CN110943668B - 一种双绕组永磁容错电机驱动系统的直接转矩控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双绕组永磁容错电机驱动系统的直接转矩控制方法，具体为：步骤1、采集两套绕组的电流和电压，得到电机电流矢量和电压矢量；步骤2、进行定子磁链观测器的自校正处理；步骤3、进行转矩观测器处理；步骤4、进行转速调节器处理；步骤5、进行转矩调节器处理；步骤6、进行磁链调节器处理；步骤7、查找最优开关矢量表，实现电机控制；步骤8、如果出现故障则通过故障诊断与容错处理器实现电机容错运行。一种双绕组永磁容错电机驱动系统的直接转矩控制方法简单易行，可靠性高，具有自校正和快速响应功能，提高了电机驱动系统的动态响应性能，增强了电机驱动系统的鲁棒性。

Description

一种双绕组永磁容错电机驱动系统的直接转矩控制方法
技术领域
本发明涉及永磁电机控制领域，尤其是涉及双绕组永磁容错电机驱动系统的直接转矩控制方法。
背景技术
随着多电、全电飞机及混合、纯电动汽车的发展，电机驱动系统迎来了新的发展机遇和挑战，除了要求高功率密度和高效率外，还需要同时具备高输出性能和高可靠性，这已成为电机驱动系统的关键所在。20世纪90年代，永磁容错电机及其控制系统的出现，提高了系统的安全可靠性，现已应用到航空领域。但是，受到电磁干扰、绝缘老化、接触不良等因素的影响，驱动系统中的电机和功率管经常会发生一些电气故障，一般可以归结为四种类型：功率管开路故障、功率管短路故障、绕组开路故障和绕组短路故障。当电机驱动系统发生故障后，电机非对称运行，输出的转矩脉动增大，产生较大的机械噪声，导致系统的整体性能下降，尤其是输出功率大大降低，甚至不能正常工作，严重危害系统的安全，因此如何在系统故障或处于其他复杂条件时保障其容错控制能力就成为了一个亟待解决的问题。为了满足复杂条件下电机驱动系统的高机动性和高可靠性，研究多相电机驱动系统的智能控制方法显得尤为重要。在现有的电机驱动系统中，六相永磁容错电机不仅具有传统永磁同步电机的优点，还具有可靠性高、容错性强的优势，是一种极具发展前景的电气容错驱动系统。
目前随着电力电子技术的快速发展以及多相电机控制策略的完善，通过微处理器可实现多相电机复杂的控制策略。但使用传统的SVPWM技术控制多相电机时，由于其只对d-q轴分量进行控制，定子电流中存在大量的谐波电流。国内外学者ZhaoY.F和T.A.Lipo提出了六相电机矢量空间解耦控制策略，并得到了验证。除此之外，学者JenrenFu针对多相电机发生开路故障，提出了剩余非故障相的电流控制方案。而电流预测控制方法被应用在了双三相电机和五相电机中。为了实现多相电机控制，H.A.Toliyat团队提出直接转矩控制策略，为提高输出转矩能力及铁心利用率，提出了向定子电流中注入三次谐波电流的方法。然而传统的永磁电机控制方法在实际应用中，仍然存在响应不够快，可靠性不够高，电机性能无法满足特定需求等问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷，提供一种双绕组永磁容错电机驱动系统的直接转矩控制方法，使其简单易行、可靠性高，同时具有自校正和快速响应性能，从而提高电机驱动系统的动态响应功能并增强其鲁棒性。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种双绕组永磁容错电机驱动系统的直接转矩控制方法，该方法包含以下步骤：
步骤1：采集双绕组永磁容错电机ABC三相绕组电流iA、iB、iC和XYZ三相绕组电流iX、iY、iZ，对其分别进行坐标变换处理后得到ABC绕组的电流矢量is1和XYZ绕组电流矢量is2，分别采集母线电压Udc1和Udc2，结合开关状态SABC和SXYZ进行坐标变换处理后得到对应的电压矢量Us1和Us2；
步骤2：将电流矢量is1、is2和电压矢量Us1、Us2送入具有自校正功能的定子磁链观测器处理得到校正处理后的电机转子观测角度
Figure BDA0002350122550000021
和
Figure BDA0002350122550000022
以及定子磁链ψs1和ψs2，其中
Figure BDA0002350122550000023
和ψs1、ψs2分别表示为：
Figure BDA0002350122550000024
Figure BDA0002350122550000025
ψs1＝∫(Us1-Rs1is1)dt+ψs01
ψs2＝∫(Us2-Rs2is2)dt+ψs02
其中，
Figure BDA0002350122550000026
分别为电机ABC绕组和XYZ绕组对应的转子观测角度，
Figure BDA0002350122550000027
Figure BDA0002350122550000028
分别为电机ABC绕组和XYZ绕组对应的转子初始角度，kp1、ki1为电机ABC绕组的调节系数，kp2、ki2为电机XYZ绕组的调节系数，s为积分运算，
Figure BDA0002350122550000029
Figure BDA00023501225500000210
为电机ABC绕组d-q轴定子磁链观测值，
Figure BDA00023501225500000211
为电机XYZ绕组d-q轴定子磁链观测值，ψsd01、ψsq01为电机ABC绕组d-q轴定子磁链初始值，ψsd02、ψsq02为电机XYZ绕组d-q轴定子磁链初始值，Rs1、Rs2分别为ABC绕组和XYZ绕组的电阻，ψs01、ψs02分别为ABC绕组和XYZ绕组的初始磁链；
步骤3：将定子电流is1、is2和定子磁链ψs1、ψs2送入转矩观测器处理得到电机实际转矩Te1、Te2，将电机转子观测角度
Figure BDA0002350122550000031
进行速度计算和极坐标变换得到电机转子观测转速
Figure BDA0002350122550000032
和定子磁链位置θs1、θs2；
步骤4：将电机转子给定转速
Figure BDA0002350122550000033
和观测转速
Figure BDA0002350122550000034
经过转速调节器处理得到给定电机ABC绕组和XYZ绕组转矩
Figure BDA0002350122550000035
步骤5：将电机给定转矩
Figure BDA0002350122550000036
与实际转矩Te1、Te2经过转矩调节器处理得到τ1、τ2，τ1、τ2分别表示为：
Figure BDA0002350122550000037
其中，τ1、τ2分别为电机绕组ABC和绕组XYZ转矩调节器输出，Em为大于0的判断阈值；
步骤6：将给定的定子磁链幅值|ψs1|*、|ψs2|*和实际的定子磁链幅值|ψs1|、|ψs2|进行磁链调节器处理得到φ1、φ2,φ1、φ2分别表示为：
Figure BDA0002350122550000038
其中，φ1、φ2分别为电机绕组ABC和绕组XYZ的磁链调节器输出；
步骤7：将θs1、τ1、φ1和θs2、τ2、φ2分别进行最优开关表进行查表处理得到逆变器的控制变量DA、DB、DC和DX、DY、DZ，然后通过分别控制逆变器1和逆变器2实现对双绕组永磁容错电机的运行控制；
步骤8：当电机系统出现电机绕组或功率管开路和短路故障时，双绕组永磁容错电机驱动系统通过故障诊断与容错处理器实现电机容错运行。
所述的双绕组永磁容错电机，它包含十二槽定子和十极表贴式永磁铁转子，其中十二槽定子中包含两套相互独立且对称设置的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组ABC和绕组XYZ，ABC三相绕组由逆变器1进行驱动，XYZ三相绕组由逆变器2进行驱动。
本发明与现有技术相比优势在于，控制方法简单易行，电机驱动系统可靠性高，具有自校正和快速响应功能，因而提高了电机驱动系统的动态响应功能，并增强了其鲁棒性。在此基础上，结合双绕组永磁容错电机两套绕组相互独立且对称的特点，进一步提高了系统的容错能力。
附图说明
图1为本发明一种双绕组永磁容错电机驱动系统的直接转矩控制方法的流程框图。
图2为本发明中双绕组永磁容错电机本体结构图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
具体操作如图1所示，一种双绕组永磁容错电机驱动系统的直接转矩控制方法，该方法包含以下步骤：
步骤1：采集双绕组永磁容错电机ABC三相绕组电流iA、iB、iC和XYZ三相绕组电流iX、iY、iZ，对其分别进行坐标变换处理后得到ABC绕组的电流矢量is1和XYZ绕组电流矢量is2，分别采集母线电压Udc1和Udc2，结合开关状态SABC和SXYZ进行坐标变换处理后得到对应的电压矢量Us1和Us2；
步骤2：将电流矢量is1、is2和电压矢量Us1、Us2送入具有自校正功能的定子磁链观测器处理得到校正处理后的电机转子观测角度
Figure BDA0002350122550000041
和
Figure BDA0002350122550000042
以及定子磁链ψs1和ψs2，其中
Figure BDA0002350122550000043
和ψs1、ψs2分别表示为：
Figure BDA0002350122550000044
Figure BDA0002350122550000045
ψs1＝∫(Us1-Rs1is1)dt+ψs01
ψs2＝∫(Us2-Rs2is2)dt+ψs02
其中，
Figure BDA0002350122550000046
分别为电机ABC绕组和XYZ绕组对应的转子观测角度，
Figure BDA0002350122550000047
Figure BDA0002350122550000048
分别为电机ABC绕组和XYZ绕组对应的转子初始角度，kp1、ki1为电机ABC绕组的调节系数，kp2、ki2为电机XYZ绕组的调节系数，s为积分运算，
Figure BDA0002350122550000049
Figure BDA00023501225500000410
为电机ABC绕组d-q轴定子磁链观测值，
Figure BDA00023501225500000411
为电机XYZ绕组d-q轴定子磁链观测值，ψsd01、ψsq01为电机ABC绕组d-q轴定子磁链初始值，ψsd02、ψsq02为电机XYZ绕组d-q轴定子磁链初始值，Rs1、Rs2分别为ABC绕组和XYZ绕组的电阻，ψs01、ψs02分别为ABC绕组和XYZ绕组的初始磁链；
步骤3：将定子电流is1、is2和定子磁链ψs1、ψs2送入转矩观测器处理得到电机实际转矩Te1、Te2，将电机转子观测角度
Figure BDA0002350122550000051
进行速度计算和极坐标变换得到电机转子观测转速
Figure BDA0002350122550000052
和定子磁链位置θs1、θs2；
步骤4：将电机转子给定转速
Figure BDA0002350122550000053
和观测转速
Figure BDA0002350122550000054
经过转速调节器处理得到给定电机ABC绕组和XYZ绕组转矩
Figure BDA0002350122550000055
步骤5：将电机给定转矩
Figure BDA0002350122550000056
与实际转矩Te1、Te2经过转矩调节器处理得到τ1、τ2，τ1、τ2分别表示为：
Figure BDA0002350122550000057
其中，τ1、τ2分别为电机绕组ABC和绕组XYZ转矩调节器输出，Em为大于0的判断阈值；
步骤6：将给定的定子磁链幅值|ψs1|*、|ψs2|*和实际的定子磁链幅值|ψs1|、|ψs2|进行磁链调节器处理得到φ1、φ2,φ1、φ2分别表示为：
Figure BDA0002350122550000058
其中，Φ1、Φ2分别为电机绕组ABC和绕组XYZ的磁链调节器输出；
步骤7：将θs1、τ1、Φ1和θs2、τ2、Φ2分别进行最优开关表进行查表处理得到逆变器的控制变量DA、DB、DC和DX、DY、DZ，然后通过分别控制逆变器1和逆变器2实现对双绕组永磁容错电机的运行控制；
步骤8：当电机系统出现电机绕组或功率管开路和短路故障时，双绕组永磁容错电机驱动系统通过故障诊断与容错处理器实现电机容错运行。
双绕组永磁容错电机的结构如图2所示，它结合了传统永磁电机功率密度高、效率高和容错能力强的特点。电机本体包含十二槽定子和十极表贴式永磁铁转子，其中十二槽定子中包含两套相互独立且对称设置的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组ABC和绕组XYZ，ABC三相绕组由逆变器1进行驱动，XYZ三相绕组由逆变器2进行驱动。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双绕组永磁容错电机驱动系统的直接转矩控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：采集双绕组永磁容错电机ABC三相绕组电流iA、iB、iC和XYZ三相绕组电流iX、iY、iZ，对其分别进行坐标变换处理后得到ABC绕组的电流矢量is1和XYZ绕组电流矢量is2，分别采集母线电压Udc1和Udc2，结合开关状态AABC和SXYZ进行坐标变换处理后得到对应的电压矢量Us1和Us2；
步骤2：将电流矢量is1、is2和电压矢量Us1、Us2送入具有自校正功能的定子磁链观测器处理得到校正处理后的电机转子观测角度
Figure FDA0003890943580000011
和
Figure FDA0003890943580000012
以及定子磁链ψs1和ψs2，其中
Figure FDA0003890943580000013
和ψs1、ψs2分别表示为：
Figure FDA0003890943580000014
Figure FDA0003890943580000015
ψs1＝∫(Us1-Rs1is1)dt+ψs01
ψs2＝∫(Us2-Rs2is2)dt+ψs02
其中，
Figure FDA0003890943580000016
分别为电机ABC绕组和XYZ绕组对应的转子观测角度，
Figure FDA0003890943580000017
分别为电机ABC绕组和XYZ绕组对应的转子初始角度，kp1、ki1为电机ABC绕组的调节系数，kp2、ki2为电机XYZ绕组的调节系数，s为积分运算，
Figure FDA0003890943580000018
为电机ABC绕组d-q轴定子磁链观测值，
Figure FDA0003890943580000019
为电机XYZ绕组d-q轴定子磁链观测值，ψsd01、ψsq01为电机ABC绕组d-q轴定子磁链初始值，ψsd02、ψsq02为电机XYZ绕组d-q轴定子磁链初始值，Rs1、Rs2分别为ABC绕组和XYZ绕组的电阻，ψs01、ψs02分别为ABC绕组和XYZ绕组的初始磁链；
步骤3：将电流矢量is1、is2和定子磁链ψs1、ψs2送入转矩观测器处理得到电机实际转矩Te1、Te2，将电机转子观测角度
Figure FDA00038909435800000110
进行速度计算和极坐标变换得到电机转子观测转速
Figure FDA00038909435800000111
和定子磁链位置θs1、θs2；
步骤4：将电机转子给定转速
Figure FDA00038909435800000112
和观测转速
Figure FDA00038909435800000113
经过转速调节器处理得到给定电机ABC绕组和XYZ绕组转矩
Figure FDA00038909435800000114
步骤5：将电机给定转矩
Figure FDA00038909435800000115
与实际转矩Te1、Te2经过转矩调节器处理得到τ1、τ2，τ1、τ2分别表示为：
Figure FDA0003890943580000021
其中，τ1、τ2分别为电机绕组ABC和绕组XYZ转矩调节器输出，Em为大于0的判断阈值；
步骤6：将给定的定子磁链幅值|ψs1|*、|ψs2|*和实际的定子磁链幅值|ψs1|、|ψs2|进行磁链调节器处理得到φ1、φ2，φ1、φ2分别表示为：
Figure FDA0003890943580000022
其中，φ1、φ2分别为电机绕组ABC和绕组XYZ的磁链调节器输出；
步骤7：将θs1、τ1、φ1和θs2、τ2、φ2分别进行最优开关表进行查表处理得到逆变器的控制变量DA、DB、DC和DX、DY、DZ，然后通过分别控制逆变器1和逆变器2实现对双绕组永磁容错电机的运行控制；
步骤8：当电机系统出现电机绕组或功率管开路和短路故障时，双绕组永磁容错电机驱动系统通过故障诊断与容错处理器实现电机容错运行。
2.根据权利要求1所述的一种双绕组永磁容错电机驱动系统的直接转矩控制方法，其特征在于双绕组永磁容错电机包含十二槽定子和十极表贴式永磁铁转子，其中十二槽定子中包含两套相互独立且对称设置的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组ABC和绕组XYZ，ABC三相绕组由逆变器1进行驱动，XYZ三相绕组由逆变器2进行驱动。
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