CN114696716A - 六相永磁同步电机的容错操作装置 - Google Patents

六相永磁同步电机的容错操作装置 Download PDF

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Abstract

本发明的六相永磁同步电机的容错操作装置包括：六相永磁同步电机，包括第一线圈组和第二线圈组非对称构成；第一逆变器；第二逆变器；DQ转换器，对从上述第一线圈组检测到的各相电流、从上述第二线圈组检测到的各相电流及上述六相永磁同步电机的旋转角进行DQ转换来转换为D1‑Q1轴坐标系的电流和D2‑Q2轴坐标系的电流；转矩电流控制部，根据转矩指令生成D1‑Q1轴电流指令，接收上述D1‑Q1轴坐标系的电流的反馈来控制上述第一逆变器及上述第二逆变器的运行；以及负载分配比例控制部，根据D2‑Q2轴电流指令控制上述第一逆变器及上述第二逆变器的分配比例。

Description

六相永磁同步电机的容错操作装置
技术领域
本发明涉及如下的六相永磁同步电机的容错操作装置：将两个三相线圈非对称配置的六相永磁同步电机建模成一个电机，通过进行解耦向量空间分解控制(DecoupledVector Space Decomposition Control)来消除两个三相线圈的相互干扰分量，以根据逆变器故障诊断结果调整逆变器负载分配比例的方式进行控制，无需额外的硬件组件也可执行容错操作。
背景技术
通常，通过使用电机来牵引电动车。通常使用三相电机，为了增加电机的牵引力，正在研究采用组合两个三相线圈的六相电机或六相以上的多相电机。
在韩国专利公开第10-2017-0037974号“多相电机、驱动器及控制”提出了设置有连接到单独的逆变器电源电路的组成相位的多相同步电机。在该现有文献中，设置有控制每个三相电机的逆变器，并进行如下的容错操作，即，当在任一个电机发生故障时，控制另一个电机以产生补偿转矩。
但是，在上述现有技术中，在星形配置的电机和三角配置的电机之间形成相互补偿转矩，提出了如下的方案，即，当在任一个三相电机发生故障时，切换电磁接触器来将另一个(或者另两个)三相电机连线从星形方式切换为三角方式，但这种切换方式的控制稳定性很差。即，在补偿转矩形成过程中，电机的输出可发生较大的变化。进而，上述现有技术为局限在感应电机来使用的方式，并不适用于控制同步电机。
另外，永磁同步电机为如下的高效率电机，即，与感应电机相比，通过永磁建立了磁通量，因此无需励磁电流，由于电流并不流过转子，并不发生二次铜损，主要应用于最近的电动汽车。并且，当组合两个三相永磁同步电机来以六相驱动时，具有如下的优点：减少各相的电流大小，能够以小型制造用于控制电机的半导体器件等，能够以小的电流发挥高转矩特性。
图1为例示通常的对称六相电机的线圈结构的图，图2为例示通常的非对称六相电机的线圈结构的图。如图1，在电机的各相具有60度的均匀相位差的对称型中，具有容易控制的优点，但具有发生以6次谐波脉动的转矩脉动的问题。为防止上述情况的发生，如图2，若设计为非对称六相电机线圈结构，则具有抵消6次谐波引起的转矩脉动的优点。
但是，在将六相电机建模成两个三相电机并单独控制的情况下，在两个电机的多个线圈之间容易发生相互干扰分量。为了解决上述问题，在将两个电机建模成一个电机的情况下，可发生转矩分量加载在一侧线圈的问题，当在任一个三相线圈发生故障时，具有难以迅速切换为容错操作的问题。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：韩国专利公开第10-2017-0037974号
发明内容
(发明所要解决的问题)
本发明的目的在于，提供如下的新方式的六相永磁同步电机的容错操作装置：将两个三相线圈非对称配置的六相永磁同步电机建模为一个电机，进行解耦向量空间分解控制，但分离用于转矩-电流控制的D1-Q1轴控制和用于调整负载分配比例的D2-Q2轴控制来执行，由此可抑制两个三相线圈组之间的相互干扰现象，当在任一个逆变器发生故障时，可连续操作电机。
(解决问题所采用的措施)
本发明一实施例的六相永磁同步电机的容错操作装置包括：六相永磁同步电机，包括由a相、b相、c相的三相线圈构成的第一线圈组以及由x相、y相、z相的三相线圈构成的第二线圈组，第一线圈组和第二线圈组非对称构成；第一逆变器，用于控制上述第一线圈组的运行；第二逆变器，用于控制上述第二线圈组的运行；DQ转换器，对从上述第一线圈组检测到的各相电流ia、ib、ic、从上述第二线圈组检测到的各相电流ix、iy、iz及上述六相永磁同步电机的旋转角θr进行DQ转换来转换为D1-Q1轴坐标系的电流iD1、iQ1和D2-Q2轴坐标系的电流iD2、iQ2；转矩电流控制部，根据转矩指令Te *生成D1-Q1轴电流指令iD1 *、iQ1 *，接收上述D1-Q1轴坐标系的电流iD1、iQ1的反馈来控制上述第一逆变器及上述第二逆变器的运行；以及负载分配比例控制部，根据D2-Q2轴电流指令iD2 *、iQ2 *控制上述第一逆变器及上述第二逆变器的分配比例，上述D2-Q2轴电流指令iD2 *、iQ2 *根据上述第一逆变器及上述第二逆变器的故障诊断结果生成。
(发明的效果)
根据本发明的六相永磁同步电机的容错操作装置，具有如下的效果：将两个三相线圈非对称配置的六相永磁同步电机建模成一个电机，执行分离用于转矩-电流控制的D1-Q1轴控制和用于调整负载分配比例的D2-Q2轴控制的解耦向量空间分解控制，可通过D1-Q1轴控制抑制两个三相线圈组之间的相互干扰现象，通过D2-Q2轴控制调整负载分配比例，当在任一个逆变器发生故障时，无需额外的转换组件，也可使剩余一个逆变器以100％的分配比例迅速转换运行。
附图说明
图1为例示通常的对称六相电机的线圈结构的图。
图2为例示通常的非对称六相电机的线圈结构的图。
图3为例示本发明的六相永磁同步电机的容错操作装置的框图。
图4为示意性示出本发明中的通过D1-Q1轴控制执行转矩-电流控制的图。
图5为示意性示出本发明中的通过D2-Q2轴控制执行负载分配比例控制的图。
图6为示出本发明中的将第一逆变器的负载分配比例控制为100％的例的图。
图7为示出本发明中的将第二逆变器的负载分配比例控制为100％的例的图。
图8为测定本发明中的第二逆变器发生故障时的第一逆变器操作转换为100％的负载分配比例的过程的波形图。
(附图标记的说明)
100：转矩电流控制部 110：转矩指令部
120：第一减法器 130：第二减法器
140：第一电流控制部 150：第二电流控制部
200：负载分配比例控制部 210：故障诊断操作控制部
220：第一逆变器负载分配比例调整部
230：第二逆变器负载分配比例调整部
240：第三减法器 250：第四减法器
260：第三电流控制部 270：第四电流控制部
310：解耦向量空间分解部 320：DQ逆转换器
330：第一脉冲宽度调制信号输出部
340：第二脉冲宽度调制信号输出部
350：第一逆变器 360：第二逆变器
370：DQ转换器
具体实施方式
参照以下的说明及附图，可更加明确理解本发明的附加目的、特征及优点。
在详细说明本发明之前，本发明可谋求各种改变，并且可具有各种实施例，在以下说明并且在附图示出的示例并不是要将本发明限定于特定的实施形态，而是应该理解为包括在本发明的思想及技术范围内包括的所有改变、同等物乃至代替物。
在说明某一构件“连接”或者“接触”于另一构件时，可以是直接连接或者接触于其另一构件，但是也应该理解为中间也可存在其他构件。相反，在说明某一构件“直接连接”或者“直接接触”于另一构件时，应该理解为中间不存在其他构件。
在本说明书中使用的用语只是为了说明特定的实施例而使用的，并没有要限定本发明的意图。针对单数的表述，除非在文章中有明确定义，否则包括复数的表述。在本说明书中，针对“包括”或者“具有”等的用语，应该理解为只是要指定在说明书上记载的特征、数字、步骤、动作、构件、零部件或者这些的组合的存在，并不提前排出一个或者一个以上的其他特征、数字、步骤、动作、构件、零部件或者这些的组合的存在或者附加可能性。
另外，在说明书记载的“…部”、“…单元”、“…模块”等的用语是指处理至少一个功能或者动作的单位，这可通过硬件、软件或者硬件和软件的组合实现。
另外，在参照附图的说明中，不论附图标记，针对相同的构件赋予相同的参照附图标记，据此省略重复的说明。在对本发明的说明中，若判断针对相关公知技术的说明使本发明不清楚的情况下，将省略其详细说明。
另外，在本原说明书全文中，在某一步骤在另一步骤“上”或者“之前”时，这不仅是某一步骤和另一步骤具有直接的时间序列关系的情况，还包括在两个步骤的顺序上可颠倒时间序列顺序的间接时间序列的情况(诸如，各个步骤之后的混合的步骤)，并且两者具有相同的权利范围。
以下，参照附图说明本发明的具体实施例。但是，这并不将本发明限定于特定实施方式，应理解的是，包含本发明的思想及技术范围内的所有变更、等同技术方案、代替技术方案。
图3为例示本发明的六相永磁同步电机的容错操作装置的框图。
参照图3，本发明的六相永磁同步电机的容错操作装置由转矩电流控制部100、负载分配比例控制部200、解耦向量空间分解部310、DQ逆转换器320、第一脉冲宽度调制信号输出部330、第二脉冲宽度调制信号输出部340、第一逆变器350、第二逆变器360以及DQ转换器370构成。转矩电流控制部100由转矩指令部110、第一减法器120、第二减法器130、第一电流控制部140以及第二电流控制部150构成。负载分配比例控制部200由故障诊断操作控制部210、第一逆变器负载分配比例调整部220、第二逆变器负载分配比例调整部230、第三减法器240、第四减法器250、第三电流控制部260以及第四电流控制部270构成。
首先，本发明的容错操作装置应用于如图2所例示的非对称六相电机。相对于由a相、b相、c相的三相线圈构成的第一线圈组，由x相、y相、z相的三相线圈构成的第二线圈组非对称构成，由此可抵消以6次谐波脉动的转矩脉动。
在本发明中，a相、b相、c相的第一线圈组被第一逆变器350单独控制，x相、y相、z相的第二线圈组被第二逆变器360单独控制。但是，将第一线圈组和第二线圈组建模成一个电机来分析。
转矩电流控制部100通过D1-Q1轴控制执行对于一个电机模型的转矩-电流控制。如图4中所例示，D1-Q1轴分别表示a相、b相、c相的三相和x相、y相、z相的三相分量之和，在本发明中，利用D1-Q1轴执行六相电机的向量控制。转矩电流控制部100在规定转矩区域内通过电压控制执行控制电流及转矩的最大转矩电流比(MTPA，Maximum Torque PerAmpere)控制，当施加电压达到极限时，执行通过逐渐降低磁通量来增加电流的弱磁控制(FWC，Field Weakening Control)，以实现更高的速度。
负载分配比例控制部200通过D2-Q2轴控制调整第一逆变器350和第二逆变器360的负载分配比例。如图5所例示，D2-Q2轴分别表示a相、b相、c相的三相与x相、y相、z相的三相分量之差。例如，当a相、b相、c相的三相与x相、y相、z相的三相处于平衡状态时，D2轴与Q2轴的大小为零(zero)。在本发明中，利用这种性质来控制负载分配比例。
参照图3，DQ转换器370是为了本发明的D1-Q1轴控制及D2-Q2轴控制而将六相电机的两个三相线圈中检测到的电流值转换为D1-Q1轴坐标系和D2-Q2轴坐标系电流的单元。DQ转换器370通过下述公式1对从第一线圈组检测到的各相电流ia、ib、ic、从第二线圈组检测到的各相电流ix、iy、iz及六相永磁同步电机的旋转角θr进行DQ转换，由此建模D1-Q1轴坐标系的电流iD1、iQ1和D2-Q2轴坐标系的电流iD2、iQ2。
公式1：
Figure BDA0003303518740000051
其中，iD1为D1轴电流，iQ1为Q1轴电流，iD2为D2轴电流，iQ2为Q2轴电流，θr为六相永磁同步电机的实际旋转角，ia为a相电流，ib为b相电流，ic为c相电流，ix为x相电流，iy为y相电流，iz为z相电流。
转矩指令部110根据转矩指令Te *生成D1轴电流指令iD1 *和Q1轴电流指令iQ1 *。第一减法器120计算D1轴电流指令iD1 *与从DQ转换器370反馈的D1轴电流iD1之间的差值，第一电流控制部140对指令和DQ转换的实际测量的电流的差异进行比例积分来生成D1轴电压指令uD1 *。第二减法器130计算Q1轴电流指令iQ1 *与从DQ转换器370反馈的Q1轴电流iQ1之间的差值，第二电流控制部150对指令与DQ转换的实际测量的电流的差异进行比例积分来生成Q1轴电压指令uQ1 *。
第一逆变器负载分配比例调整部220将Q1轴电流iQ1与正负载分配常数CLR相乘来生成D2轴电流指令iD2 *。第二逆变器负载分配比例调整部230将D1轴电流iD1与负负载分配常数-CLR相乘来生成Q2轴电流指令iQ2 *。其中，负载分配常数CLR为下述公式2的范围内的常数，可由从额外的操作控制部接收的信号确定。并且，在本发明中，故障诊断操作控制部210可确定负载分配常数CLR。
公式2：-1≤CLR≤1
第三减法器240计算D2轴电流指令iD2 *与从DQ转换器370反馈的D2轴电流iD2之间的差值，第三电流控制部260对指令与DQ转换的实际测量的电流的差异进行比例积分来生成D2轴电压指令uD2 *。第四减法器250计算Q2轴电流指令iQ2 *与从DQ转换器370反馈的Q2轴电流iQ2之间的差值，第四电流控制部270对指令与DQ转换的实际测量的电流的差异进行比例积分来生成Q2轴电压指令uQ2 *。
在本发明中，D2-Q2轴同步坐标系的电流指令由下述公式3确定。
公式3：
Figure BDA0003303518740000061
在上述公式3中，当负载分配常数CLR为1以下的正数时，D2轴电流指令iD2 *成为与Q1轴电流iQ1成比的值，Q2轴电流指令iQ2 *成为与D1轴电流iD1成反比的值。若负载分配常数CLR为1，则D2轴电流指令iD2 *与Q1轴电流iQ1相同，Q2轴电流指令iQ2 *与D1轴电流iD1的负数相同。即，当负载分配常数CLR为1以下的正数时，意味着控制a相、b相、c相的三相线圈的第一逆变器350的分配比例高，当负载分配常数CLR为1时，意味着向第一逆变器350分配100％的负载。相反，当负载分配常数CLR为-1以上的负数时，意味着第二逆变器360的分配比例高，当负载分配常数CLR为-1时，意味着向第二逆变器360分配100％的负载。若负载分配常数CLR为零，则意味着D2轴电流指令iD2 *与Q2轴电流指令iQ2 *均消失，原样输入反馈电流，向两个逆变器分别分配50％的负载。
即，第一逆变器350的负载分配比例可由“(CLR+1)/2”表示，第二逆变器360的负载分配比例可由“(-CLR+1)/2”表示。在本发明中，将负载分配常数CLR设置为-1至1之间的值，可通过执行D2-Q2轴控制来调整第一逆变器350与第二逆变器360的负载分配比例。
其中，假设第一逆变器350或第二逆变器中的任一个发生故障而不可运行。当第二逆变器360不可运行时，故障诊断操作控制部210将负载分配常数CLR设置为1。如图6，D2轴电流指令iD2 *与Q1轴电流iQ1相同，Q2轴电流指令iQ2 *与D1轴电流iD1的负数相同，第一逆变器350以100％的负载分配比例运行。相反，当第一逆变器350不可运行时，故障诊断操作控制部210将负载分配常数CLR设置为-1。如图7，D2轴电流指令iD2 *与Q1轴电流iQ1的负数相同，Q2轴电流指令iQ2 *与D1轴电流iD1相同，第二逆变器360以100％的负载分配比例运行。
再次参照图3，解耦向量空间分解部310接收从转矩电流控制部100输出的转矩-电流控制指令，即，D1-Q1轴电压指令uD1 *、uQ1 *和从负载分配比例控制部200输出的负载分配控制指令，即，D2-Q2轴电压指令uD2 *、uQ2 *，根据在六相永磁同步电机中检测到的实际旋转速度ωr输出D1-Q1轴控制电压uD1、uQ1和D2-Q2轴控制电压uD2、uQ2。
DQ逆转换器320将D1-Q1轴控制电压uD1、uQ1和D2-Q2轴控制电压uD2、uQ2逆转换为第一逆变器控制电压uabc和第二逆变器控制电压uxyz。第一脉冲宽度调制信号输出部330根据第一逆变器控制电压uabc生成用于控制第一线圈组的空间向量的第一脉冲宽度调制信号并供给至第一逆变器350，第二脉冲宽度调制信号输出部340根据第二逆变器控制电压uxyz生成用于控制第二线圈组的空间向量的第二脉冲宽度调制信号并供给至第二逆变器360。
图8为测定本发明中的第二逆变器发生故障时的第一逆变器操作切换为100％的负载分配比例的过程的波形图。
如图所示，六相电机开始启动后0.5秒为止，第一逆变器350和第二逆变器360分别以50％的负载分配比例运行。0.5秒为止，观察到的第一线圈组的a相、b相、c相电流和第二线圈组的x相、y相、z相电流的大小均相同。假设在0.5秒时第二逆变器360发生故障，故障诊断操作控制部210将负载分配常数CLR变更设置为1。第二逆变器360立即停止工作，第二线圈组中的电流下降到零，相反，第一逆变器350切换为100％的分配比例，第一线圈组中的电流大小几乎增加至2倍。
如图8的左侧曲线图，通过D1-Q1轴控制执行转矩-电流控制，可确认在0.5秒至1秒之间的时间点从最大转矩电流比控制切换为弱磁控制，与其相应地，第一线圈组中的电流大小也减少。负载转矩保持与转矩指令相似的水平，即使改变负载分配比例，也未观察到发生转矩脉动的点。
在本说明书中说明的实施例和附图仅是示例说明本发明所包括的技术思想的一部分。据此，在本说明书公开的实施例并不是用于限定本发明的技术思想，而是用于说明的，不得由这种实施例限定本发明的技术思想的范围，并且这是显而易见的。在本发明的说明书及附图中所包括的技术思想的范围内可被本领域技术人员容易推断出的所有变形示例和具体实施例应被解释为全部包括在本发明的权利范围内。

Claims (7)

1.一种六相永磁同步电机的容错操作装置，其特征在于，包括：
六相永磁同步电机，包括由a相、b相、c相的三相线圈构成的第一线圈组以及由x相、y相、z相的三相线圈构成的第二线圈组，第一线圈组和第二线圈组非对称构成；
第一逆变器，用于控制上述第一线圈组的运行；
第二逆变器，用于控制上述第二线圈组的运行；
DQ转换器，对从上述第一线圈组检测到的各相电流(ia、ib、ic)、从上述第二线圈组检测到的各相电流(ix、iy、iz)及上述六相永磁同步电机的旋转角(θr)进行DQ转换来转换为D1-Q1轴坐标系的电流(iD1、iQ1)和D2-Q2轴坐标系的电流(iD2、iQ2)；
转矩电流控制部，根据转矩指令(Te *)生成D1-Q1轴电流指令(iD1 *、iQ1 *)，接收上述D1-Q1轴坐标系的电流(iD1、iQ1)的反馈来控制上述第一逆变器及上述第二逆变器的运行；以及
负载分配比例控制部，根据D2-Q2轴电流指令(iD2 *、iQ2 *)控制上述第一逆变器及上述第二逆变器的分配比例，上述D2-Q2轴电流指令(iD2 *、iQ2 *)根据上述第一逆变器及上述第二逆变器的故障诊断结果生成。
2.根据权利要求1所述的六相永磁同步电机的容错操作装置，其特征在于，
上述DQ转换器通过下述公式1对上述D1-Q1轴坐标系的电流(iD1、iQ1)和上述D2-Q2轴坐标系的电流(iD2、iQ2)进行建模，
Figure FDA0003303518730000011
其中，iD1为D1轴电流，iQ1为Q1轴电流，iD2为D2轴电流，iQ2为Q2轴电流，θr为六相永磁同步电机的实际旋转角，ia为a相电流，ib为b相电流，ic为c相电流，ix为x相电流，iy为y相电流，iz为z相电流。
3.根据权利要求2所述的六相永磁同步电机的容错操作装置，其特征在于，上述负载分配比例控制部包括：
故障诊断操作控制部，根据上述第一逆变器及上述第二逆变器的故障诊断结果输出下述公式2的范围内的负载分配常数(CLR)；
第一逆变器负载分配比例调整部，将上述Q1轴电流(iQ1)与正负载分配常数(CLR)相乘来生成D2轴电流指令(iD2 *)；以及
第二逆变器负载分配比例调整部，将上述D1轴电流(iD1)与负负载分配常数(-CLR)相乘来生成Q2轴电流指令(iQ2 *)，
公式2：-1≤CLR≤1。
4.根据权利要求3所述的六相永磁同步电机的容错操作装置，其特征在于，
在上述故障诊断操作控制部中，当上述第二逆变器不可运行时，将上述负载分配常数(CLR)设置为1，当上述第一逆变器不可运行时，将上述负载分配常数(CLR)设置为-1。
5.根据权利要求2所述的六相永磁同步电机的容错操作装置，其特征在于，上述转矩电流控制部包括：
转矩指令部，根据转矩指令(Te *)生成D1轴电流指令(iD1 *)和Q1轴电流指令(iQ1 *)；
第一电流控制部，接收上述D1轴电流指令(iD1 *)与从上述DQ转换器反馈的上述D1轴电流(iD1)之间的差值，进行比例积分来生成D1轴电压指令(uD1 *)；以及
第二电流控制部，接收上述Q1轴电流指令(iQ1 *)与从上述DQ转换器反馈的上述Q1轴电流(iQ1)之间的差值，进行比例积分来生成Q1轴电压指令(uQ1 *)。
6.根据权利要求3所述的六相永磁同步电机的容错操作装置，其特征在于，上述负载分配比例控制部还包括：
第三电流控制部，接收上述D2轴电流指令(iD2 *)与从上述DQ转换器反馈的上述D2轴电流(iD2)之间的差值，进行比例积分来生成D2轴电压指令(uD2 *)；以及
第四电流控制部，接收上述Q2轴电流指令(iQ2 *)与从上述DQ转换器反馈的上述Q2轴电流(iQ2)之间的差值，进行比例积分来生成Q2轴电压指令(uQ2 *)。
7.根据权利要求1所述的六相永磁同步电机的容错操作装置，其特征在于，还包括：
解耦向量空间分解部，接收从上述转矩电流控制部输出的转矩-电流控制指令(uD1 *、uQ1 *)和从上述负载分配比例控制部输出的负载分配控制指令(uD2 *、uQ2 *)，根据在上述六相永磁同步电机中检测到的实际旋转速度(ωr)输出D1-Q1轴控制电压(uD1、uQ1)和D2-Q2轴控制电压(uD2、uQ2)；
DQ逆转换器，将上述D1-Q1轴控制电压(uD1、uQ1)和上述D2-Q2轴控制电压(uD2、uQ2)逆转换为上述第一逆变器控制电压(uabc)和上述第二逆变器控制电压(uxyz)；
第一脉冲宽度调制信号输出部，根据上述第一逆变器控制电压(uabc)生成用于控制上述第一线圈组的空间向量的第一脉冲宽度调制信号并向上述第一逆变器供给；以及
第二脉冲宽度调制信号输出部，根据上述第二逆变器控制电压(uxyz)生成用于控制上述第二线圈组的空间向量的第二脉冲宽度调制信号并向上述第二逆变器供给。
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