CN112332735B - 一种3×3相永磁辅助同步磁阻电机的容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3×3相永磁辅助同步磁阻电机单相开路故障下的容错控制方法。首先根据电机转速的误差值经过PI控制器后得到转矩的参考值，正常状态下各模块转矩平均分配，容错时以铜耗最小为原则实现转矩的最优分配；根据各模块转矩的分配值可以求取各模块电流幅值，从而得到总的d、q轴电流参考值，参与电流闭环控制。由于该电机各模块之间同相位，因此各模块之间采用并联连接，即逆变器的一个桥臂与电机的a1、a2、a3(或b1、b2、b3或c1、c2、c3)相相连接。电流计算模块采集的是各模块a、b、c相电流之和，然后经过Clark和Park变换得到实际的总的d、q轴电流值。该方法实现对3×3相电机的正常及容错控制，提高电机控制系统可靠性等优点。

Description

一种3×3相永磁辅助同步磁阻电机的容错控制方法

技术领域

本发明涉及3×3相永磁辅助同步磁阻电机单相开路故障下的容错控制方法，同样适用于n×3相永磁辅助同步磁阻电机或开关磁阻电机单相开路故障。

背景技术

多相永磁辅助同步磁阻电机以其效率高、功率密度大、转矩脉动小、容错能力强等优点在航空航天驱动、运输等领域得到了广泛的应用。多相电机由于相数的冗余，使其能够在故障状态下继续容错运行，提高了系统的可靠性。但是随着电机相数的增加，需要增加更多的电力电子设备，这将增加控制系统的成本、体积。而单逆变器并联驱动系统将会大大的降低控制系统的成本，因此具有广泛的应用前景。

在电机控制系统中，电气故障包括电机绕组故障和逆变器故障，开路故障以及短路故障是常见的故障类型。电机的开路故障以及短路故障均可以转化为电机的缺相运行，因此目前国内外研究学者主要针对电机缺相故障的容错控制策略展开研究。

目前对于n×3相电机的容错控制研究较少，主要集中在：(1)当电机某一相发生开路故障后，将故障相对应的模块全部切除，由剩余正常模块提供电机的输出转矩，该方法不能充分利用故障模块剩余的正常相，从而导致相电流增加，增加开关器件的电压和电流应力；(2)采用n个三相逆变器模块来控制n×3相电机，当某一相发生开路故障后，采用故障前后磁动势不变原理，求取故障后的容错电流，采用电流滞环控制，该方法能够利用剩余正常相，但存在开关频率不固定等缺点；(3)对故障后的电流重新分配来实现单相开路故障下的容错控制，但该方法只能消除永磁转矩脉动，对于磁阻转矩脉动无法消除。

发明内容

本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种永磁辅助同步磁阻电机单相开路故障下的容错控制方法，该方法能够降低整个控制系统的成本，提高了市场竞争力。此外，当电机发生开路故障后，能有效降低电机的转矩脉动，保证电机带故障运行，从而提高了系统的可靠性。

为了达到以上目的，本发明所述的3×3相永磁辅助同步磁阻电机单相开路故障下的容错控制方法采用的技术方案是依次按以下步骤：

步骤1，通过光电编码器检测到转子位置及转速信息，将检测所得的转速与给定转速的差值经过PI控制器后的输出值作为转矩的参考值；

步骤2，电机在正常状态下，各模块转矩平均分配，即：T_e1＝T_e2＝T_e3＝T_e/3；其中T_e1、T_e2、T_e3分别是模块I、II、II的输出转矩，T_e是电机输出转矩；

该电机定子结构分为3个模块，分别为模块I、II、III，模块化的定子结构设计，实现了各模块间电、磁、热以及物理隔离，降低了故障模块对其他模块的影响，提高了电机的容错性能。每个模块含有独立的三相绕组，即：a1b1c1，a2b2c2和a3b3c3，电机绕组采用星型连接方式，每个模块具有独立的中性点。

步骤3，当电机发生单相开路故障后，开关切换到容错控制模块，以铜耗最小以及转矩脉动最小为原则，实现各模块间转矩的最优分配；

步骤4，各模块转矩的参考值中包含电机的电流幅值信息，即转矩与电流幅值I、I_α、I_β之间存在比例关系；

步骤5，根据步骤四的电流幅值(I、I_α、I_β)可以计算出各模块dq轴电流参考值，从而得到总的dq轴电流参考值，该电流值参与电流闭环控制；

步骤6，通过电流传感器检测到电机各模块a、b、c相电流之和i_A、i_B、i_C，经过坐标变换矩阵后，得到实际的d、q轴电流分量，与d、q轴参考电流比较后经过PI控制器输出旋转坐标系下的电压分量u_d和u_q；

步骤7，u_d和u_q经过坐标变换矩阵后得到两相静止坐标系下的电压分量u_α和u_β。这两个电压分量经过SVPWM调制后输出六路PWM信号，采用PWM信号来控制逆变器的导通和关断，从而输出三相正弦电压；

进一步，所述步骤2的具体过程是：

步骤2.1，由于电机稳定运行的条件是产生旋转磁动势，因此各模块α、β轴电流幅值相等，即：

其中i_αi、i_βi(i＝1,2,3)分别是模块I、II、III的α、β轴电流值，I是正常状态下α、β轴电流幅值，θ是电角度；β是电流角；

步骤2.2，正常状态下各模块电流相同，所产生的磁阻转矩相同：

其中，P为电机极对数，L_d、L_q分别是电机的d、q轴电感；

步骤2.3，已知电机磁阻转矩及电机参数，电流幅值I可以计算得到：

进一步，所述步骤3的具体过程是：

步骤3.1，假设a1相发生开路故障，由于各模块并联连接，因此各模块α、β轴电流存在一定的关系：

其中，I_α、I_β分别是α、β轴电流幅值；

步骤3.2，根据坐标变换矩阵，可以将α、β坐标系变换到d、q坐标系下：

其中，1M表示模块I，2M表示模块II。由于故障发生在模块I，则模块II、II电流相同，输出转矩相同；

步骤3.3，电机总的磁阻转矩可以表示为：

其中，K_t＝1.5*P*(L_d-L_q)；磁阻转矩由平均转矩以及2次、4次脉动转矩组成，要想降低故障状态下的转矩脉动，就是要保证2次、4次脉动转矩最小；

步骤3.4，以铜耗最小为目标函数，以平均转矩为约束条件，构造拉格朗日函数：

其中，λ为拉格朗日因子；

步骤3.5，拉格朗日函数的偏导数为0，即可求得I_α、I_β；

I_α、I_β的关系可以表示为：

步骤3.6，已知电机磁阻转矩及电机参数，电流幅值I_β可以计算得到：

其中，T_{er1_avg}为模块I的磁阻转矩平均值。

本发明具备如下有益效果：

1)只需要一个标准的三相逆变器模块即可实现3×3相电机的正常及容错控制，从而降低了控制系统的成本；

2)本发明针对3×3相永磁辅助同步磁阻电机单相开路故障，提出了对磁阻转矩脉动进行抑制的方法，充分利用剩余正常相，降低了铜耗，实现了故障状态下的平稳运行，提高了控制系统的可靠性；

3)本发明同样适用于n×3相永磁辅助同步磁阻电机或开关磁阻电机单相开路故障。

附图说明

图1为单逆变器并联驱动3×3相电机接线图；

图2为本发明正常及容错控制框图；

图3为电机正常状态下各模块α、β轴电流波形图；

图4为电机正常状态下各模块转矩波形图；

图5为容错状态下各模块α、β轴电流波形图；

图6为容错状态下各模块转矩波形图；

图7为电机在正常-故障-容错状态下的输出转矩对比图；

具体实施方式

下面将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清楚、完整地描述。

如图1所示，由于该电机各模块同相位，因此各模块之间采用并联连接，即逆变器的一个桥臂与电机的a1、a2、a3(或b1、b2、b3或c1、c2、c3)相相连接。正常状态下各模块的输入电压相等，电流平均分配，因此各模块输出转矩相同。

图2为电机在正常及容错状态下的控制框图，包括以下步骤：

步骤1，通过光电编码器检测到转子位置及转速信息，将检测所得的转速与给定转速的差值经过PI控制器后的输出值作为转矩的参考值；

步骤2，电机在正常状态下，各模块转矩平均分配，即：T_e1＝T_e2＝T_e3＝T_e/3；

步骤3，当电机发生单相开路故障后，开关切换到容错控制模块，以铜耗最小以及转矩脉动最小为原则，实现各模块间转矩的最优分配；

步骤4，各模块转矩的参考值中包含电机的电流幅值信息，即转矩与电流幅值I、I_α、I_β之间存在比例关系；(转矩与电流幅值I、I_α、I_β之间存在比例关系见步骤3.6)

步骤5，根据步骤四的电流幅值(I、I_α、I_β)可以计算出各模块dq轴电流参考值，从而得到总的dq轴电流参考值，该电流值参与电流闭环控制；(dq轴电流具体见步骤3.2中已经给出公式)

步骤6，通过电流传感器检测到电机各模块a、b、c相电流之和i_A、i_B、i_C，经过坐标变换矩阵后，得到实际的d、q轴电流分量，与d、q轴参考电流比较后经过PI控制器输出旋转坐标系下的电压分量u_d和u_q；

步骤7，u_d和u_q经过坐标变换矩阵后得到两相静止坐标系下的电压分量u_α和u_β。这两个电压分量经过SVPWM调制后输出六路PWM信号，采用PWM信号来控制逆变器的导通和关断，从而输出三相正弦电压；

注：上述步骤6-7是传统的矢量控制及SVPWM部分，只不过参与电流闭环控制的是总的dq轴电流而不是单个模块的。

进一步，所述步骤2的具体过程是：

步骤2.1，由于电机稳定运行的条件是产生旋转磁动势，因此各模块α、β轴电流幅值相等，即：

其中i_αi、i_βi(i＝1,2,3)分别是模块I、II、III的α、β轴电流值，I是正常状态下α、β轴电流幅值，θ是电角度；β是电流角；

步骤2.2，正常状态下各模块电流相同，所产生的磁阻转矩相同：

其中，P为电机极对数，L_d、L_q分别是电机的d、q轴电感；

步骤2.3，已知电机磁阻转矩及电机参数，电流幅值I可以计算得到：

进一步，所述步骤3的具体过程是：

步骤3.1，假设a1相发生开路故障，由于各模块并联连接，因此各模块α、β轴电流存在一定的关系：

其中，I_α、I_β分别是α、β轴电流幅值；

步骤3.2，根据坐标变换矩阵，可以将α、β坐标系变换到d、q坐标系下：

其中，1M表示模块I，2M表示模块II。由于故障发生在模块I，则模块II、II电流相同，输出转矩相同；

步骤3.3，电机总的磁阻转矩可以表示为：

其中，K_t＝1.5*P*(L_d-L_q)；磁阻转矩由平均转矩以及2次、4次脉动转矩组成，要想降低故障状态下的转矩脉动，就是要保证2次、4次脉动转矩最小；

步骤3.4，以铜耗最小为目标函数，以平均转矩为约束条件，构造拉格朗日函数：

其中，λ为拉格朗日因子；

步骤3.5，拉格朗日函数的偏导数为0，即可求得I_α、I_β；

I_α、I_β的关系可以表示为：

步骤3.6，已知电机磁阻转矩及电机参数，电流幅值I_β可以计算得到：

实施例1

图3～4是电机正常状态下的效果图，本实施例中的3×3相永磁辅助同步磁阻电机参数如表1所示：

表1 3×3相永磁辅助同步磁阻电机参数

本实施例中，给定转速600rpm，负载9Nm。图3为电机正常状态下各模块α、β轴电流波形图，正常状态下各模块的α、β轴电流相等，相位相差90°；图4为电机正常状态下各模块转矩波形图，从图中可以看出各模块输出转矩相等。

实施例2

图5～6是电机容错状态下的效果图。本实施例中，给定转速600rpm，负载9Nm。图5是电机容错状态下各模块α、β轴电流波形图。当a1发生开路故障时，根据坐标变换矩阵，i_α1＝0。由于模块II与III未发生故障，且并联连接，因此i_α2＝i_α3，i_β1＝i_β2＝i_β3。电流i_α2与i_β2之间相位相差90°。由于I_α＝sqrt(3/2)I_β，所以α、β坐标系下电流幅值不相等。

图6为容错状态下各模块转矩波形图。由于模块间的转矩相位差约为180度，因此可以显著抑制输出转矩的脉动。

实施例3

图7是电机在正常-故障-容错状态下的输出转矩对比图。0～1s电机正常运行，1～1.5s电机发生a1相开路故障，1.5～2s电机带故障容错运行。从图中可以看出，当容错控制加入之后，电机转矩脉动显著下降，从而提高了电机的带故障运行能力。

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。

综上，本发明的一种3×3相永磁辅助同步磁阻电机单相开路故障下的容错控制方法。首先根据电机转速的误差值经过PI控制器后得到转矩的参考值，正常状态下各模块转矩平均分配，容错时以铜耗最小为原则实现转矩的最优分配；根据各模块转矩的分配值可以求取各模块电流幅值，从而得到总的d、q轴电流参考值，参与电流闭环控制。由于该电机各模块之间同相位，因此各模块之间采用并联连接，即逆变器的一个桥臂与电机的a1、a2、a3(或b1、b2、b3或c1、c2、c3)相相连接。电流计算模块采集的是各模块a、b、c相电流之和，然后经过Clark和Park变换得到实际的总的d、q轴电流值。该方法只需要一个标准的三相逆变器模块，实现对3×3相电机的正常及容错控制，从而具有节约系统成本，提高电机控制系统可靠性等优点。

Claims (3)

1.一种3×3相永磁辅助同步磁阻电机单相开路故障下的容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过光电编码器检测到电机转子位置及转速信息，将检测所得的转速与给定转速的差值经过PI控制器后的输出值作为转矩的参考值；

步骤2，电机在正常状态下，各模块转矩平均分配，即：T_e1＝T_e2＝T_e3＝T_e/3，其中T_e1、T_e2、T_e3分别是模块I、II、III的输出转矩，T_e是电机输出转矩；

步骤3，当电机发生单相开路故障后，开关切换到容错控制模块，以铜耗最小为原则，实现各模块间转矩的最优分配；

步骤4，各模块转矩的参考值中包含电机的电流幅值信息，即转矩与电流幅值I、I_α、I_β之间存在比例关系；

步骤5，根据步骤4的电流幅值I、I_α、I_β可以计算出各模块dq轴电流参考值，从而得到总的dq轴电流参考值，该电流参考值参与电流闭环控制；

步骤6，通过电流传感器检测到电机各模块a、b、c相电流之和i_A、i_B、i_C，经过坐标变换矩阵后，得到实际的d、q轴电流分量，与d、q轴参考电流的差值经过PI控制器输出旋转坐标系下的电压分量u_d和u_q；

步骤7，u_d和u_q经过坐标变换矩阵后得到两相静止坐标系下的电压分量u_α和u_β，这两个电压分量经过SVPWM调制后输出六路PWM信号，采用PWM信号来控制逆变器的导通和关断，从而输出三相正弦电压；

电机定子结构分为3个模块，分别为模块I、II、III，模块化的定子结构设计，实现了各模块间电、磁、热以及物理隔离，降低了故障模块对其他模块的影响，提高了电机的容错性能，每个模块含有独立的三相绕组，即：a1、b1、c1，a2、b2、c2和a3、b3、c3，电机绕组采用星型连接方式，每个模块具有独立的中性点；

该电机各模块之间同相位，因此各模块之间采用并联连接，即逆变器的一个桥臂与电机的a1、a2、a3，或b1、b2、b3或c1、c2、c3相相连接；

步骤3的具体过程是：

步骤3.1，假设a1相发生开路故障，由于各模块并联连接，因此各模块α、β轴电流存在一定的关系：

其中，i_αi、i_βi分别是模块I、II、III的α、β轴电流值，下标中的i＝1,2,3；I_α、I_β分别是α、β轴电流幅值；θ是电角度，β是电流角；

步骤3.2，根据坐标变换矩阵，可以将α、β坐标系变换到d、q坐标系下：

其中，i_di、i_qi分别是模块I、II、III的d、q轴电流值，下标中的i＝1,2,3；1M表示模块I，2M表示模块II，由于故障发生在模块I，则模块II、III电流相同，输出转矩相同；

步骤3.3，电机总的磁阻转矩可以表示为：

其中，K_t＝1.5*P*(L_d-L_q)，式中，P为电机极对数，L_d、L_q分别是电机的d、q轴电感；磁阻转矩由平均转矩以及2次、4次脉动转矩组成，要想降低故障状态下的转矩脉动，就是要保证2次、4次脉动转矩最小；

步骤3.4，以铜耗最小为目标函数，以平均转矩为约束条件，构造拉格朗日函数：

其中，λ为拉格朗日因子；T_er,avg为磁阻转矩平均值；

步骤3.5，拉格朗日函数的偏导数为0，即可求得I_α、I_β；

I_α、I_β的关系可以表示为：

步骤3.6，已知电机磁阻转矩及电机参数，电流幅值I_β可以计算得到：

其中，T_{er1_avg}为模块I的磁阻转矩平均值。

2.根据权利要求1所述的3×3相永磁辅助同步磁阻电机单相开路故障下的容错控制方法，其特征在于：由于该电机是永磁辅助型电机，因此磁阻转矩占主要部分，此外，磁阻转矩脉动与电流幅值成平方次增长，所以该容错控制方法是对磁阻转矩脉动进行抑制。

3.根据权利要求1所述的3×3相永磁辅助同步磁阻电机单相开路故障下的容错控制方法，其特征在于，步骤2的具体过程是：

步骤2.1，由于电机稳定运行的条件是产生旋转磁动势，因此各模块α、β轴电流幅值相等，即：

步骤2.2，正常状态下各模块电流相同，所产生的磁阻转矩相同：

步骤2.3，已知电机磁阻转矩及电机参数，电流幅值I可以计算得到：

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