CN114448325A - 一种永磁同步电机开路故障容错控制方法 - Google Patents

一种永磁同步电机开路故障容错控制方法 Download PDF

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杭俊
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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机开路故障容错控制方法，属于永磁同步电机故障控制技术领域，具体方法包括：步骤一：实时采集永磁同步电机的开路信号，当获取到永磁同步电机的开路信号时，利用转速PI调节器获得交轴电流参考值iq；步骤二：根据磁动势不变原理，获取故障状态下剩余相电流与交直轴电流的关系；步骤三：以定子绕组铜损耗最小为约束条件，获得直轴电流参考值与交轴电流参考值的关系；步骤四：获取开关信号，根据获得的开关信号控制逆变器；本发明能使电机在发生定子绕组开路故障时能稳定运行，并且使得电机的铜损耗减小；而且计算量小、易于实现，是一种能够有效提高永磁同步电机安全性和可靠性的控制方法。

Description

一种永磁同步电机开路故障容错控制方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机故障控制技术领域，具体是一种永磁同步电机开路故障容错控制方法。
背景技术
永磁同步电机具有结构简单、体积小、质量轻、运行可靠等优点。普遍应用于航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。电机的广泛使用对电机的稳定运行就有了较高要求，需要电机具备能够在故障状态下能继续稳定运行的能力，即在电机发生某种故障时，能通过系统内部调整，来保持电机稳定运行。电机定子绕组开路是常见的故障之一，在定子绕组开路故障发生的情况下，将会导致电机转矩脉动增大，电机铜耗会增大，严重影响电机的性能。因此，需要采取一定的措施来进行容错控制以及降低铜损耗，从而维持电机的稳定运行。就目前而言，最常见采用的逆变器容错拓扑，并结合一定的容错控制策略使得永磁同步电机在发生单相开路故障的情况下仍能稳定运行。但是还未见有文献报道针对在定子绕组开路故障稳定运行的同时使得电机铜损耗最小。
因此，针对定子绕组开路故障，本发明提出了一种永磁同步电机开路故障容错控制方法，使电机在定子绕组开路故障稳定运行的同时使得电机的铜损耗减小，进而防止电机热度过高破坏永磁同步电机。
发明内容
为了解决上述方案存在的问题，本发明提供了一种永磁同步电机开路故障容错控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种永磁同步电机开路故障容错控制方法，具体方法包括：
步骤一：实时采集永磁同步电机的开路信号，当获取到永磁同步电机的开路信号时，利用转速PI调节器获得交轴电流参考值iq；
步骤二：根据磁动势不变原理，获取故障状态下剩余相电流与交直轴电流的关系；
步骤三：以定子绕组铜损耗最小为约束条件，获得直轴电流参考值与交轴电流参考值的关系；
步骤四：获取开关信号，根据获得的开关信号控制逆变器。
进一步地，步骤一中利用转速PI调节器获得交轴电流参考值iq的方法包括：
获取永磁同步电机的转速参考值ω*与实际转速ω，计算转速参考值ω*与实际转速ω之间的差值en，将en输入到转速PI控制器中，根据公式
Figure BDA0003511279720000021
获得交轴电流参考值iq；
式中：Kp和Ki分别为转速PI调节器的比例增益和积分增益，将上述公式标记第一公式。
进一步地，步骤二中获取故障状态下剩余相电流与交直轴电流的关系的方法包括：
当永磁同步电机正常运行时，由两相静止坐标系变换到三相静止坐标系的电流方程为：
Figure BDA0003511279720000022
将上述公式标记第二公式；
获取定子绕组开路故障发生的a相，保证永磁同步电机内的旋转磁场不变，永磁同步电机定子绕组的电流方程在abc坐标系下表示为：
ia'＝0
Figure BDA0003511279720000031
Figure BDA0003511279720000032
将上述公式标记为第三公式；
将两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系，则对应的电流方程为：
Figure BDA0003511279720000033
将上述公式标记为第四公式；
将第四公式代入第三公式中，获得故障状态下的容错电流方程为：
ia'＝0
Figure BDA0003511279720000034
Figure BDA0003511279720000035
将上述公式标记为第五公式。
进一步地，第二公式中：ia、ib和ic为定子电流，iα、iβ和i0为αβ坐标系下定子电流和零序电流；第三公式中：ia',ib'和ic'为三相定子电流；第四公式中：id、iq为dq坐标系下定子电流。
进一步地，步骤三中获得直轴电流参考值与交轴电流参考值的关系的方法包括：
获取永磁同步电机在故障情况下的铜损耗P的表达式：
P＝(ib 2+ic 2)×Rs
将上述公式标记为第六公式；
将第五公式代入到第六公式中，获得公式：
Figure BDA0003511279720000041
将上述公式标记为第七公式；
通过第七公式获得：当dP/did＝0时，永磁同步电机在定子绕组开路故障情况下的铜损耗P最小；
计算最小铜损耗控制时，id的参考值为：
Figure BDA0003511279720000042
将上述公式标记为第八公式。
进一步地，步骤四中获取开关信号的方法包括：
通过修正的变换矩阵得到三相永磁同步电机两相电流的参考值，获取三相永磁同步电机两相电流的实测值，将获得的参考值与实测值进行比较，再将比较结果输入到滞环比较器中，获得开关信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能使电机在发生定子绕组开路故障时能稳定运行，并且使得电机的铜损耗减小；而且计算量小、易于实现，是一种能够有效提高永磁同步电机安全性和可靠性的控制方法；解决现有的永磁同步电机中定子绕组开路故障的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明方法流程图；
图2为本发明永磁同步电机定子绕组开路故障容错控制框图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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。
如图1至图2所示，一种永磁同步电机开路故障容错控制方法，具体方法包括：
步骤一：实时采集永磁同步电机的开路信号，当获取到永磁同步电机的开路信号时，利用转速PI调节器获得交轴电流参考值iq；
利用转速PI调节器获得交轴电流参考值iq的方法包括：
获取永磁同步电机的转速参考值ω*与实际转速ω，计算转速参考值ω*与实际转速ω之间的差值en，将en输入到转速PI控制器中，根据公式
Figure BDA0003511279720000051
获得交轴电流参考值iq；
式中：Kp和Ki分别为转速PI调节器的比例增益和积分增益，将上述公式标记第一公式。
步骤二：根据磁动势不变原理，获取故障状态下剩余相电流与交直轴电流的关系；
获取故障状态下剩余相电流与交直轴电流的关系的方法包括：
当永磁同步电机正常运行时，由两相静止坐标系变换到三相静止坐标系的电流方程为：
Figure BDA0003511279720000052
式中：ia、ib和ic为定子电流，iα、iβ和i0为αβ坐标系下定子电流和零序电流；将上述公式标记第二公式；
获取定子绕组开路故障发生的a相，即为将定子绕组开路故障发生的相标记为a相；要保证永磁同步电机内的旋转磁场不变，那么永磁同步电机定子绕组的电流方程在abc坐标系下表示为：
ia'＝0
Figure BDA0003511279720000061
Figure BDA0003511279720000062
式中：ia',ib'和ic'为三相定子电流；将上述公式标记为第三公式；
将两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系，则对应的电流方程为：
Figure BDA0003511279720000063
式中：id、iq为dq坐标系下定子电流；将上述公式标记为第四公式；
将第四公式代入第三公式中，获得故障状态下的容错电流方程为：
ia'＝0
Figure BDA0003511279720000064
Figure BDA0003511279720000065
将上述公式标记为第五公式。
步骤三：以定子绕组铜损耗最小为约束条件，获得直轴电流参考值与交轴电流参考值的关系；
获得直轴电流参考值与交轴电流参考值的关系的方法包括：
获取永磁同步电机在故障情况下的铜损耗P的表达式：
P＝(ib 2+ic 2)×Rs
将上述公式标记为第六公式；
将第五公式代入到第六公式中，获得公式：
Figure BDA0003511279720000071
将上述公式标记为第七公式；
通过第七公式可以获得：当dP/did＝0时，永磁同步电机在定子绕组开路故障情况下的铜损耗P最小；
计算最小铜损耗控制时，id的参考值为：
Figure BDA0003511279720000072
将上述公式标记为第八公式；根据第八公式所得到的就是使可控损耗最小的直轴电流，可以看出，id与iq密切相关；因此，在控制系统中可以通过iq的值实时地调整id的大小。
步骤四：通过修正的变换矩阵得到三相永磁同步电机两相电流的参考值，获取三相永磁同步电机两相电流的实测值，将获得的参考值与实测值进行比较，再将比较结果输入到滞环比较器中，获得开关信号，根据获得的开关信号控制逆变器，进而实现永磁同步电机控制。
将获得的参考值与实测值进行比较采用的矩阵减法进行比较的。
本方法能使电机在发生定子绕组开路故障时能稳定运行，并且使得电机的铜损耗减小；而且计算量小、易于实现，是一种能够有效提高永磁同步电机安全性和可靠性的控制方法。
上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
本发明的工作原理：实时采集永磁同步电机的开路信号，当获取到永磁同步电机的开路信号时，获取永磁同步电机的转速参考值ω*与实际转速ω，计算转速参考值ω*与实际转速ω之间的差值en，将en输入到转速PI控制器中，根据公式
Figure BDA0003511279720000081
获得交轴电流参考值iq；根据磁动势不变原理，获取故障状态下剩余相电流与交直轴电流的关系，当永磁同步电机正常运行时，由两相静止坐标系变换到三相静止坐标系，获得第二公式；获取定子绕组开路故障发生的a相，要保证永磁同步电机内的旋转磁场不变，那么永磁同步电机定子绕组的电流方程在abc坐标系下表示为第三公式；将两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系，获得第四公式，将第四公式代入第三公式中，获得故障状态下的容错电流方程，即为第五公式；
以定子绕组铜损耗最小为约束条件，获得直轴电流参考值与交轴电流参考值的关系；获取永磁同步电机在故障情况下的铜损耗P的表达式，即为第六公式，将第五公式代入到第六公式中，获得第七公式，通过第七公式可以获得：当dP/did＝0时，永磁同步电机在定子绕组开路故障情况下的铜损耗P最小；计算最小铜损耗控制时，id的参考值为
Figure BDA0003511279720000082
根据第八公式所得到的就是使可控损耗最小的直轴电流，可以看出，id与iq密切相关；因此，在控制系统中可以通过iq的值实时地调整id的大小，通过修正的变换矩阵得到三相永磁同步电机两相电流的参考值，获取三相永磁同步电机两相电流的实测值，将获得的参考值与实测值进行比较，再将比较结果输入到滞环比较器中，获得开关信号，根据获得的开关信号控制逆变器，进而实现永磁同步电机控制。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机开路故障容错控制方法，其特征在于，具体方法包括：
步骤一：实时采集永磁同步电机的开路信号，当获取到永磁同步电机的开路信号时，利用转速PI调节器获得交轴电流参考值iq；
步骤二：根据磁动势不变原理，获取故障状态下剩余相电流与交直轴电流的关系；
步骤三：以定子绕组铜损耗最小为约束条件，获得直轴电流参考值与交轴电流参考值的关系；
步骤四：获取开关信号，根据获得的开关信号控制逆变器。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机开路故障容错控制方法，其特征在于，步骤一中利用转速PI调节器获得交轴电流参考值iq的方法包括：
获取永磁同步电机的转速参考值ω*与实际转速ω，计算转速参考值ω*与实际转速ω之间的差值en，将en输入到转速PI控制器中，根据公式
Figure FDA0003511279710000011
获得交轴电流参考值iq；
式中：Kp和Ki分别为转速PI调节器的比例增益和积分增益，将上述公式标记第一公式。
3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机开路故障容错控制方法，其特征在于，步骤二中获取故障状态下剩余相电流与交直轴电流的关系的方法包括：
当永磁同步电机正常运行时，由两相静止坐标系变换到三相静止坐标系的电流方程为：
Figure FDA0003511279710000021
将上述公式标记第二公式；
获取定子绕组开路故障发生的a相，保证永磁同步电机内的旋转磁场不变，永磁同步电机定子绕组的电流方程在abc坐标系下表示为：
ia′＝0
Figure FDA0003511279710000022
Figure FDA0003511279710000023
将上述公式标记为第三公式；
将两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系，则对应的电流方程为：
Figure FDA0003511279710000024
将上述公式标记为第四公式；
将第四公式代入第三公式中，获得故障状态下的容错电流方程为：
ia′＝0
Figure FDA0003511279710000025
Figure FDA0003511279710000026
将上述公式标记为第五公式。
4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机开路故障容错控制方法，其特征在于，第二公式中：ia、ib和ic为定子电流，iα、iβ和i0为αβ坐标系下定子电流和零序电流；第三公式中：ia',ib'和ic'为三相定子电流；第四公式中：id、iq为dq坐标系下定子电流。
5.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机开路故障容错控制方法，其特征在于，步骤三中获得直轴电流参考值与交轴电流参考值的关系的方法包括：
获取永磁同步电机在故障情况下的铜损耗P的表达式：
P＝(ib 2+ic 2)×Rs
将上述公式标记为第六公式；
将第五公式代入到第六公式中，获得公式：
Figure FDA0003511279710000031
将上述公式标记为第七公式；
通过第七公式获得：当dP/did＝0时，永磁同步电机在定子绕组开路故障情况下的铜损耗P最小；
计算最小铜损耗控制时，id的参考值为：
Figure FDA0003511279710000032
将上述公式标记为第八公式。
6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机开路故障容错控制方法，其特征在于，步骤四中获取开关信号的方法包括：
通过修正的变换矩阵得到三相永磁同步电机两相电流的参考值，获取三相永磁同步电机两相电流的实测值，将获得的参考值与实测值进行比较，再将比较结果输入到滞环比较器中，获得开关信号。
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