阐述了本发明在缺c相的控制方法，但本发明也适用于其它相开路的缺相控制方法。
如图1所示，本发明使用三相四桥臂的逆变器冗余拓扑来实现电机的缺相控制。该拓扑结构有冗余器件不多，结构简单，无需分裂电容同时可以保证原有的直流母线电压利用率的优点。
三相电机正常工作时的电压方程为：
Figure BDA0002150727100000041
Figure BDA0002150727100000042
其中，uxn,ix,ex是x相(x∈{a,b,c})的相电压、相电流以及永磁体产生的相反电动势，Rs是相电阻，L和M是定子绕组的自感和互感，ψ1是磁链，θe和ωe分别是电角度和电角速度。当θe为0时，转子磁链与a相重合。
传统的故障前的三相电流与故障后的缺c相控制电流矢量图如图2所示。缺相运行时abc相电流以及零轴电流为
Figure BDA0002150727100000043
其中，i'a，i'b和i'c为缺c相三相电流，i0为零轴电流。
将上式代入三相电压方程中得到缺相后的相电压：
Figure BDA0002150727100000051
故障后与故障前的相电压差值Δu为：
Δu＝u'an-uan＝u'bn-ubn＝-Rsic-L0dic/dt.
通常会在中性点的调制波中前馈补偿这一差值。假设ab相调制波仍与故障前相同，可以推导出理想的中性点调制波为：
Figure BDA0002150727100000052
其中，uoffset是用来简化SVPWM算法的偏置电压。上式也可以通过电机在 dq旋转坐标系下的数学模型推导得到。
由上式得到的中性点调制波与相电阻密切相关，而这一电阻会随着温度等因素的变化而变化。这会导致故障后的ab相电压中存在额外的基频波动，进而引发转矩脉动。这一误差可以通过自适应地补偿ab相电压来抑制。将自适应补偿后的ab相电压写成如下一般形式：
Figure BDA0002150727100000053
其中，第一项为故障前分量，第二项为故障后参数不准确的补偿分量，a,b, θ1,θ2都是任意数值。
ab相电压到dq坐标的变换矩阵K为：
Figure BDA0002150727100000054
因此，补偿后的dq轴电压u'd和u'q可以写作如下格式：
Figure BDA0002150727100000055
因此可以在电流环PI控制器上并联二倍频的谐振控制器构成电流环 PIR控制器，实现对参数不准确的自适应补偿。谐振控制器传递函数为：
Figure BDA0002150727100000061
其中，Kr为增益，ωc为带宽，ω0＝2ωe为谐振角频率。
另外，在使用PIR控制器加入自适应补偿后，理论上只要中性点调制波由基波分量构成，就不会对电机转矩性能造成影响。因此，本发明将故障相的调制波复制到中性点，既不需要额外调制波算法，也可以保证 SVPWM算法的高直流母线电压利用率。
图3为矢量控制框架下本发明的系统框图，包括基础的矢量控制框架和提出的电流环PIR控制器以及abn三相调制波选择。
图4-6为本发明控制算法的在120rpm和0.72Nm的工况下的实验波形，波形均显示两个电周期。图4对比了自适应方法和前馈方法的dq轴反馈电流，前馈方法中存在明显的二倍频分量，而自适应方法有效地抑制了这些波动。图5和图6分别对比了两种方法的转矩和转速波动，自适应方法有效抑制了前馈方法中由于参数不准确引发的二倍频波动。
图7-9分别展示了故障前的三相调制波、使用故障相调制波作为故障后中性点调制波的三相调制波和使用理论电阻值计算故障后中性点调制波的三相调制波。通过对比，本发明可以保持故障前SVPWM算法的高直流母线电压利用率。使用本发明后，电磁转矩的二次谐波转矩得到抑制，直流母线电压利用率维持不变，永磁同步电机缺相运行性能得到提高。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种自适应抑制谐波转矩的缺相控制方法，其特征在于：
当三相电机缺相运行时，在常规矢量控制框架中原有的电流环比例积分控制器PI上并联一个谐振控制器，构成电流环比例积分谐振控制器PIR；电流环输出的电压经过空间矢量调制SVPWM后通过三相四桥臂逆变器拓扑结构实现控制；
所述谐振控制器的谐振频率为电角频率的两倍；
所述的缺相运行为电机abc三相缺任意一相的容错工作状态；
所述常规矢量控制框架包括在正常工作状态使用的速度环比例积分控制器、电流环比例积分控制器、空间矢量调制算法和坐标变换；
所述谐振控制器的传递函数为：
Figure 20779DEST_PATH_IMAGE002
其中，s＝jω为传递函数中常用的频域表示符号，K r 为增益，ω c 为带宽，ω 0 为谐振角频率；
所述三相四桥臂逆变器拓扑结构的第四桥臂连接到三相电机的中性点；
所述三相四桥臂逆变器拓扑结构的空间矢量调制波选择方式为：三相电机中健康两相的调制波仍为原有的空间矢量调制波，电机中性点的调制波使用故障相原有的空间矢量调制波；
所述谐振控制器用于抑制由于电机参数变化导致的前馈补偿控制中存在的2次谐波转矩，所述前馈补偿控制采用的中性点调制波
Figure 937919DEST_PATH_IMAGE004
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，u offset 是用来简化SVPWM算法的偏置电压，R s 是相电阻，i 0是零轴电流，L 0为零轴电感；
补偿后的dq轴电压
Figure DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，a, b, θ 1, θ 2为任意数值，θ e 是电角度。
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