CN113659907A - 基于转矩模型预测的六相永磁容错电机直接转矩控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模型预测转矩控制的六相永磁容错电机直接转矩控制方法，包括：获取采样信息，包括通过光电编码器得到永磁同步电机的转子位置θ，经过计算得到电机的转速信号，电机转速与给定转速的偏差经过PI调节器处理为给定转矩，由给定转矩计算出给定磁链幅值。在模型预测算法中同时预测电机下一时刻的转矩和磁链幅值。转矩和磁链的预测值与其给定值构成价值函数，选取使价值函数最小的空间电压矢量，根据该空间电压矢量控制六相独立H桥逆变器从而对电机进行实时转矩预测控制。

Description

基于转矩模型预测的六相永磁容错电机直接转矩控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种基于转矩模型预测的六相永磁容错电机直接转矩控制方法。
背景技术
永磁同步电机是一种由永磁体提供励磁的高性能电机，以其效率高，转矩脉动小等优点成为交流伺服控制系统的主要执行电机。对称表贴式六相永磁容错电机是在此基础上研制的一种新型电机，它采用了六相对称的隔离绕组，分别由六个H桥逆变器进行驱动。这种结构就使得其具有出色的容错能力。六个H桥逆变器理论上有36＝729种电压矢量，但是最终可以简化为62种角度和幅值不同的空间电压矢量。对于此类电机的控制往往采用电流滞环控制和传统的直接转矩控制。当电机发生故障时，虽然能够达到容错控制效果，但对于电机正常态运行以及故障态时的稳态性能略差。模型预测控制在表贴式六相永磁容错电机控制中的应用还很少，且大多都是电流预测控制，在转矩快速跟随和故障态的转矩脉动的抑制方面还存在不足。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于模型预测转矩控制的六相永磁容错电机直接转矩控制方法。该方法既具有算法容易实现的特点、又可以有效降低电机在正常态和故障态的转矩脉动，具体包括如下步骤：
采集表贴式六相永磁容错电机的转子位置信息θ和电机转速n，将给定转速n*与电机反馈的实际转速的差值经过PI调节器后得到电机的给定转矩，再基于id＝0的控制策略，由电机的给定转矩计算出电机的给定磁链幅值，获取电机六相定子电流ia(k)、iu(k)、ib(k)、iv(k)、ic(k)、iw(k)，再经过坐标变换得到d轴和q轴坐标系分量电流id(k)、iq(k)；
在两相旋转坐标系下建立电机的电压方程，通过欧拉公式处理电流的微分式、得到下一时刻的电流预测值id(k+1)和iq(k+1)，利用此电流预测值得到下一时刻的转矩预测值Te(k+1)和定子磁链预测值|Ψs(k+1)|；
采用模型预测转矩控制算法根据七个不同的电压矢量分别计算得到七组不同的下一时刻的转矩预测值和磁链预测值，在价值函数中通过适当的权重系数对电机给定转矩和磁链进行跟踪；由最小的价值函数选出单个控制周期内最优的电压矢量，最后向逆变器输出最优的电压矢量所对应的开关信号，从而通过六相独立的H桥逆变器对电机进行直接转矩控制。
进一步的，在对电机进行直接转矩控制时：采用模型预测转矩控制算法在价值函数中考虑转矩和磁链幅值的限制因素，其中价值函数为：
Figure BDA0003243769250000021
在电机发生一相开路故障时，不施加任何容错策略，对于发生任意两相开路故障时：即发生相差60°空间角度的两相开路故障、相差120°空间角度的两相开路故障、相差180°空间角度的两相开路故障时，分别重新选择一组新的备选空间电压矢量以实现对电机的低转矩脉动运行控制。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于模型预测转矩控制的六相永磁容错电机直接转矩控制方法，该方法在两相旋转坐标系下预测电机的转矩和磁链。以id为零的思想来搭建给定磁链和转矩的关系。通过模型预测直接控制电机的转矩，使得电机的转矩控制效果非常好，无论是在无故障运行、还是在比较常见的一相/两相开路故障时都可以保证电机转矩的平稳输出。并且从无故障运行到一相开路容错运行，无需加入任何容错算法依然可以实现电机在故障态的低转矩脉动运行。这就大大减小了控制复杂度，提高了电机控制的实时性。即使在发生相差60°空间角度的两相开路、相差120°空间角度的两相开路和相差180°空间角度的两相开路故障时，仅需分别使用一组新的备选电压矢量就可以使电机在故障态下以较低的转矩脉动运行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中六相永磁容错电机六相H桥逆变器拓扑结构图
图2为本发明中六相永磁容错电机常用坐标系图
图3为本发明中六相永磁容错电机所选用的空间电压矢量图
图4为本发明中基于模型预测转矩控制的六相永磁容错电机直接转矩控制系统结构框图
图5为本发明中六相永磁容错电机正常运行时转矩波形
图6为本发明中六相永磁容错电机正常运行时转速波形
图7为本发明中六相永磁容错电机发生A相开路故障时转矩波形图
图8为本发明中六相永磁容错电机发生A相开路故障时转速波形图
图9为本发明中六相永磁容错电机在0.2s发生A、U两相开路故障,在0.35s加入容错策略运行的转矩波形图
图10为本发明中六相永磁容错电机在0.2s发生A、U两相开路故障,在0.35s加入容错策略运行的转矩波形图
图11为本发明中六相永磁容错电机在0.2s发生A、B两相开路故障,在0.35s加入容错策略运行的转矩波形图
图12为本发明中六相永磁容错电机在0.2s发生A、B两相开路故障,在0.35s加入容错策略运行的转矩波形图
图13为本发明中六相永磁容错电机在0.2s发生A、V两相开路故障,在0.35s加入容错策略运行的转矩波形图
图14为本发明中六相永磁容错电机在0.2s发生A、V两相开路故障,在0.35s加入容错策略运行的转速波形图
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
如图1所示为表贴式六相永磁容错电机H桥逆变器拓扑结构图，该拓扑结构采用六相单独控制且无中性点连接，能够有效实现电气隔离，避免发生故障时因电气耦合故障相对正常相产生影响；如图2所示为表贴式六相永磁容错电机的六相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系图；如图3所示是表贴式六相永磁容错电机在六相H桥控制下所选用的电压矢量，其中V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7是在正常运行和一相开路运行时的备选空间电压矢量，V1’、V2’、V3’、V4’、V5’、V6’、V8表示在两相开路时的备选电压矢量，虽然三种两相开路故障时选用的备选空间电压矢量表不同，即三组空间电压矢量虽然合成方式不同，但作用效果相同。所以图中统一用Vx’(x＝1、2、3、4、5、6)表示两相开路时的备选空间电压矢量；如图4所示为本发明公开的基于模型预测转矩控制的六相永磁容错电机直接转矩控制系统结构框图，该控制方法实现包括如下步骤：
S1：获取反馈信息：包括通过传感器得到的永磁容错电机的转子位置θ，转子位置信号经过计算可以得到电机的转速n。将给定转速n*与电机当前转速n进行做差后经过PI调节器的处理可以得到电机的给定转矩值
Figure BDA0003243769250000041
再由给定转矩采用最大电流比控制可以计算得出给定磁链幅值|Ψs *|。采集到的六相定子电流的当前值ia(k)、iu(k)、ib(k)、iv(k)、ic(k)、iw(k)，经过坐标变换可以得到两相旋转坐标系下的电流值id(k)、iq(k)。
S2：在两相静止坐标系下，电机可以建立如下的电压方程：
Figure BDA0003243769250000042
Figure BDA0003243769250000043
其中Rs时电机的定子绕组的电阻，ωr为电机转子角速度，ud、uq、Ψsd、Ψsq分别是电机两相旋转坐标系下的电压和磁链。
ψsd＝Ldid+ψf
ψsq＝Lqiq (2)
其中Ld、Lq分别是d、q轴电感，Ψf是电机转子永磁体磁链。将公式2带入到公式1中可以得到如下关于电流的微分方程：
Figure BDA0003243769250000044
Figure BDA0003243769250000045
使用前向欧拉公式可以把两相旋转坐标系下的连续微分方程转化为离散状态方程：
Figure BDA0003243769250000046
Figure BDA0003243769250000047
在根据公式4得到下一周期电流预测值后就可以根据如下公式计算下一周期的转矩和磁链预测值：
Te(k+1)＝npψfiq(k+1)
Figure BDA0003243769250000048
隐极式永磁同步电机最大转矩电流比：将id＝0代入到公式(5)，可以得到转矩和磁链的关系：
Figure BDA0003243769250000051
S3：对于离散状态预测方程(公式4)中的ud和uq是备选电压矢量经过坐标变换后得到的d-q轴电压。在电机不同运行状态下选用不同的备选空间电压矢量如表1-4所示。
表1无故障和一相开路故障下备选空间电压矢量表
Figure BDA0003243769250000052
表2相差60°空间角度两相开路故障下备选空间电压矢量表
Figure BDA0003243769250000053
表3相差120°空间角度两相开路故障下备选空间电压矢量表
Figure BDA0003243769250000061
表4相差180°空间角度两相开路故障下备选空间电压矢量表
Figure BDA0003243769250000062
将不同的空间电压矢量带入到公式(4)中，在经过公式(5)就可以得到七组不同的下一周期的转矩和磁链幅值的预测值。然后通过以下公式来计算对应的价值函数，最后选取最小价值函数对应的空间电压矢量为输出。在电机无故障运行和发生一相开路故障时都使用表1所示的备选空间电压矢量，在发生不同情况的两相开路故障时加入容错控制策略，即分别采用如表2-4所示的备选空间电压矢量。
Figure BDA0003243769250000063
S4：电机每相绕组采用的是H桥逆变器作为驱动，各相绕组由四个桥臂共同控制。H桥的工作规则如表5所示，在每个周期开始时，六相独立H桥逆变器接收到触发脉冲，并在整个周期内保持各桥臂工作状态不变直到下一周期的触发脉冲到来。
表5 H桥逆变器桥臂开关状态表
Figure BDA0003243769250000071
S5：仿真实验验证：首先对电机正常运行状态下进行仿真验证，电机给定转速为250r/min，负载转矩为额定转矩23N·m，图5、6所示分别是电机转矩和转速波形。然后在相同仿真条件下对电机发生故障情况下进行仿真验证。单相开路故障：电机在0.2s时A相发生开路故障，图7、8分别是电机发生一相开路故障前后的转矩和转速波形图。A、U两相开路故障：电机在0.2s时A、U两相出现开路故障，0.35s加入容错控制策略，即采用如表2所示的空间电压矢量表。图9、10分别是电机发生A、U两相开路故障并加入容错策略后的转矩和转速波形图。A、B两相开路故障：电机在0.2s时A、B两相出现开路故障，0.35s加入容错控制策略，即采用如表3所示的空间电压矢量表。图11、12分别是电机发生A、B两相开路故障并加入容错策略后的转矩和转速波形图。
A、V两相开路故障：电机在0.2s时A、V两相出现开路故障，0.35s加入容错控制策略，即采用如表4所示的空间电压矢量表。图13、14分别是电机发生A、V两相开路故障并加入容错策略后的转矩和转速波形图。
仿真结果表明，采用转矩模型预测控制策略，六相永磁容错电机不仅可以完成在正常态的快速启动和稳定运行，在一相、两相开路时依然能够以较低的转矩脉动平稳运行，大大提高了以六相永磁容错电机为核心的电力推进系统的稳定性。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于模型预测转矩控制的六相永磁容错电机直接转矩控制方法，其特征在于包括：
采集表贴式六相永磁容错电机的转子位置信息θ和电机转速n，将给定转速n*与电机反馈的实际转速的差值经过PI调节器后得到电机的给定转矩，再基于id＝0的控制策略，由电机的给定转矩计算出电机的给定磁链幅值，获取电机六相定子电流ia(k)、iu(k)、ib(k)、iv(k)、ic(k)、iw(k)，再经过坐标变换得到d轴和q轴坐标系分量电流id(k)、iq(k)；
在两相旋转坐标系下建立电机的电压方程，通过欧拉公式处理电流的微分式、得到下一时刻的电流预测值id(k+1)和iq(k+1)，利用此电流预测值得到下一时刻的转矩预测值Te(k+1)和定子磁链预测值|Ψs(k+1)|；
采用模型预测转矩控制算法根据七个不同的电压矢量分别计算得到七组不同的下一时刻的转矩预测值和磁链预测值，在价值函数中通过适当的权重系数对电机给定转矩和磁链进行跟踪；由最小的价值函数选出单个控制周期内最优的电压矢量，最后向逆变器输出最优的电压矢量所对应的开关信号，从而通过六相独立的H桥逆变器对电机进行直接转矩控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在对电机进行直接转矩控制时：采用模型预测转矩控制算法在价值函数中考虑转矩和磁链幅值的限制因素，其中价值函数为：
Figure FDA0003243769240000011
在电机发生一相开路故障时，不施加任何容错策略，对于发生任意两相开路故障时：即发生相差60°空间角度的两相开路故障、相差120°空间角度的两相开路故障、相差180°空间角度的两相开路故障时，分别重新选择一组新的备选空间电压矢量以实现对电机的低转矩脉动运行控制。
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