CN113595458A - 一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法 - Google Patents

一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，属于电机控制技术领域。本发明为了解决现有的电机断相故障时的容错控制方法不能抑制共模电压的问题。本发明采用断相前后磁动势守恒原则并以最大转矩输出为约束条件得到了新型空间电压矢量向量图，选择其中幅值最大并且是共模电压幅值最小的十个非零电压矢量并将空间电压矢量向量图分为十个扇区，对参考电压矢量进行扇区判断，并以每次动作最少数量开关管为优化目标确定各基本电压矢量作用顺序，计算基本电压矢量作用顺序以及作用时间；本发明提高了多相电机在故障状态下的运行性能得到明显改善，有效提高调速系统的可靠性。

Description

一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法。
背景技术
多相永磁同步电机(PMSM)因其具有低压大功率、效率高、可容错、噪声低等性能优点，近年来在各个行业中都得到了广泛的应用。同时，随着微电子和现代电力电子技术的发展，在许多高可靠性要求的应用领域，容错技术得到了广泛的应用。目前，针对多相PMSM的容错控制策略，传统的容错控制方法多为滞环控制和直接转矩控制(DTC)，但是这两种方法均未考虑共模电压的问题，会在电机的转轴感应出高幅值轴电压，并形成轴电流，使得电动机轴承快速损坏，缩短电动机使用寿命。因此，针对多相PMSM在容错状态运行下，同时抑制共模电压的研究十分有必要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，有效抑制系统容错运行过程中共模电压对电机轴承的不利影响。
一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，包括如下步骤：
S1、当多相电机出现一相断相故障时，建立断相后的电机模型，根据磁动势守恒和最大输出转矩为条件建立新型空间电压矢量向量图；
S2、根据电压矢量大同时共模电压小选择所述空间电压矢量向量图中的十个电压矢量作为基本电压矢量；
S3、判断参考电压矢量所在扇区，根据每次动作最少开关管为优化目标确定各基本电压矢量作用顺序并计算基本电压矢量作用时间。
优选的，步骤S1包括：
建立六相电机正常运行时的电流；
以各相电流的最大幅值作为目标函数，得到修正后的剩余五相电流；
根据修正后的电流相位和幅值得到所述多相电机出现一相断相故障后的新型空间向量图。
优选的，包括如下步骤：所述目标函数为：
Figure RE-GDA0003247357130000011
其中，aX和bX表示的是剩余五相电流在α轴和β轴上的投影量。
优选的，步骤S2具体包括：
在所述空间电压矢量向量图中选择十个幅值最大的电压矢量作为基本电压矢量，所述十个基本电压矢量构成十个扇区。
优选的，步骤S3包括：
根据参考电压的极坐标角度值判断所述参考电压矢量所在的扇区；
选择与所述参考电压矢量相邻的两个基本电压矢量和零矢量合成参考矢量；
根据每次动作最少开关管为优化目标确定各基本电压矢量作用顺序；
计算各基本电压矢量的作用时间。
如上所述，本发明提供的一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，具有如下效果：
1.本发明在断相后，通过断相电机数学模型，根据磁动势守恒和最大转矩约束条件后使得电流相位发生变化，采用断相前后磁动势守恒原则并以最大转矩输出为约束条件得到了新型空间电压矢量向量图，通过扇区分配与基本电压矢量的选择、矢量作用时间的计算从而完成对系统的磁场定向控制，可以在保证转矩的同时，大幅减小由定子绕组开路故障引起的转矩脉动。
2.本发明在基本电压矢量选择环节中，以共模电压最小的考虑条件对基本电压矢量进行选择，选择的矢量均为共模电压仅为Udc的十分之一，有效减小了共模电压的存在使得电机轴承产生轴电流引起的对电机轴承的损害，能够明显提高电机的使用寿命。
3.本方案的矢量作用顺序和时间是针对本篇对称六相电机选择基本矢量后在优化目标为前提下确定下来的顺序和时间，针对的是此六相电机断相后的新型基本电压矢量计算。
4.本发明采用矢量脉宽调制方法有效解决传统的容错控制策略由于多为滞环控制或者直接转矩控制从而导致的动态响应和开关频率之间的矛盾，能够在保证动态响应的前提下，在每个开关周期内各个功率管动作一次，减小开关损耗。
5.本发明适用于轨道交通、风力发电以及航空航天等从日常生活到国防科技等对可靠性要求较高的场合。
附图说明
图1是本发明共中性点对称六相电机逆变器拓扑图；
图2是本发明共中性点对称六相永磁同步电机定子绕组结构图；
图3是本发明共中性点对称六相永磁同步电机断一相前后空间向量对比图；
图4是本发明共中性点对称六相永磁同步电机断一相后绕组基本等效电路图；
图5是本发明共中性点对称六相永磁同步电机断一相后新型空间电压矢量图；
图6是本发明空间矢量脉宽调制方法的扇区划分图；
图7是本发明空间矢量脉宽调制方法空间矢量顺序图；
图8是本发明空间矢量脉宽调制方法矢量作用时间图；
图9是空间矢量脉宽调制方法的仿真模型框图；
图10是系统在稳态运行状态下的调制波波形图；
图11是系统在容错运行状态下的启动转速波形图；
图12是系统在容错运行状态下的启动转速波形局部放大图；
图13是恒定速度下负载突变时电机转速波形图；
图14是恒定速度下负载突变时电机转矩波形图；
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，包括如下步骤：
S1、当多相电机出现一相断相故障时，建立断相后的电机模型，根据磁动势守恒和最大输出转矩为条件建立新型空间电压矢量向量图；
S11、建立六相电机正常运行时的电流；
当六相电机发生单相故障，本实施例以E相故障为例。如图2所示，为对称六相PMSM定子绕组结构图。为满足断相前后电机运行状态不变，则需保证电机合成磁动势不变的原则，六相PMSM的合成磁动势可以表示为：
Figure RE-GDA0003247357130000041
式中，
Figure RE-GDA0003247357130000047
是电角度，N是每相绕组的匝数。以B相为例，绕组函数为
Figure RE-GDA0003247357130000048
六相电机正常运行时的绕组电流为：
Figure RE-GDA0003247357130000042
S12、以各相电流的最大幅值作为目标函数，得到修正后的剩余五相电流；
将各相电流的最大幅值作为目标函数：
Figure RE-GDA0003247357130000043
电流的优化目标是使f1最大，常规的解析法很难对其求解，可以利用MATLAB最优工具箱提供极小值计算函数fmincon来进行求解。根据断路前后合成磁势不变原则，可得：
Figure RE-GDA0003247357130000044
根据三角函数公式，可将剩余相电流表示为：
Figure RE-GDA0003247357130000045
式中，aX和bX表示的是剩余五相电流在α轴和β轴上的投影量。以三角函数的形式对剩余五相电流进行代入，并将正弦项和余弦项分离可得：
Figure RE-GDA0003247357130000046
除了式(6)外，考虑到六相电机绕组采用共中性点，因此各相电流还需满足如下约束条件：
Figure RE-GDA0003247357130000051
可将f1作为目标函数，以上式为约束条件，当E相断相时，可求解出剩余五相电流的表达式：
Figure RE-GDA0003247357130000052
式中：Im为电机正常运行时的相电流幅值。
S13、根据修正后的电流相位和幅值得到所述多相电机出现一相断相故障后的空间向量图。
根据得到的修正后的电流相位和幅值可以得到故障后空间向量图，图3所示为故障前后的空间向量图。SX(x＝A,D,B,C,F)为逆变器某一桥臂的开关状态，当SX＝1时，表明上管导通，下管关断；当SX＝0时，表明上管关断，下管导通。由于E相的开路，SE和
Figure RE-GDA0003247357130000055
被舍弃，六相逆变器变成了五相逆变器。在此系统中，如图4所示，有两种基本的等效电路图4(a)和4(b)。 4(a)是将两个桥臂上管打开，三个桥臂下管打开或以相反的方式三个桥臂的上管打开，两个桥臂的下管打开。4(b)是将一个桥臂的上管打开，四个桥臂的下管打开或以同理的相反的方式打开。对于五相逆变器而言，有25＝32种不同的开关状态，将每一种开关状态采用二进制格式表示，例如：开关状态V21(10101)代表着A、B、F三个桥臂的上管导通，D、C两个桥臂的下管导通，其等效电路图属于4(a)情况中的一种。这32种开关状态对应的电压矢量Vs的值可以推导为：
Figure RE-GDA0003247357130000053
分别将32种开关状态代入式(9)可以得到如表1所示，各电压矢量的值。将电压矢量幅值和相位画在矢量图上可以得到如图5所示的空间电压矢量向量图。
表1：各基本电压电压矢量幅值数据表；
Figure RE-GDA0003247357130000054
Figure RE-GDA0003247357130000061
S2、根据电压矢量大同时共模电压小选择所述空间电压矢量向量图中的十个电压矢量作为基本电压矢量；
基本电压矢量选择和扇区划分如图6所示，所选择的十个基本电压矢量的基本等效电路图均属于4(a)型里的两种情况，即三个桥臂上管导通或为两个桥臂上管导通，当为三个桥臂上管导通时，共模电压UNO可由式(10)第一行求得，当为两个桥臂上管导通时，共模电压UNO可由式(10)第二行求得：
Figure RE-GDA0003247357130000062
其中，N为电机中性点，O为直流母线中点，故十个基本电压矢量的共模电压UNO为
Figure RE-GDA0003247357130000063
S3、判断参考电压矢量所在扇区，根据每次动作最少开关管为优化目标确定各基本电压矢量作用顺序并计算基本电压矢量作用时间。
根据参考电压矢量Vref的极坐标角度值
Figure RE-GDA0003247357130000064
判断Vref所在的扇区，例如当
Figure RE-GDA0003247357130000065
时，即为第一扇区。当参考电压矢量Vref位于第K扇区时，选择与其相邻的两个基本电压矢量和零矢量来合成参考矢量。并以降低器件损耗为目标，在每个扇区内选择合适的开关顺序进行目标矢量的合成。以第一扇区为例，基本电压矢量的顺序为： V31(11111)-V25(11001)-V24(11000)-V0(00000)-V24(1100 0)-V25(11001)-V31(11111)。每个扇区的空间矢量选择顺序如图7所示。当Vref处于第一扇区时，基本电压矢量选择与其相邻的两个非零电压矢量，即V25和V24.假设矢量V25和V24作用时间为T1和T2，系统采样时间为 TS，合成参考电压矢量Vref的具体作用时间如图8所示。根据平衡等效原则可以得到下式：
VrefTs＝V25T1+V24T2+T0(V31或V0) (11)
T1+T2+T0＝TS (12)
根据三角形正弦定理，可以得到：
Figure RE-GDA0003247357130000071
要合成所需要的参考电压空间矢量，需要计算各矢量作用时间T1、T2、T0。将式(11)(12) 代入(13)可以得到各矢量作用时间：
Figure RE-GDA0003247357130000072
当Vref位于其他扇区时，各矢量作用时间如表2。
表2：各扇区里相应基本电压矢量作用时间数据表；
Figure RE-GDA0003247357130000073
通过查询表1可知：V25＝0.6045·Udc，V24＝0.5591·Udc。将其代入式(14)得到：
Figure RE-GDA0003247357130000081
为了进一步说明本申请的适用于多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，本实施例采通过如下方式进行验证：
本实施例的六相永磁同步电机参数：每相绕组电阻R＝1.4Ω，极对数P＝3，d轴电感 Ld＝4.85mH，q轴电感Lq＝4.85mH，转动惯量J＝15e-3kg/m2。仿真中，对称六相PMSM故障运行时转速分别为500rpm和1000rpm，负载转矩分别为10N·M和20N·M两种情况下运行。
图9所示为一种适用于多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法的仿真模型框图，其中包括参考电压矢量Vref作为输入后的扇区判断模块、矢量作用时间计算模块、基本电压矢量选择模块、载波比较发波模块。
图10是系统在稳态运行下的调制波波形，其中B相和C相对称，D相和F相对称，故图中以A、D、B三路波形为例。根据图片可以看出，每一相均近似为马鞍波，验证了本发明所述的设计方法的可行性与有效性，同时说明了本发明较传统SVPWM一样能够提高电压利用率。
图11是系统在容错运行状态下的启动转速波形图，转速最先设定为500rpm，并在0.25s 时设定为1000rpm。根据仿真波形可以看出系统在启动过程中经过0.016s达到稳态500rpm，超调量最大为6rpm，且稳态后系统波动在1rpm以内图12所示为此部分局部放大图。当在 0.25s时给定转速设定为1000rpm，系统动态响应同为0.016s，并在此后达到稳态1000rpm。说明了本发明所述的设计方法在系统容错运行时具有很小的超调量且极快的响应速度。
图13所示为恒定速度下负载突变时电机转速波形图，图13所示为恒定速度下负载突变时电机转速波形图。电机处于恒定速度1000rpm，负载转矩为10N·M稳定运行时，在0.2s加到20N·M，在0.4s又减为10N·M的负载转矩。图13可以看出在加载时，系统响应时间为 0.005s。图14可以看出在加载时，转矩突升为25N·M，并在0.005s后稳定为20N·M，转矩相应快速。说明了本发明所述的空间矢量脉宽调制方法具有良好的鲁棒性，且在保证转矩的同时，能够大幅减小由定子绕组开路故障引起的转矩脉动。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、当多相电机出现一相断相故障时，建立断相后的电机模型，根据磁动势守恒和最大输出转矩为条件建立新型空间电压矢量向量图；
S2、根据电压矢量大同时共模电压小选择所述空间电压矢量向量图中的十个电压矢量作为基本电压矢量；
S3、判断参考电压矢量所在扇区，根据每次动作最少开关管为优化目标确定各基本电压矢量作用顺序，并计算基本电压矢量作用时间。
2.根据权利要求1所述一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，步骤S1包括：
建立六相电机正常运行时的电流；
以各相电流的最大幅值作为目标函数，得到修正后的剩余五相电流；
根据修正后的电流相位和幅值得到所述多相电机出现一相断相故障后的新型空间向量图。
3.根据权利要求2所述一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，包括如下步骤：所述目标函数为：
Figure FDA0003191598420000011
其中，aX和bX表示的是剩余五相电流在α轴和β轴上的投影量。
4.根据权利要求1所述一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
在所述空间电压矢量向量图中选择十个幅值最大的电压矢量作为基本电压矢量，所述十个基本电压矢量构成十个扇区。
5.根据权利要求4所述一种多相电机故障的空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，步骤S3包括：
根据参考电压的极坐标角度值判断所述参考电压矢量所在的扇区；
选择与所述参考电压矢量相邻的两个基本电压矢量和零矢量合成参考矢量；
根据每次动作最少开关管为优化目标确定各基本电压矢量作用顺序；
计算各基本电压矢量的作用时间。
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