CN114123916A - 一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法和系统，电机控制技术领域。对于单相开路后的双三相永磁同步电机，将剩余五相电流分解到转矩平面和谐波平面，对于转矩平面电流的控制采用引入扩张状态观测器的无差拍电流预测控制器来替代传统PI控制器，再通过SPWM调制方法输出电压实现对双三相永磁同步电机的容错控制。本发明将ESO观测器应用在双三相永磁同步电机缺相故障工况下，对于其他控制策略难以处理的复杂交叉耦合项可以巧妙地避免，在ESO中，这些耦合项均被视为系统总扰动地一部分进行观测，随后在电压预测方程中进行补偿，和传统容错控制相比大大简化计算量和算法复杂度。

Description

一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法和系统
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，更具体地，涉及一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法和系统。
背景技术
近些年来，大功率化以及高可靠性化成为交流电机变频传动系统未来的主要发展方向之一，而其中较为热门的提高交流变频调速功率和可靠性的方案就是采用多相电机。其中最常用的是两套绕组相差30°电角度的双三相永磁同步电机结构，对于这类电机电流环控制策略无论是正常工况还是故障工况下大多还是采用传统的PI控制策略，而PI控制除了本身固有的无法兼顾系统的快速响应性和稳态精度的问题之外，同样在处理缺相故障数学模型中复杂的交叉耦合项时，也体现出控制性能较差的缺点。无差拍电流预测控制作为近年来较为热门的预测控制算法，具有算法简单动态响应强的特点，但同时具有受系统控制延时影响较大和对模型依赖性强以及抗扰能力弱的缺点，因此需要对传统的无差拍控制算法进行改进。
同时将无差拍电流预测控制应用在双三相电机容错控制时，由于数学模型的复杂性和耦合性限制了其控制性能，因此需要对于缺相故障下无差拍电流预测控制算法进行简化和改进。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法和系统，其目的在于解决多相电机容错控制算法复杂的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法，其中对于转矩平面电流的控制包括以下步骤：
S1.对转矩平面数学模型考虑模型扰动和外部扰动，建立包含扰动项的简化数学模型；
S2.将考虑扰动的数学模型中的dq轴电流以及对应轴的扰动量作为系统状态变量分别设计扩张状态观测器ESO，并将扩张状态观测器ESO进行离散化，利用kT时刻电流值和施加电压，得到(k+1)T时刻的电流预测值和对应轴扰动量；
S3.将(k+1)T时刻的电流预测值和扰动量代入无差拍电流预测控制方程，得到(k+1)T周期内应该施加的电压值，并通过坐标逆变换得到对应施加的相电压值；
S4.利用SPWM对每相电压进行调制，并输出相应脉冲作用信号对逆变器进行控制。
进一步地，步骤S1中建立所述转矩平面数学模型基于以下假设：
双三相永磁同步电机的磁路特性为线性，没有磁滞、磁路饱和的现象；
两套绕组相移30°，忽略绕组之间的互漏感；
转子上没有加入阻尼绕组；
定子电流和转子永磁体产生的气隙磁链都做直线分布；
UVW超前ABC绕组30°电角度，基于断相前后定子磁动势不变的原则建立简化的数学模型为：
Figure BDA0003360148330000021
Figure BDA0003360148330000022
Figure BDA0003360148330000023
Figure BDA0003360148330000031
其中um、un为引入的新旋转坐标系mn轴电压；m、n、m1和n1是与具体模型有关的系数，Laad和Laaq为dq轴主自感，Laa1为定子绕组的漏自感，id、iq分别为dq轴电流；Rs为定子电阻；ω为转子电角速度，ψf表示转子磁链。
进一步地，步骤S2具体为，将mn轴电压方程中除去输入um和un以及电流导数项外的其他项均视作扰动量，得到包含扰动的数学模型为：
Figure BDA0003360148330000032
其中，fd为m轴的总扰动量，fq为n轴的总扰动量，be为控制量增益，be＝1(3Laa12+3Laaq)。
进一步地，离散化后的扩张状态观测器ESO为：
Figure BDA0003360148330000033
Figure BDA0003360148330000034
为故障工况下(K+1)T时刻的电流预测值和系统总扰动估计值。
进一步地，根据ESO观测出的电流和扰动预测值，下一周期施加电压计算方程为：
Figure BDA0003360148330000035
其中idref在采用id＝0控制方式时恒为0，iqref为转速外环的输出值；
将um、un变换为d、q轴电压ud、uq。
进一步地，谐波平面采用传统PI控制器，参考电流均设为0，得到Uz1、Uz2、Uz3，再将转矩平面电压和谐波平面电压逆变换为剩余五相的相电压并通过SPWM调制方法输出至逆变器端，完成对双三相电机的容错控制。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明将ESO观测器应用在双三相永磁同步电机缺相故障工况下，对于其他控制策略难以处理的复杂交叉耦合项可以巧妙地避免，在ESO中，这些耦合项均被视为系统总扰动地一部分进行观测，随后在电压预测方程中进行补偿，和传统容错控制相比大大简化计算量和算法复杂度。
(2)本发明在转矩平面电流的控制采用引入改进无差拍控制算法代替传统PI控制算法，由于无差拍算法的原理是基于数学模型的离散化方程，将外环输出的电流参考值作为下一拍预测将达到的电流来直接求解出应该施加的理论最优电压值，因此相较于针对误差来进行控制的PI算法具有更好的动态响应，同时在模型准确且无扰动的情况下，是一种最优求解方案。
(3)本发明在传统无差拍控制基础上引入ESO之后，只需要用到电感这一参数，同时将模型失配以及外部扰动看作总扰动进行观测，因此大大提高了控制算法的鲁棒性和对模型的依赖性，即使电感参数存在参数失配的情况，ESO依然可以将这一失配信息通过扰动的形式观测出来，因此电感在较宽范围变化时，此方法依旧具备良好的抗扰性。
附图说明
图1是缺相故障工况下的双三相永磁同步电机改进无差拍控制框图；
图2(a)是缺相故障工况下传统无差拍控制在电感模型3倍误差时的q轴电流波形图，图2(b)是缺相故障工况下改进无差拍控制方法在电感模型3倍误差时的q轴电流波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明将电流和系统总扰动设为状态变量设计扩张状态观测器ESO来对运行过程中由于模型失配和外部扰动造成的系统总扰动进行观测，得到下一周期的电流预测值和扰动量，并针对实际系统中电流采样时刻和PWM更新时刻之间存在的固有一拍延时，采用ESO观测出的下一周期的电流预测值来进行无差拍控制，同时将扰动量进行对应补偿，在当前周期计算出下一周期应该施加的电压，完成对传统无差拍方法的改进，并将改进后的方法引入双三相永磁同步电机的控制系统，在正常工况下和单相开路故障工况下均可以获得较强的鲁棒性和动态响应。
本发明所提供的基于改进无差拍电流预测控制的双三相永磁同步电机控制结构，如图1所示，首先建立所述简化数学模型基于以下假设：
双三相永磁同步电机的磁路特性为线性，没有磁滞、磁路饱和的现象；
两套绕组相移30°，忽略绕组之间的互漏感；
转子上没有加入阻尼绕组；
定子电流和转子永磁体产生的气隙磁链都做直线分布；
并且两套绕组中性点连接且不连至逆变器端，由此建立的简化数学模型为，单相开路故障工况下(以W相开路为例，UVW超前ABC绕组30°)：
Figure BDA0003360148330000051
Figure BDA0003360148330000052
Figure BDA0003360148330000061
Figure BDA0003360148330000062
其中Um、Un为mn轴电压；Laad和Laaq为dq轴主自感，Laa1为定子绕组的漏自感，id、iq分别为dq轴电流；Rs为定子电阻；ω为转子电角速度。
将数学模型中除去电流微分项和电压输入项的剩余项视为总扰动f，得到考虑扰动的数学模型为：
Figure BDA0003360148330000063
其中，fd为m轴的总扰动量，fq为n轴的总扰动量，be为控制量增益，be＝1/(3Laa1/2+3Laaq)。
按照ESO设计方法，可以得到电流环的ESO如下所示：
Figure BDA0003360148330000064
其中βo1,βo2为观测器参数，e1＝fal(e,0.95,δ),δ＝5T，T为采样周期，fal函数为误差非线性函数，表达式为：
Figure BDA0003360148330000065
选择对应工况下的dq轴电流和扰动量作为状态变量，那么z1和z2即对应电流和总扰动的观测值，并采用前后欧拉法得到离散化后的扩张状态观测器ESO为：
Figure BDA0003360148330000071
Figure BDA0003360148330000072
为故障工况下(K+1)T时刻的电流预测值和系统总扰动估计值。
将(K+2)T时刻的电流值用当前KT时刻的电流参考值(转速环PI输出)来代替，同时将预测出的扰动量进行补偿，得到(K+1)T时刻应该施加的电压为：
Figure BDA0003360148330000073
对于故障工况下，还需要将Um和Un转化为Ud和Uq，转换公式为：
Figure BDA0003360148330000074
在采用上述发明所提供方法的一个实例中，电机的参数如下所示，定子电阻每相绕组Rs为1.4Ω，d轴主自感和q轴主自感Laad、Laaq均为2.36mH，定子绕组漏自感Laa1为1.7mH，折算到VSD坐标系下，可得Ld＝Lq＝8.8mH，转子永磁体磁链为0.68Wb，极对数为3。
对上述实例电机做如下实验，分别在正常工况和W相开路工况下，施加传统无差拍电流控制和改进的无差拍电流控制，并假定电感模型无误差和电感值存在三倍失配两种情况，均在1s时施加一个5Nm的负载转矩，得到的iq电流波形图如图2(a)、图2(b)所示，图2(a)是传统无差拍容错控制的波形图，图2(b)是引入扩张状态观测器的无差拍容错控制的电流波形图，通过对比传统无差拍容错控制和改进无差拍容错控制的电流波形图可以看出，传统无差拍控制会出现电流振荡的不稳定现象，而改进无差拍控制则基本上没有影响，可以达到和电感参数准确时相似的控制效果，可见引入ESO的无差拍电流对于电感变化的敏感性更弱，算法的鲁棒性更强。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法，其特征在于，对于转矩平面电流的控制包括以下步骤：
S1.对转矩平面数学模型考虑模型扰动和外部扰动，建立包含扰动项的简化数学模型；
S2.将考虑扰动的数学模型中的dq轴电流以及对应轴的扰动量作为系统状态变量分别设计扩张状态观测器ESO，并将扩张状态观测器ESO进行离散化，利用kT时刻电流值和施加电压，得到(k+1)T时刻的电流预测值和对应轴扰动量；
S3.将(k+1)T时刻的电流预测值和扰动量代入无差拍电流预测控制方程，得到(k+1)T周期内应该施加的电压值，并通过坐标逆变换得到对应施加的相电压值；
S4.利用SPWM对每相电压进行调制，并输出相应脉冲作用信号对逆变器进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法，其特征在于，步骤S1中建立所述转矩平面数学模型基于以下假设：
双三相永磁同步电机的磁路特性为线性，没有磁滞、磁路饱和的现象；
两套绕组相移30°，忽略绕组之间的互漏感；
转子上没有加入阻尼绕组；
定子电流和转子永磁体产生的气隙磁链都做直线分布；
UVW超前ABC绕组30°电角度，基于断相前后定子磁动势不变的原则建立简化的数学模型为：
Figure FDA0003360148320000011
Figure FDA0003360148320000021
Figure FDA0003360148320000022
Figure FDA0003360148320000023
其中um、un为引入的新旋转坐标系mn轴电压；m、n、m1和n1是与具体模型有关的系数，Laad和Laaq为dq轴主自感，Laa1为定子绕组的漏自感，id、iq分别为dq轴电流；Rs为定子电阻；ω为转子电角速度，ψf表示转子磁链。
3.根据权利要求2所述的一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法，其特征在于，步骤S2具体为，将mn轴电压方程中除去输入um和un以及电流导数项外的其他项均视作扰动量，得到包含扰动的数学模型为：
Figure FDA0003360148320000024
其中，fd为m轴的总扰动量，fq为n轴的总扰动量，be为控制量增益，be＝1/(3Laa1/2+3Laaq)。
4.根据权利要求3所述的一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法，其特征在于，离散化后的扩张状态观测器ESO为：
Figure FDA0003360148320000025
Figure FDA0003360148320000026
为故障工况下(K+1)T时刻的电流预测值和系统总扰动估计值。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法，其特征在于，根据ESO观测出的电流和扰动预测值，下一周期施加电压计算方程为：
Figure FDA0003360148320000031
其中idref在采用id＝0控制方式时恒为0，iqref为转速外环的输出值；
将um、un变换为d、q轴电压ud、uq。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法，其特征在于，谐波平面采用传统PI控制器，参考电流均设为0，得到Uz1、Uz2、Uz3，再将转矩平面电压和谐波平面电压逆变换为剩余五相的相电压并通过SPWM调制方法输出至逆变器端，完成对双三相电机的容错控制。
7.一种双三相永磁同步电机缺相故障容错控制系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至6任一项所述的双三相永磁同步电机缺相故障容错控制方法。
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