CN112953358A - 基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法 - Google Patents

基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法，首先通过转速调节器获得参考转矩，然后采用id＝0的控制方式得到负载角参考值，进而得到(k+1)时刻定子磁链dq轴分量幅值参考值，并且定义定子磁链零轴分量幅值参考值为0；然后，根据逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态，再根据电流预测模型并结合磁链方程在线预测(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量；利用(k+1)时刻磁链预测值和参考值构建价值函数，并通过最小化价值函数获得逆变器最优开关状态；最后通过q轴磁链无差拍方法计算占空比，改善系统稳态性能。本发明可使开绕组磁通切换电机在逆变器单相故障状态下获得良好的动稳态性能。

Description

基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法
技术领域
本发明涉及基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法，属于电机驱动及控制领域。
背景技术
磁通切换电机具有转子结构简单，适合高速运行、冷却方便、容错性能好等优点，同时拥有高功率密度、正弦反电势的特点。然而，在一些特殊情况下，电机系统会出现故障。电机系统中的常见故障主要包括电机本体故障和逆变器故障两大类，逆变器中的开关管需要进行频繁的开关切换，是整个逆变器最易损坏的部分，同时逆变器故障主要是开关管的开路故障和短路故障，每一种故障情况的发生都会对系统的正常运行造成不同程度的不利影响。具体表现为：绕组和线路损耗显著增加，系统整体效率下降；磁链形状发生畸变，引起绕组电压及电流的非正弦分布，造成转矩脉动的加剧。因此必须采取合适的容错控制策略。
同时，共直流母线型开绕组电机系统会产生零序电流，给系统带来了额外的铜耗、温升及转矩波动等负面效应，因此在开绕组电机的控制中，对零序电流的抑制是一个重要内容。
基于以上考虑，为了在故障工况下电机仍能正常工作，有提出了采用简化的PWM方法来计算各相开关管的导通时刻，与三角载波相比较，得到逆变器的开关波形图，但是故障后容错控制中不能很好的实现对零序电流的抑制。也有提出，在故障工况下的开绕组电机采用SVPWM策略，虽能很好地控制开绕组电机容错控制中的零序电流，但是设计复杂，计算量大。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法，在逆变器单相故障的情况下可获得较好的稳态性能。
技术方案：基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法，包括如下步骤：
步骤1：通过转速调节器获得参考转矩Te ref，然后采用id＝0的控制方式得到负载角参考值δref，进而得到(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴分量幅值参考值ψsd ref(k+1)、ψsq ref(k+1)，并且定义定子磁链零轴分量幅值参考值ψ0 ref(k+1)为0；
步骤2：根据逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态，再根据电流预测模型并结合磁链方程在线预测(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量ψsd(k+1)、ψsq(k+1)、ψ0(k+1)；
步骤3：利用(k+1)时刻定子磁链的预测值和参考值构建价值函数，并通过最小化价值函数获得逆变器最优开关状态；
步骤4：通过q轴磁链无差拍方法计算占空比，改善系统稳态性能。
有益效果：本发明基于共直流母线结构下的开绕组磁通切换电机，通过预测磁链控制达到逆变器单相故障状况下容错运行的目的，只涉及一个直流电源，抑制零序电流只是在控制方法上改动，不需要增加系统硬件成本。本发明提出的控制方法相比于传统技术，减小了系统计算量及复杂度，有效解决了开绕组磁通切换电机逆变器单相故障状况下容错运行的问题。
附图说明
图1为本发明提供的开绕组磁通切换电机容错控制方法原理图；
图2为本发明提供的开绕组磁通切换电机容错控制方法a1相故障容错等效电路；
图3为逆变器a1故障时的空间电压矢量图；
图4为本发明提供的开绕组磁通切换电机容错控制方法a1相故障情况下稳态仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法原理图如图1所示，包括转速PI控制器1、模型预测磁链控制模块2、价值函数模块3、占空比计算模块4逆变器5、逆变器6、开绕组磁通切换电机7、坐标变换模块8和编码器9。
首先，通过转速调节器获得参考转矩Te ref，然后采用id＝0的控制方式得到k时刻负载角参考值δref，进而得到(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴分量幅值参考值ψsd ref(k+1)、ψsq ref(k+1)，并且定义定子磁链零轴分量幅值参考值ψ0 ref(k+1)为0；然后，根据逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态，再根据电流预测模型并结合磁链方程在线预测(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量ψsd(k+1)、ψsq(k+1)、ψ0(k+1)；进一步的，利用(k+1)时刻定子磁链的预测值和参考值构建价值函数，并通过最小化价值函数获得逆变器最优开关状态；最后，通过q轴磁链无差拍方法计算占空比，改善系统稳态性能。
具体的：
(1)计算参考转矩Te ref：将参考速度与实际速度的差值en输入转速PI控制器，根据公式(1)获得参考转矩Te ref；
Figure BDA0002972483330000031
式中，kp和ki分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。
(2)计算电角度θr、电角速度ω以及k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量id、iq、i0：从编码器中获取磁通切换电机的电角度θr，再经式(2)求电角度θr关于时间的微分，得到电角速度ω；再利用电流传感器测量磁通切换电机k时刻三相定子电流ia，ib和ic，经坐标变换后得到k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量id、iq、i0。
Figure BDA0002972483330000032
(3)计算(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴分量幅值参考值ψsd ref(k+1)、ψsq ref(k+1)的方法为：根据公式(3)获得负载角δ和电磁转矩Te关系，并且根据公式(4)对负载角δ求导，利用公式(5)得到负载角增量Δδ，根据公式(6)获得(k+1)时刻负载角δ的参考值δref，然后根据公式(7)获得(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴分量幅值参考值ψsd ref(k+1)、ψsq ref(k+1)；
Figure BDA0002972483330000033
Figure BDA0002972483330000034
Figure BDA0002972483330000035
δref＝Δδ+δ (6)
Figure BDA0002972483330000036
式中，np为极对数；ψf为转子永磁体磁链；ψs为k时刻定子磁链幅值；ψs ref为定子磁链幅值参考值；Lq为交轴电感；ΔTe为电磁转矩增量；δref为(k+1)时刻负载角的参考值。
(4)将k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量id、iq、i0，电角速度ω以及电角度θr输入模型预测磁链控制模块，根据公式(8)获得(k+1)时刻的预测电流模型，然后根据公式(9)获得(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量ψsd(k+1)、ψsq(k+1)、ψ0(k+1)的预测值；
Figure BDA0002972483330000041
Figure BDA0002972483330000042
式中，ud(k)、uq(k)、u0(k)为k时刻定子电压的d轴、q轴和零轴分量；id(k)、iq(k)、i0(k)分别为k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量；R为定子相电阻；Ld、Lq为直、交轴电感；L0为零序电感；Ts为系统的采样周期id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量的预测值；ψsd(k+1)、ψsq(k+1)、ψ0(k+1)为(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量的预测值。
(5)根据逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态，逆变器故障类型如表1所示：
表1逆变器单相故障类型
Figure BDA0002972483330000043
当a1相故障的时候，逆变器1变为三相四开关结构。在两相静止坐标系下，开关组合可产生4个电压空间矢量，其中包括4个有效矢量，无零矢量。同样，当逆变器b1或者c1相发生故障时，在不同的开关状态会产生不同的电压矢量，具体电压矢量如表2所示。
表2逆变器单相故障下电压矢量
Figure BDA0002972483330000051
表中，Udc为逆变器直流母线电压；vα为两相静止坐标系下电压矢量α轴分量；vβ为两相静止坐标系下电压矢量β轴分量；
若两组逆变器均有一相出现故障，可以分两种情况进行考虑：
(a)逆变器1、2同相同时出现单相故障
当逆变器1、2的a相同时出现单相故障时，此时两个逆变器的开关组合状态(Sb1、Sc1)，(Sb2、Sc2)共有16种不同的开关状态，其中12个有效矢量、4个零矢量，去除冗余矢量后共有9种不同的有效矢量和零矢量；
(b)逆变器1、2不同相同时出现单相故障
当逆变器1、2不同相同时出现单相故障时，此时两个逆变器的开关组合状态共有16种不同的开关状态，可产生16个电压空间矢量，且无零矢量。
若某一逆变器三相均故障，那么与该组逆变器相连的固态继电器均导通，此时在另一组逆变器控制下开绕组磁通切换电机等效为普通的Y型连接的磁通切换电机，此时的控制技术与普通的磁通切换电机完全一致；如果某一逆变器有两相桥臂发生故障，那么此时的逆变器的开关状态只有两种，此时无法调制出开绕组磁通切换电机运行所需的圆形磁链矢量。因此本发明中容错控制旨在研究逆变器单相故障下的开绕组磁通切换电机系统。
(6)在价值函数模块中构建价值函数，将(k+1)时刻的定子磁链d轴、q轴和零轴分量参考值ψsd ref(k+1)、ψsq ref(k+1)、ψ0 ref(k+1)和(k+1)时刻定子磁的链d轴、q轴和零轴分量预测值ψsd(k+1)、ψsq(k+1)、ψ0(k+1)输入价值函数模块，依次代入逆变器故障后的电压空间矢量，根据公式(10)计算价值函数gi，根据开关状态与基本电压矢量关系获得逆变器最优开关状态；
Figure BDA0002972483330000061
(7)根据式(11)使q轴磁链在最优电压矢量和零电压矢量共同作用下在(k+1)时刻达到给定值ψsq ref；结合定子磁链方程与电压方程，根据式(12)得到零矢量作用时q轴磁链的斜率S0，根据式(13)得到最优电压矢量作用时q轴磁链的斜率Sopt，根据式(14)得到最优电压矢量作用时间topt：
Figure BDA0002972483330000062
Figure BDA0002972483330000063
Figure BDA0002972483330000064
Figure BDA0002972483330000065
式中，ψsq(k)表示k时刻q轴分量上的定子磁链，R为定子电阻，S0是零矢量作用时q轴磁链的斜率；Sopt是最优电压矢量作用时q轴磁链的斜率；topt是最优电压矢量作用时间；uq k|sopt表示k时刻最优矢量作用下的q轴电压。
图2为a1相故障容错等效电路，可容错运行的开绕组磁通切换电机系统结构为：逆变器每相桥臂中串联快速熔断丝，桥臂中点通过固态继电器与直流母线相连。若运行过程中逆变器桥臂发生故障，那么迅速导通与之相应的固态继电器，故障桥臂被切断。
图3为逆变器a1故障时的空间电压矢量图，此时共有32个电压矢量，除去冗余矢量，共拥有14种不同的有效矢量，且无零矢量产生。
图4为本发明提供的开绕组磁通切换电机容错控制方法在逆变器a1相故障情况下稳态仿真图。仿真工况设置为：电机给定转速200r/min，转矩为4N·m。电机启动后，t＝0.05s时电机转速稳定在200r/min，体现了模型预测磁链控制动态响应快的优点。同时零序电流抑制效果明显，说明基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法的可行性及优越性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过转速调节器获得参考转矩Te ref，然后采用id＝0的控制方式得到负载角参考值δref，进而得到(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴分量幅值参考值ψsd ref(k+1)、ψsq ref(k+1)，并且定义定子磁链零轴分量幅值参考值ψ0 ref(k+1)为0；
步骤2：根据逆变器故障类型分析故障后的电压空间矢量状态，再根据电流预测模型并结合磁链方程在线预测(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量ψsd(k+1)、ψsq(k+1)、ψ0(k+1)；
步骤3：利用(k+1)时刻定子磁链的预测值和参考值构建价值函数，并通过最小化价值函数获得逆变器最优开关状态；
步骤4：通过q轴磁链无差拍方法计算占空比，改善系统稳态性能。
2.根据权利要求1所述的基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法，其特征在于：所述参考转矩Te ref获取方法为：将参考速度与实际速度的差值en输入转速外环PI控制器，根据公式(1)获得参考转矩Te ref；
Figure FDA0002972483320000011
式中，kp和ki分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。
3.根据权利要求1所述的基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法，其特征在于：计算(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴分量幅值参考值ψsd ref(k+1)、ψsq ref(k+1)的方法为：根据公式(3)获得负载角δ和电磁转矩Te关系，并且根据公式(4)对负载角δ求导，利用公式(5)得到负载角增量Δδ，根据公式(6)获得(k+1)时刻负载角δ的参考值δref，然后根据公式(7)获得(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴分量幅值参考值ψsd ref(k+1)、ψsq ref(k+1)；
Figure FDA0002972483320000012
Figure FDA0002972483320000013
Figure FDA0002972483320000014
δref＝Δδ+δ (6)
Figure FDA0002972483320000021
式中，np为极对数；ψf为转子永磁体磁链；ψs为k时刻定子磁链幅值；ψs ref为定子磁链幅值参考值；Lq为交轴电感；ΔTe为电磁转矩增量；δref为(k+1)时刻负载角的参考值。
4.根据权利要求1所述的基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法，其特征在于：从编码器中获取磁通切换电机的电角度θr，再经式(2)求电角度θr关于时间的微分，得到电角速度ω；再利用电流传感器测量磁通切换电机k时刻三相定子电流ia、ib和ic，经坐标变换后得到k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量id、iq、i0；
Figure FDA0002972483320000022
将k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量id、iq、i0，电角速度ω以及电角度θr输入模型预测磁链控制模块，根据公式(8)获得(k+1)时刻的预测电流模型，然后根据公式(9)获得(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量ψsd(k+1)、ψsq(k+1)、ψ0(k+1)的预测值；
Figure FDA0002972483320000023
Figure FDA0002972483320000024
式中，id(k+1)、iq(k+1)、i0(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量的预测值；Ts为系统的采样周期；R为定子相电阻；Ld、Lq为直、交轴电感；L0为零序电感；id(k)、iq(k)、i0(k)分别为k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量；ud(k)、uq(k)、u0(k)为k时刻定子电压的d轴、q轴和零轴分量。
5.根据权利要求1所述的基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法，其特征在于：将(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量参考值ψsd ref(k+1)、ψsq ref(k+1)、ψ0 ref(k+1)和(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量预测值ψsd(k+1)、ψsq(k+1)、ψ0(k+1)构建公式(10)的价值函数，依次代入逆变器故障后的电压空间矢量，通过最小化价值函数获得逆变器最优开关状态；
Figure FDA0002972483320000031
式中，gi为价值函数值。
6.根据权利要求1所述的基于逆变器单相故障的开绕组磁通切换电机容错控制方法，其特征在于：所述占空比计算方法为：根据式(11)使q轴磁链在最优电压矢量和零电压矢量共同作用下在(k+1)时刻达到给定值ψsq ref；结合定子磁链方程与电压方程，根据式(12)得到零矢量作用时q轴磁链的斜率S0，根据式(13)得到最优电压矢量作用时q轴磁链的斜率Sopt，根据式(14)得到最优电压矢量作用时间topt：
Figure FDA0002972483320000032
Figure FDA0002972483320000033
Figure FDA0002972483320000034
Figure FDA0002972483320000035
式中，ψsq(k)表示k时刻q轴分量上的定子磁链；R表示定子电阻；uq k|sopt表示k时刻最优矢量作用下的q轴电压。
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