CN114362611B - 一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传感器容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传感器容错控制方法。步骤1：建立五相永磁同步电机动态模型；步骤2：给出五相两电平逆变器馈电下五相永磁同步电机电流传感器安装位置和不同空间电流的关系；步骤3：基于步骤的2安装位置和不同空间电流的关系，得到故障相电流的估算值。本发明用以解决现有技术中需要精确测得电机参数才能使用模型方法是问题，以及系统运行状态发生不同变化时，电机参数受到影响也随之发生变化，精度也会随之变化。

Description

一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传 感器容错控制方法

技术领域

本发明涉及电力传动技术领域，具体是指一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传感器容错控制方法。

背景技术

五相永磁同步电机以其高效率、高功率密度和高可靠性等独特的优点，在电动汽车、航空航天和船舶推进等领域得到了广泛的应用。作为高性能电力驱动系统的关键部件，电流传感器在长期振动、电磁干扰和潮湿等恶劣环境条件下容易发生故障。因此，针对五相永磁同步电机驱动器的电流传感器容错控制是一个重要的研究方向。

电流传感器容错控制技术按照是否需要额外的硬件或者备用电流传感器辅助分为两类。

第一类是需要额外的电流传感器进行辅助采样。主要包括硬件冗余、母线电流采样法和支路电流采样法等。硬件冗余是指切换一个备用的健康电流传感器以替换故障电流传感器进行电流采样。该方法简单可靠，但价格昂贵，重量增加，占用空间更大。对于五相永磁同步电机驱动来说，由于需要至少四个备用电流传感器，该方法很难应用。母线电流采样法是利用母线电流和相电流之间的关系重构相电流。然而，由于最小采样时间的限制，测量死区不可避免地出现在空间矢量六边形的低调制区和扇形边界区，阻碍了相电流的精确重构。为了解决这个问题，常用的方法包括修改脉宽调制、电流预测、测量矢量插入以及通过观测器校正误差。然而，这些方法要么影响正常的脉宽调制信号，要么需要额外的补偿策略，导致电机控制难度增加和整体性能下降。支路电流采样法是基于改变电流传感器安装位置的方法，以消除扇形边界区域的测量死区，而无需引入补偿策略。通过对两个支路电流或一个支路电流和一个相电流的总和进行采样来重构相电流。然而，这种方法很难应用，因为逆变器的硬件结构必须改变。

第二类是不需要额外的电流传感器进行辅助采样。第一种是不使用电流传感器采样的容错控制技术，如无电流环控制和虚拟电流环控制。由于电流采样值不可用，系统只能以速度或位置作为反馈，稳定性差，抗干扰能力差。第二种是在三相电机驱动系统中使用单个相电流传感器采样，包括基于假设和基于模型的方法。基于假设的方法包括假设转矩角恒定或者直接利用参考值重构故障电流，这种方法在暂态过程中估计值不能很好地跟踪实际值。基于电机模型的方法可以避免由假设引起的电流误差，具有良好的动态性能，但需要精确的电机参数。此外，由于电机参数的变化，降低了系统的稳定性和可靠性，并且计算复杂占用，对计算能力要求高。

发明内容

本发明提供一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传感器容错控制方法，解决现有技术中需要精确测得电机参数才能使用模型方法是问题，以及系统运行状态发生不同变化时，电机参数受到影响也随之发生变化，精度也会随之变化。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传感器容错控制方法，所述容错控制方法包括以下步骤：

步骤1：建立五相永磁同步电机动态模型；

步骤2：给出五相两电平逆变器馈电下五相永磁同步电机电流传感器安装位置和不同空间电流的关系；

步骤3：基于步骤的2安装位置和不同空间电流的关系，得到故障相电流的估算值。

进一步的，所述步骤1建立五相永磁同步电机动态模型具体为，

式中u_d1、u_q1为基波空间电压，i_d1、i_q1为基波空间电流；u_d3、u_q3为三次谐波空间电压，i_d3、i_q3为三次谐波空间电流；R_s为定子电阻；L_d1、L_q1为基波电感；L_d3、L_q3为三次谐波电感；L₁₃为基波和三次谐波空间的互感；p为微分算子,ω为转子的电速度，ψ_m1为基波永磁体磁链,ψ_m3为三次谐波永磁体磁链；对于正弦反电势五相永磁同步电机，ψ_m3＝0；对于正弦反电势五相永磁同步电机，ψ_m3≠0。

进一步的，所述步骤2的五相永磁同步电机电流传感器安装位置具体为，所述五相永磁同步电机的每一相分别连接五相控制电路的每一个支路，其中电流传感器设置在i_a、i_b、i_c和/或i_d的导线上；

采用四相电流传感器测量A、B、C和D相电流，根据基尔霍夫电流定律计算E相电流。

进一步的，所述步骤2不同空间电流的关系具体为，由于α₁轴、α₃轴和A相轴线重合；不同参考系之间的电流关系表示如下：

式中，ρ＝2π/5rad，θ为转子位置角。

进一步的，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1：基于步骤的2安装位置和不同空间电流的关系，对于正弦反电势五相永磁同步电机，得到最多两个电流传感器故障下的故障相电流估算值；

步骤3.2：基于步骤的2安装位置和不同空间电流的关系，对于梯形反电势五相永磁同步电机，得到故障相电流的估算值。

进一步的，所述步骤3.1：对于正弦反电势五相永磁同步电机，控制u_d3＝0，u_q3＝0；得到：

化简上式，得到：

提出的电流估计方法基于上式中的相电流关系；通过使用上式中的两个线性无关方程，实现最多两个电流传感器故障下的故障相电流估计。

进一步的，所述步骤3.2：对于梯形反电势五相永磁同步电机，在低速时，直接使用上述电流关系估算故障相电流；

在高速时，利用单电流传感器在故障下抑制三次谐波空间电流的方法，使用上述电流关系估算故障相电流。

进一步的，所述步骤3.2利用单电流传感器在故障下抑制三次谐波空间电流的方法具体为采用偏置轴变换和谐振观测器；

α_3-m-β_3-m参考坐标系是通过逆时针旋转α₃-β₃参考坐标系3mρ角度获得，其中m等于0、1、2和3；α_3-m-β_3-m参考坐标系下的电流可写为：

m＝0,1,2和3时分别得到：

i_α3-m作为谐振观测器的输入；并且表示为下式：

谐振观测器估计出i_d3和i_q3，并作为三次谐波电流环的反馈控制为0；然后利用提出的电流估计方法进行故障电流估计，实现单电流传感器故障下容错控制。

本发明的有益效果是：

本发明具有设计简单、计算量小、不需要电机参数等优点。

本发明的电机参数不用于估算值的计算。因此，电机参数的变化不影响电流估计，导致电流估计误差对电机参数不敏感。

电机参数会随系统运行状态不同发生变化，传统算法的稳定性和可靠性，受到电机参数变化的影响，其精度也会随电机参数变化。

传统基于模型方法必须需要精确测得电机参数才能使用，这就意味着，不同的电机需要完整的测试实验才能应用。

与传统非模型法比，该方法不需要额外硬件辅助，并且基于电机实时状态计算，不需要假设条件，使该方法的动态特性优于现有技术。

附图说明

图1是本发明的电流传感器安装位置示意图。

图2是本发明的α₁轴和A相轴线重合示意图。

图3是本发明的α₃轴和A相轴线重合示意图。

图4是本发明的偏移轴变换示意图。

图5是本发明的谐振观测器的结构示意图。

图6是本发明的正弦反电势五相永磁同步电机稳定转速下电流估计效果图。

图7是本发明的正弦反电势五相永磁同步电机加减速实验下电流估计效果图。

图8是本发明的正弦反电势五相永磁同步电机突加负载下电流估计效果图。

图9是本发明的梯形反电势五相永磁同步电机谐振观测器效果图。

图10是本发明的梯形反电势五相永磁同步电机稳定转速下电流估计效果图。

图11是本发明的梯形反电势五相永磁同步电机加减速实验下电流估计效果图。

图12是本发明的梯形反电势五相永磁同步电机突加负载下电流估计效果图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传感器容错控制方法，所述容错控制方法包括以下步骤：

步骤1：建立五相永磁同步电机动态模型；

步骤2：给出五相两电平逆变器馈电下五相永磁同步电机电流传感器安装位置和不同空间电流的关系；

步骤3：基于步骤的2安装位置和不同空间电流的关系，得到故障相电流的估算值。

进一步的，所述步骤1建立五相永磁同步电机动态模型具体为，

式中u_d1、u_q1为基波空间电压，i_d1、i_q1为基波空间电流；u_d3、u_q3为三次谐波空间电压，i_d3、i_q3为三次谐波空间电流；R_s为定子电阻；L_d1、L_q1为基波电感；L_d3、L_q3为三次谐波电感；L₁₃为基波和三次谐波空间的互感；p为微分算子,ω为转子的电速度，ψ_m1为基波永磁体磁链,ψ_m3为三次谐波永磁体磁链；对于正弦反电势五相永磁同步电机，ψ_m3＝0；对于正弦反电势五相永磁同步电机，ψ_m3≠0。

进一步的，所述步骤2的五相永磁同步电机电流传感器安装位置具体为，所述五相永磁同步电机的每一相分别连接五相控制电路的每一个支路，其中电流传感器设置在i_a、i_b、i_c和/或i_d的导线上；

采用四相电流传感器测量A、B、C和D相电流，根据基尔霍夫电流定律计算E相电流。

进一步的，所述步骤2不同空间电流的关系具体为，根据图2和图3，由于α₁轴、α₃轴和A相轴线重合；不同参考系之间的电流关系表示如下：

式中，ρ＝2π/5rad，θ为转子位置角。

进一步的，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1：基于步骤的2安装位置和不同空间电流的关系，对于正弦反电势五相永磁同步电机，得到最多两个电流传感器故障下的故障相电流估算值；

步骤3.2：基于步骤的2安装位置和不同空间电流的关系，对于梯形反电势五相永磁同步电机，得到故障相电流的估算值。

进一步的，所述步骤3.1：对于正弦反电势五相永磁同步电机，控制u_d3＝0，u_q3＝0；得到：

化简上式，得到：

提出的电流估计方法基于上式中的相电流关系；通过使用上式中的两个线性无关方程，可以实现最多两个电流传感器故障下的故障相电流估计。

以A相和B相电流传感器故障为例，A相和B相电流的估计值如下：

将故障相电流替换为估计值。这样，仅使用两个电流传感器即可计算α₁和β₁轴电流，用作电流控制器反馈，如下所示：

上式也可用于单个电流传感器故障下电流估计。

进一步的，所述步骤3.2：对于梯形反电势五相永磁同步电机，在低速时，直接使用上述电流关系估算故障相电流；

在高速时，利用单电流传感器在故障下抑制三次谐波空间电流的方法，使用上述电流关系估算故障相电流。

进一步的，所述步骤3.2利用单电流传感器在故障下抑制三次谐波空间电流的方法具体为采用偏置轴变换和谐振观测器；

偏移轴变换如图4所示，α_3-m-β_3-m参考坐标系是通过逆时针旋转α₃-β₃参考坐标系3mρ角度获得，其中m等于0、1、2和3；α_3-m-β_3-m参考坐标系下的电流可写为：

m＝0,1,2和3时分别得到：

i_α3-m作为谐振观测器的输入；谐振观测器的结构如图5，并且表示为下式：

谐振观测器估计出i_d3和i_q3，并作为三次谐波电流环的反馈控制为0；然后利用提出的电流估计方法进行故障电流估计，实现单电流传感器故障下容错控制。

在电流传感器故障的情况下，将空间三次谐波空间电流控制为0。同时，根据三次谐波空间电机模型的特性得到相电流之间的关系，用于故障相的电流估计。对于两种类型的电机：正弦反电势五相永磁同步电机和梯形反电势五相永磁同步电机，分别提出故障电流估计方法和容错控制策略。

Claims (6)

1.一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传感器容错控制方法，其特征在于，所述容错控制方法包括以下步骤：

步骤1：建立五相永磁同步电机动态模型；

步骤2：给出五相两电平逆变器馈电下五相永磁同步电机电流传感器安装位置和不同空间电流的关系；

步骤3：基于步骤的2安装位置和不同空间电流的关系，得到故障相电流的估算值；

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1：基于步骤的2安装位置和不同空间电流的关系，对于正弦反电势五相永磁同步电机，得到最多两个电流传感器故障下的故障相电流估算值；

步骤3.2：基于步骤的2安装位置和不同空间电流的关系，对于梯形反电势五相永磁同步电机，得到故障相电流的估算值；

所述步骤3.1：对于正弦反电势五相永磁同步电机，控制u_d3＝0，u_q3＝0；得到：

化简上式，得到：

提出的电流估计方法基于上式中的相电流关系；通过使用上式中的两个线性无关方程，实现最多两个电流传感器故障下的故障相电流估计。

2.根据权利要求1所述一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传感器容错控制方法，其特征在于，所述步骤1建立五相永磁同步电机动态模型具体为，

式中u_d1、u_q1为基波空间电压，i_d1、i_q1为基波空间电流；u_d3、u_q3为三次谐波空间电压，i_d3、i_q3为三次谐波空间电流；R_s为定子电阻；L_d1、L_q1为基波电感；L_d3、L_q3为三次谐波电感；L₁₃为基波和三次谐波空间的互感；p为微分算子，ω为转子的电速度，ψ_m1为基波永磁体磁链，ψ_m3为三次谐波永磁体磁链；对于正弦反电势五相永磁同步电机，ψ_m3＝0；对于梯形反电势五相永磁同步电机，ψ_m3≠0。

3.根据权利要求2所述一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传感器容错控制方法，其特征在于，所述步骤2的五相永磁同步电机电流传感器安装位置具体为，所述五相永磁同步电机的每一相分别连接五相控制电路的每一个支路，其中电流传感器设置在i_a、i_b、i_c和i_d的导线上；

采用四相电流传感器测量A、B、C和D相电流，根据基尔霍夫电流定律计算E相电流。

4.根据权利要求2所述一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传感器容错控制方法，其特征在于，所述步骤2不同空间电流的关系具体为，由于α₁轴、α₃轴和A相轴线重合；不同参考系之间的电流关系表示如下：

式中，ρ＝2π/5rad，θ为转子位置角，i_α1和i_β1为基波空间两相静止坐标系电流，i_α3和i_β3为三次谐波空间两相静止坐标系电流，i_a、i_b、i_c、i_d和i_e均为电机相电流。

5.根据权利要求4所述一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传感器容错控制方法，其特征在于，所述步骤3.2：对于梯形反电势五相永磁同步电机，在低速时，直接使用上述电流关系估算故障相电流；

在高速时，利用单电流传感器在故障下抑制三次谐波空间电流的方法，使用上述电流关系估算故障相电流。

6.根据权利要求5所述一种基于三次谐波空间电机模型的五相永磁同步电机电流传感器容错控制方法，其特征在于，所述步骤3.2利用单电流传感器在故障下抑制三次谐波空间电流的方法具体为采用偏置轴变换和谐振观测器；

α_3-m-β_3-m参考坐标系是通过逆时针旋转α₃-β₃参考坐标系3mρ角度获得，其中m等于0、1、2和3；α_3-m-β_3-m参考坐标系下的电流可写为：

m＝0，1，2和3时分别得到：

i_α3-m作为谐振观测器的输入；并且表示为下式：

谐振观测器估计出i_d3和i_q3，并作为三次谐波电流环的反馈控制为0；然后利用提出的电流估计方法进行故障电流估计，实现单电流传感器故障下容错控制。

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