CN111293943A - 双三相电机缺相运行的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制领域，公开了一种双三相电机缺相运行的控制方法，采用混合电流控制模式，其适于根据双三相电机缺相运行的不同运行状态在单三相电机控制模式、最小铜耗控制模式和最小峰值电流控制模式三者之间进行切换；所述运行状态包括动态和稳态。本发明可在三种控制模式之间自动切换，能在稳态运行时尽可能地减小损耗，以达到节能的目的；能在动态运行过程中尽可能地提高电机驱动器的转矩输出能力，以提升系统的动态特性。

Description

双三相电机缺相运行的控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体地，涉及一种双三相电机缺相运行的控制方法。

背景技术

由于没有六次转矩谐波和比单三相永磁同步电动机驱动器具有更好的容错性能，双三相永磁同步电动机驱动器已成为一种技术发展趋势。

双三相电机电压源逆变器(VSI)驱动器的电源拓扑结构如图1所示。双三相永磁同步电动机(PMSM)具有两组单三相电机绕组，第一组称为相ABC，第二组称为相XYZ。相ABC和相XYZ之间的电气相移角为30°，并且相ABC和相XYZ有各自的中性点，且两中性点相互电气隔离。当双三相电机缺一相时，例如缺图1所示的Z相时，通常的矢量控制将无法使双三相电机正常运行。

若开路故障仍然控制相电流为正弦波，现有两种控制策略，如图2所示。其中，第一种控制策略如图2(a)所示，是单三相电机控制模式，如果Z相发生故障，断开故障所在的一个单三相绕组的所有相，即断开相XYZ，仅使用正常绕组相ABC运行。第二种控制策略如图2(b)所示，所有未发生故障的相绕组均参与运行，即相ABC和相XY均参与运行。

图2(a)所示的控制策略为单三相电机控制模式，由于仅使用相ABC绕组工作，正常的相绕组XY并未参与工作，电机的特性并未完全发挥出来。在相同的负载情况下，存在铜耗和峰值电流较大的缺陷。

图2(b)所示的控制策略为剩余五相参与工作的控制模式，其中又分为两种控制模式，一种是最小铜耗控制，另一种是最小峰值电流控制。最小铜耗控制的优点是在相同负载下，铜耗最小，但存在峰值电流较大的缺点，在存在电流限制和保护的情况下，电机及驱动器的带载能力会下降。最小峰值电流控制的优点是在电流限制的情况下，带载能力强，但存在铜耗较大的缺点。实际应用中，单一最小铜耗控制和单一最小峰值电流控制均不能满足不同场景和工况时的实际需求。

综上所述，目前双三相电机缺相运行的控制模式包括单三相电机控制模式、最小铜耗控制模式和最小峰值电流控制模式三种，且选定一种控制模式后不能根据实际应用需求变更。

发明内容

本发明的目的是提供一种双三相电机缺相运行的控制方法，能在稳态运行时尽可能地减小损耗，以达到节能的目的；能在动态运行过程中尽可能地提高电机驱动器的转矩输出能力，以提升系统的动态特性。

本发明提供的双三相电机缺相运行的控制方法，采用混合电流控制模式，其适于根据双三相电机缺相运行的不同运行状态在单三相电机控制模式、最小铜耗控制模式和最小峰值电流控制模式三者之间进行切换；所述运行状态包括动态和稳态。

进一步地，稳态运行时，切换至最小铜耗控制模式；动态时，切换至最小峰值电流控制模式。

进一步地，设所述单三相电机控制模式所占的百分比为k，所述最小峰值电流控制模式所占百分比为1-k，通过调节k的大小自动在该三种控制模式之间进行切换。

进一步地，当k＝0时，以最小峰值电流控制模式运行；当k＝0.5时，以最小铜耗控制模式运行；当k＝1时，以单三相电机控制模式运行。

进一步地，设双三相电机的两组单三相电机绕组分别为绕组ABC和绕组XYZ，绕组XYZ中Z相缺相，缺相故障运行时驱动负载所需要的电流矢量幅值为I_m，则

单三相电机控制模式下流过绕组ABC的电流(i_a1,i_b1,i_c1)形成的电流矢量为

其中，i_a1,i_b1,i_c1分别为

i_a1＝2kI_mcos(θ_i)

i_b1＝2kI_mcos(θ_i-4θ_s)

i_c1＝2kI_mcos(θ_i-8θ_s) (9)；

最小峰值电流控制模式下流过绕组ABC的电流(i_a2,i_b2,i_c2)和流过绕组XY的电流(i_x,i_y)形成的电流矢量为

其中，流过绕组ABC电流(i_a2,i_b2,i_c2)和流过绕组XY电流(i_x,i_y)分别为

i_y＝-i_x

i_a2＝0

i_c2＝-i_b2 (11)

因此，单三相电机控制模式和最小峰值电流控制模式二者总的电流矢量为

其中，

这样，当Z相出现缺相故障断开时，电流矢量

保持不变，转矩与无故障情况下的转矩相同，绕组ABC和绕组XY中各相的总电流分别为

i_a＝2kI_mcos(θ_i)

通过调节k的大小，进而改变流过各相绕组的总电流的大小，从而使双三相电机运行在不同的控制模式，实现三种控制模式的自动切换。

通过上述技术方案，在稳态下，可以采用最小铜耗控制模式来减少损耗，而在动态过程中，采用最小峰值电流控制模式来提高动态性能。也可以用于最小铜耗和最小峰值电流动态全局优化，达到节能与性能全局优化的目的。混合电流控制模式可以很好地在三种控制模式之间自动进行切换，在实际应用当中，通过简单地改变参数k即可实现控制模式的切换，切换过程平稳无冲，从而便于根据实际需求，在不同的应用场景中选择合适的控制模式。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1为一相绕组缺相的双三相电机驱动器原理图；

图2为现有技术中一相绕组缺相的双三相电机的两种容错控制策略示意图；

图3为本发明混合电流控制中的电流分解示意图，图3(a)为分解的单三相电机控制模式中的相电流，图3(b)为分解的最小峰值电流控制模式中的相电流。

图4为本发明提出的混合电流控制方法从最小峰值电流控制模式切换到最小铜耗控制模式示意图。

图5为本发明提出的混合电流控制方法从最小铜耗控制模式切换到最小峰值电流控制模式示意图

图6为本发明提出的混合电流控制方法的控制原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本发明提出了一种双三相永磁同步电机单相开路的容错混合电流控制方法。在实际应用当中，稳态时需要尽可能地减小损耗，以达到节能的目的；而在动态过程中，要尽可能地提出电机驱动器的转矩输出能力，提高系统的动态特性。

以往的单一最小铜耗控制和单一最小峰值电流控制不能满足应用当中不同场景和工况时的实际需求。

本发明为了克服上述方法的缺陷，根据实际运行工况，本发明提出一种综合上述两种方法优点的混合电流控制方法。它是单三相电机控制模式和最小峰值电流控制模式的组合，即先分解成这两个基本控制模式，其它控制模式可以由这两种基本控制模式来合成，如当k＝0.5时，也即一半为单三相电机控制模式，另一半为最小峰值电流控制模式，二者合成即为最小铜耗控制模式。假定单三相电机控制模式所占百分比为k，当单个三相模式控制的百分比(k)从0％到100％变化时，混合电流控制模式从最小峰值电流控制模式(k＝0％)逐渐演变为单三相电流控制模式(k＝100％)，k可以为0～1之间的任何数值。特别当k＝50％时，混合电流控制演变为最小铜损控制模式。因此，本发明可以容易地在单三相电机控制模式、最小铜耗控制模式和最小峰值电流控制模式之间无扰切换，且可以工作在任何一种中间模式，即k不为0、0.5和1这三个值，而是为0～1之间其它值时的一种控制模式。例如，电流峰值和铜耗兼顾的一种模式，但两者又不可能同时满足，只能相互妥协。在实际应用中充分利用各种控制模式的优缺点进行综合权衡考虑。可以做到这几种控制模式之间的瞬时切换和缓慢切换，切换速度取决于k变化的速度。但无论如何切换，切换前后的转矩输出都不会变化，转速也不会波动。

本发明提出的混合电流控制是将单三相电机模式控制和最小峰值电流控制相组合的一种方法。

假设在混合电流控制模式中，单三相电机模式控制所占的百分比为k,而最小峰值电流控制模式所占百分比为1-k.假设驱动某一负载所需要的电流矢量幅值为I_m，则

单三相电机模式下流过绕组ABC的电流(i_a1,i_b1,i_c1)形成的电流矢量为

其中i_a1,i_b1,i_c1可表示为

i_a1＝2kI_mcos(θ_i)

i_b1＝2kI_mcos(θ_i-4θ_s)

i_c1＝2kI_mcos(θ_i-8θ_s) (16)

最小峰值电流控制模式流过绕组ABC电流(i_a2,i_b2,i_c2)和绕组XY电流(i_x,i_y)形成的电流矢量为

其中绕组ABC电流(i_a2,i_b2,i_c2)和绕组XY电流(i_x,i_y)可表式为

i_y＝-i_x

i_a2＝0

i_c2＝-i_b2 (18)

电流矢量关系

和

分别如图3(a)和(b)所示。

因此总的电流矢量为

其中

这样，当Z相出现缺相故障断开时，电流矢量

将不会改变，因此，转矩将保持与无故障情况下的转矩相同。电机绕组ABC和绕组XY中总的电流可表式为

i_a＝2kI_mcos(θ_i)

因此，本发明所提出的混合电流控制将采用公式(7)所示的电流形式。

当k＝1时，本发明所提出的混合电流控制演变为单三相电机控制模式，此时只有相ABC处于工作状态，如图2(a)所示；

当k＝0.5时，本发明所提出的混合电流控制演变为最小铜耗控制模式，此时相ABC和相XY均处于工作状态，在给定负载的情况下，此时系统的铜耗最小；

当k＝0时，本发明所提出的混合电流控制演变为最小峰值电流控制模式，此时相ABC和相XY均处于工作状态，在给定负载的情况下，所有相的最大峰值电流最小。

在实现运行过程中，在稳态下，使k＝0.5,混合电流控制为最小铜损耗控制模式来减少损耗，而在动态过程中，k＝0,采用最小峰值电流控制来提高动态性能；而当出现缺两相故障，例如出现相Y和相Z同时缺相故障时，可使k＝1，混合电流控制变为单三相电机运行模式，此时双三相电机仍然能够输出一半的功率。

本发明的技术关键点在于：

1：将单三相电机控制模式、最小铜耗控制模式和最小峰值电流控制模式整合在一起的一种混合电流控制模式；

2：通过一个参数k的变化，可以将混合控制模式变成单三相电机控制模式(k＝1)、最小铜耗控制模式(k＝0.5)或最小峰值电流控制模式(k＝0)；

3：当k为在0～1之间变化时，本发明提出的混合控制模式成为一种新颖的控制模式，可以在不同的应用情景当中集合最小铜耗控制模式(k＝0.5)或最小峰值电流控制模式(k＝0)优点。

本发明所提出的混合电流控制方法优点在于，在稳态下，可以采用最小铜损耗控制模式来减少损耗，而在动态过程中，采用最小峰值电流控制来提高动态性能。也可以用于最小铜耗和最小峰值电流动态全局优化，达到节能与性能全局优化的目的。

以下给出了本发明提出的混合电流控制实现最小铜耗控制模式与最小峰值电流控制模式相互间进行切换的实例。

从最小峰值电流控制到最小铜耗控制的过渡过程如图4所示。相电流如图4(a)所示，αβ-z1z2z3子平面中的电流如图4(b)所示。dq坐标轴中的电流如图4(c)所示，速度如图4(d)所示。可以看出，图4(a)所示的相电流从最小峰值电流曲线变为最小铜损电流曲线。图4(b)所示的i_z1电流从负i_α变为零。图4(c)所示的i_d和i_q保持相同，因此，图4(d)所示的速度保持不变。

从最小铜损控制到最小峰值电流控制的过渡如Fig.5.所示。相电流如图5(a)所示，αβ-z1z2z3子平面中的电流如图5(b)所示。dq帧中的电流如图5(c)所示，速度如图5(d)所示。可以看出，图5(a)所示的相电流曲线从最小铜损电流曲线变为最小峰值电流曲线。图5(b)所示的i_z1电流从零变为负i_α。图5(c)所示的i_d和i_q保持相同，因此，图5(d)所示的速度保持不变。

从上面提供的两个实例当中可以看出，本发明提出的混合电流控制可以很好地在各个模式之间进行切换。因此，在实际应用当中，通过简单地改变参数k,即可实现各个控制模式，从而根据实际需求，在不同的应用场景中选择合适的控制模式。

通过下式(8)中所示的矩阵变换，可以将abc-xyz坐标系中的变量转换为两个相互垂直的子平面：αβ子平面和z子平面，它们彼此正交。将所有与机电能量转换相关的变量分量映射到αβ子平面，并将所有与非机电能量转换相关的变量分量转换为z子平面。

[F_α F_β F_z1 F_z2 F_z3]^T

＝[T₅]·[F_a F_x F_b F_y F_c]^T (22)

其中[T₅]可以表示为式(9)，并且θ_s为π/6。

其中，F可以是R，v，i或ψ，分别对应于定子电阻，电压，电流或磁链。本发明提出的混合电流控制的一个实施例的原理图如图6所示。

图6中，T_dq为传统矢量控制中的Park变换。

由于在双三相系统中有两个隔离的中性点，因此i_z2和i_z3为零，因此仅需控制3个三维变量，即i_α、i_β和i_z1。

[T5]矩阵变化：在缺相Z的情况下，将相电流i_a,i_b,i_c,i_x,i_y通过公式(22)和(23)转换为αβ子空间的i_α和i_β，以及z子空间的i_z1、i_z2和i_z3。

在得到i_α和i_β之后，通过传统的Park变换，得到同步旋转坐标系下的i_d，i_q。传统的Park变换公式如下

在得到同步旋转坐标系下的i_d,i_q后，分别在d轴和q轴的电流进行比例积分控制,也即PI控制，得到PI调节器输出的d轴电压指令

和q轴的电压指令

其中d轴电流指令

一般来自于i_d＝0控制，弱磁控制、最优电流控制或其它控制方法。q轴电流指令

一般来源于速度环调节或转矩指令。

图6中v_{ffd_d}和v_{ffd_q}为矢量控制当中d轴和q轴的前馈电压。

与v_{ffd_d}之和得到总的d轴电压指令

与v_{ffd_q}之和得到总的q轴电压指令

在得到

和

再通过Park逆变换，得到在αβ空间下的

和

Park逆变换的公式如下

在给定d轴电流指令

和q轴电流指令

情况下，通过类似于公式(25)所示的Park逆变换，得到αβ空间下的电流指令

和

通过

乘以系数(2k-1),得到z空间的电流指令

再通过PI-R控制器对z空间的电流i_z1进行控制，得到Z空间的电压指令

其中PI-R为传统的比例积分控制器加谐振控制器。由于i_z1是正弦波信号，因此采用PI和中心频率为基频的谐振控制器来调节i_z1。

由于i_z2和i_z3为零，不需要进行控制，在得到

和

之后，令

和

为零，再利于[T5]矩阵的逆变换，即(22)的逆变换，即可得到相电压指令

和

在已知相电压指令

后，即可通过SVPWM调制策略，得到相ABC所对应的占空比。

在已经相电压指令

和

可假定

再通过SVPWM调制策略，得到相XY所对应的占空比。

三种控制模式的切换过程演算如下：

将公式(7)代入公式(22)可得αβ子空间i_α和i_β，以及z子空间的i_z1,i_z2和i_z3如下

从公式(26)可看出，i_z1是i_α的(2k-1)倍，也就是说只要使得i_z1是i_α的(2k-1)倍，即可得到公式(7)所示的电流波形。对于公式(7)所示的电流波形，

1)当k＝1时，公式(7)变为

i_a＝2I_mcos(θ_i)

i_x＝0

i_y＝0 (27)

此时相电流i_a,i_b,i_c幅值相等，相位差120度，i_x＝i_y＝0，此时运行模式变为单三相电机控制模式。

2)当k＝0时，公式(7)变为

i_a＝0

公式(28)为最小峰值电流控制模式下的电流波形。

3)当k＝0.5时，公式(7)变为

i_a＝I_mcos(θ_i)

公式(29)为最小铜耗控制模式下的电流波形。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (5)

1.双三相电机缺相运行的控制方法，其特征在于，采用混合电流控制模式，其适于根据双三相电机缺相运行的不同运行状态在单三相电机控制模式、最小铜耗控制模式和最小峰值电流控制模式三者之间进行切换；所述运行状态包括动态和稳态。

2.根据权利要求1所述的双三相电机缺相运行的控制方法，其特征在于，稳态运行时，切换至最小铜耗控制模式；动态时，切换至最小峰值电流控制模式。

3.根据权利要求1所述的双三相电机缺相运行的控制方法，其特征在于，设所述单三相电机控制模式所占的百分比为k，所述最小峰值电流控制模式所占百分比为1-k，通过调节k的大小自动在该三种控制模式之间进行切换。

4.根据权利要求3所述的双三相电机缺相运行的控制方法，其特征在于，当k＝0时，以最小峰值电流控制模式运行；当k＝0.5时，以最小铜耗控制模式运行；当k＝1时，以单三相电机控制模式运行。

5.根据权利要求3所述的双三相电机缺相运行的控制方法，其特征在于，设双三相电机的两组单三相电机绕组分别为绕组ABC和绕组XYZ，绕组XYZ中Z相缺相，缺相故障运行时驱动负载所需要的电流矢量幅值为I_m，则

单三相电机控制模式下流过绕组ABC的电流(i_a1,i_b1,i_c1)形成的电流矢量为

其中，i_a1,i_b1,i_c1分别为

i_a1＝2kI_mcos(θ_i)

i_b1＝2kI_mcos(θ_i-4θ_s)

i_c1＝2kI_mcos(θ_i-8θ_s) (2)；

最小峰值电流控制模式下流过绕组ABC的电流(i_a2,i_b2,i_c2)和流过绕组XY的电流(i_x,i_y)形成的电流矢量为

其中，流过绕组ABC电流(i_a2,i_b2,i_c2)和流过绕组XY电流(i_x,i_y)分别为

i_y＝-i_x

i_a2＝0

i_c2＝-i_b2 (4)

因此，单三相电机控制模式和最小峰值电流控制模式二者总的电流矢量为

其中，

这样，当Z相出现缺相故障断开时，电流矢量

保持不变，转矩与无故障情况下的转矩相同，绕组ABC和绕组XY中各相的总电流分别为

i_a＝2kI_m cos(θ_i)

通过调节k的大小，进而改变流过各相绕组的总电流的大小，从而使双三相电机运行在不同的控制模式，实现三种控制模式的自动切换。

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