CN117544037B - 一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法 - Google Patents

一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法，所述方法包括获取当前时刻五相永磁同步电机的参数值；对五相永磁同步电机进行工况判断，针对快速瞄准工况采用PI调节器进行速度环与电流环双环控制，针对精确跟踪工况采用PD调节器结合位置前馈补偿提高系统位置跟随性能；构建不同运行模式下五相永磁同步电机解耦矩阵，利用对应运行模式下电压矢量消除三次谐波电压，抑制三次谐波电流减小计算量；构建电流预测模型对五相永磁同步电机进行电流预测；根据代价函数最小化原则确定最优电压矢量，通过最优占空比驱动五相永磁同步电机。该方法提高了五相永磁同步电机位置伺服的响应速度，同时具有容错能力，提高了电机的可靠性。

Description

一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法
技术领域
本发明涉及多相电机控制系统设计技术，尤其涉及一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法。
背景技术
坦克炮控系统是一个典型的伺服系统，由方位伺服系统和高低伺服系统构成，其瞄准目标的过程先是由炮瞄雷达自动跟踪目标，同时将目标距离、方位角和高低角等数据传递回馈到火控计算机，然后由火控计算机发送指令分别控制火炮方位伺服系统和高低伺服系统带动炮管向预定方向射击。炮控伺服系统的控制性能将直接影响火炮攻击的精准性，因此炮控伺服系统的控制性能是坦克火力的重要评价指标之一。
炮控系统的控制性能可以分为瞄准的快速性和瞄准的准确性，炮控伺服系统需要既有快速瞄准的动态响应性，又对瞄准的精度提出了很高的要求，此外战场环境复杂恶劣，炮控系统在作战中无可避免会收到冲击与振动，需要系统有容错运行的能力。现有研究中多采用具有容错拓扑结构的三相电机驱动系统，这样的系统对瞄准的快速性和准确性的研究以及容错运行性能还有待于进一步提高，缺少对电机驱动系统多工况容错控制情况的研究，在多工况复杂情况下稳定可靠运行的容错控制策略仍存在局限性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法，针对坦克火炮电机驱动系统需要在多种工况下工作的实际情况，提高五相电机的伺服位置响应的速度，提高瞄准工况的快速性和跟踪状态的准确性，并且也具有在发生开路故障状态下容错运行的能力。
为实现上述目的，本发明提供了一种五相永磁同步电机多工况容错控制方法，包括以下步骤：
S1、获取当前时刻五相永磁同步电机的参数值；所述参数值包括各相绕组电流i A、i B、i C、i D、i E，通过位置传感器采集转子实际位置信号θ r 和对位置信号微分得到电机转子实际机械角速度ω r；
S2、对五相永磁同步电机进行工况判断，针对快速瞄准工况采用PI调节器进行速度环与电流环双环控制，针对精确跟踪工况采用PD调节器结合位置前馈补偿提高系统位置跟随性能；
S3、构建不同运行模式下五相永磁同步电机解耦矩阵，利用对应运行模式下的电压矢量消除三次谐波电压，抑制三次谐波电流，减小计算量；
S4、构建电流预测模型对五相永磁同步电机进行电流预测；
S5、根据代价函数最小化原则确定最优电压矢量，通过最优占空比驱动五相永磁同步电机。
进一步的，所述步骤S2中的工况判断，包括：快速瞄准工况，精确跟踪工况；
针对快速瞄准工况，通过开关切换为快速瞄准状态，采用PI调节速度环和电流环组成的速度控制系统，以最快速度转动坦克火炮快速瞄准目标；
针对精确跟踪工况，通过开关切换为精确跟踪状态，采用无速度环，仅有位置环和电流环组成的位置控制系统并采用PD调节器来克服传统位置环PI调节器相位滞后问题，同时加入位置前馈补偿函数来进一步减小位置跟随误差，提高系统位置跟随性能，实现火炮在接近目标后，即使坦克行进间仍可实时保持坦克火炮精确跟踪射击目标。
进一步的，所述位置前馈补偿函数，其中s为拉普拉斯变换象函数的自变量，/>表示电机的转动惯量，/>为电流环时间常数，/>为转矩系数，通过计算，/>为电机转速，/>为永磁磁链幅值。
进一步的，所述步骤S3中构建不同运行模式下五相永磁同步电机解耦矩阵，所述不同运行模式包括正常运行和开路故障容错运行；
正常运行模式下采用五阶Clarke矩阵对五相永磁同步电机解耦
，
其中，为正常模式下五相永磁同步电机Clarke矩阵，/>。
进一步的，所述步骤S3中构建不同运行模式下五相永磁同步电机解耦矩阵，所述不同运行模式包括正常运行和开路故障容错运行，所述开路故障容错运行包括单相开路故障和任意两相开路故障；
单相开路故障容错运行模式下，根据基波空间磁动势维持圆形旋转、绕组星型连接的零序电流为0、由铜损最小约束确定原则并通过故障后有效相反电动势在基波空间与正常状态一致的要求利用零序电流修正Clarke矩阵即可得到所有单相开路情况下的修正后Clarke矩阵；
任意两相开路故障容错运行模式下，根据基波空间磁动势维持圆形旋转、绕组星型连接的零序电流为0的约束，利用零序电流修正Clarke矩阵即可得到任意两相开路情况下的修正后Clarke矩阵。
进一步的，所述步骤S3中对应运行模式下的电压矢量中运行模式包括正常运行模式和开路故障容错运行模式；
所述正常运行模式虚拟电压矢量通过五相电机驱动系统的基波空间电压矢量中的10个长矢量和10个中矢量合成，同一角度的1个长矢量和1个中矢量合成1个所述正常运行模式虚拟电压矢量，长矢量和中矢量作用时间需满足：
，
式中，表示长矢量作用时间，/>表示中矢量作用时间。
进一步的，所述开路故障容错运行模式电压矢量包括单相开路故障容错运行模式虚拟电压矢量和任意两相开路故障容错运行模式电压矢量；
所述单相开路故障容错运行模式虚拟电压矢量选取开路故障下五相电机驱动系统的基波空间中产生的空间电压矢量中幅值介于最长矢量和最短矢量且在三次谐波平面不对应零矢量的两个夹角最小的矢量合成所述开路故障下虚拟电压矢量，选用的两个矢量作用时间需满足：
，
式中，表示两个矢量中较长矢量作用时间，/>表示两个矢量中较短矢量作用时间；
所述任意两相开路故障容错运行模式电压矢量直接利用所述任意两相开路情况下的修正后Clarke矩阵求得。
进一步的，所述步骤S4中电流预测模型为：
，
其中，，
，/>，/>为状态量即当前时刻测量值，/>为控制量，/>为下一时刻预测值，/>为输出量，/>为采样周期，/>为定子电阻，/>和/>分别为d轴电感和三次谐波d轴电感，/>和/>分别为q轴电感和三次谐波q轴电感，/>为永磁磁链幅值，为转子电角速度。
进一步的，所述步骤S5中代价函数为：
，
其中分别表示基波d轴电流、基波q轴电流与三次谐波d轴电流、三次谐波q轴电流在k+1时刻的预测值，/>分别表示基波d轴电流、基波q轴电流的参考给定值和三次谐波d轴电流、三次谐波q轴电流的参考给定值，K代表权重系数，/>是逆变器限流保护参数，当下一时刻预测电流大于逆变器电流极限值时输出为无穷大，当下一时刻预测电流值小于逆变器电流极限值时输出为0。
进一步的，所述步骤S5中通过最小转矩脉动原则选取最优占空比：
，
其中，为有效矢量作用时间，/>为最优占空比，/>为一个很短时间间隔/>内转矩平均值，/>为k时刻转矩值，/>分别表示有效电压矢量和零矢量作用时的转矩变化率。
本发明具有如下有益效果：
（1）本发明所采用的模型预测方法的动态性能优于需要更长的转矩瞬态稳定时间的传统矢量控制，且它的转矩脉动又小于直接转矩控制，能够保持更好的稳态性能。
（2）本发明针对正常模式和单相开路故障运行模式所采用的虚拟电压矢量可以有效抑制三次谐波电流对电机运行状态的干扰，降低模型预测的计算量，提高了电机运行的平稳性。
（3）本发明提出的降阶解耦模型可以保证电机在开路故障状态下高可靠运行，充分运用了五相电机高控制自由度、小转矩脉动和高效率的优势，使得电机驱动系统能适应各种复杂的工况，提高了电机驱动系统的容错性能。
（4）本发明提出的一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法，能够克服坦克火炮电机驱动系统在坦克本身运动过程中移动的叠加导致的“牵移”现象，提高了精确跟踪工况的响应速度。
（5）本发明有效解决了传统方法在精确跟踪工况中PI调节器带来的相位滞后问题，提高了精确跟踪工况下伺服系统位置跟踪响应速度从而提高跟踪工况下的精确度，能够实现五相永磁同步电机在多工况高机动复杂条件下稳定可靠运行。
（6）本发明所采用的最优占空比方法通过计算转矩脉动在一个控制周期内的最小值确定控制周期内所需的占空比以及各矢量开关时刻实现转矩脉动最小化。
附图说明
图1为本发明的一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法的流程图；
图2为本发明的合成正常运行模式下虚拟电压矢量在基波空间中的分布图；
图3为本发明的合成A相开路故障模式下基本电压矢量在基波空间中的分布图；
图4为本发明的合成A相开路故障模式下基本电压矢量在三次谐波空间中的分布图；
图5为本发明的合成A相开路故障模式下所采用的虚拟电压矢量和扇区分布图；
图6为本发明的不相邻两相开路故障模式下空间电压矢量在基波空间中的分布图；
图7为本发明的不相邻两相开路故障模式下基波空间扇区分布图；
图8为本发明的相邻两相开路故障模式下空间电压矢量在基波空间中的分布图；
图9为本发明的相邻两相开路故障模式下基波空间扇区分布图；
图10为本发明的一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法快速瞄准工况时转速响应波形图；
图11为本发明的一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法精确跟踪工况时位置响应波形图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
如图1所示，一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法，具体包括以下步骤：
S1、获取当前时刻五相永磁同步电机的参数值；所述参数值包括各相绕组电流i A、i B、i C、i D、i E，通过位置传感器采集转子实际位置信号θ r 和对位置信号微分得到电机转子实际机械角速度ω r；
S2、对五相永磁同步电机进行工况判断，针对快速瞄准工况采用PI调节器进行速度环与电流环双环控制，针对精确跟踪工况采用PD调节器结合位置前馈补偿提高系统位置跟随性能；
S3、构建不同运行模式下五相永磁同步电机解耦矩阵，利用对应运行模式下的电压矢量消除三次谐波电压，抑制三次谐波电流，减小计算量；
S4、构建电流预测模型对五相永磁同步电机进行电流预测；
S5、根据代价函数最小化原则确定最优电压矢量，通过最优占空比驱动五相永磁同步电机。
所述步骤S2中的工况判断，包括：快速瞄准工况；精确跟踪工况；
针对快速瞄准工况，通过开关切换为快速瞄准状态，采用PI调节速度环和电流环组成的速度控制系统，以最快速度转动坦克火炮快速瞄准目标；
针对精确跟踪工况，通过开关切换为精确跟踪状态，采用无速度环，仅有位置环和电流环组成的位置控制系统并采用PD调节器来克服传统位置环PI调节器相位滞后问题，同时加入位置前馈来进一步减小位置跟随误差，提高系统位置跟随性能，实现火炮在接近目标后，即使坦克行进间仍可实时保持坦克火炮精确跟踪射击目标。
所述位置前馈补偿函数，其中s为拉普拉斯变换象函数/>的自变量，/>表示电机的转动惯量，/>为电流环时间常数，/>为转矩系数，通过计算，/>为电机转速，/>为永磁磁链幅值。
所述步骤S3中构建不同运行模式下五相永磁同步电机解耦矩阵，不同于三相永磁同步电机，五相永磁同步电机中的高次电流谐波和绕组谐波将会对五相永磁同步电机磁动势产生一定的影响，因此五相永磁同步电机解耦过程中旋转坐标变换包括了基波变换和谐波变换方程，分别可实现对基波电流和3次谐波电流的交直变换控制；
根据交流电机绕组函数理论，得到基波空间总磁动势由A、B、C、D、E五相磁动势合成：
，
因此，五相永磁同步电机正常模式下稳定运行时磁动势满足：
，
根据定子磁动势幅值不变原则可以得到适用于五相永磁同步电机的Clarke 矩阵：
，
其中，为正常运行模式下Clarke矩阵，/>。
针对开路故障状态，根据基波空间磁动势维持圆形旋转、绕组星型连接的零序电流为0、由铜损最小约束确定原则并通过故障后有效相反电动势在基波空间与正常状态一致的要求利用零序电流修正Clarke 矩阵即可得到所有情况下的修正后Clarke矩阵；
以A相开路故障为例，根据基波空间磁动势维持圆形旋转、绕组星型连接的零序电流为0原则，有：
，
得到初步的A相开路故障下Clarke 矩阵：
，
由于初步的A相开路故障下Clarke 矩阵第3行向量与其他行向量正交，将其移出方程组，同时，采用修正因子i去修正系数矩阵的第一行向量进行行列式相加变换，由铜损最小约束确定原则并通过故障后有效相反电动势与正常状态一致的要求利用零序电流修正Clarke 矩阵，有：
，
结合有效相反电动势在基波空间与正常状态一致的要求得到修正后A相开路故障下五相永磁同步电机Clarke 矩阵：
，
其中，为A相开路故障下的Clarke矩阵，/>，/>为修正因子；
针对多相开路故障状态，根据基波空间磁动势维持圆形旋转、绕组星型连接的零序电流为0、由铜损最小约束确定原则并通过故障后有效相反电动势在基波空间与正常状态一致的要求利用零序电流修正Clarke矩阵即可得到所有情况下的修正后Clarke矩阵；
以A B两相出现开路故障为例，根据基波空间磁动势维持圆形旋转、绕组星型连接的零序电流为0原则，A B两相出现开路故障后Clarke矩阵初步描述为：
，
将零序空间的转子磁链重新投影在αβ平面得：
，
其中，为修正后有效的转子磁链在α轴和β轴上的投影，为零序空间磁链在α轴和β轴上的分量，/>为变换矩阵修正系数，为使故障后磁链相轨迹维持圆形旋转，引入转子磁链衰减系数k，，得到修正后的AB两相开路故障下Clarke矩阵：
，
其中，为AB两相开路故障下Clarke矩阵，/>。
所述步骤S3中正常运行模式虚拟电压矢量通过五相电机驱动系统的基波空间电压矢量中的10个长矢量和10个中矢量合成，同一角度的1个长矢量和1个中矢量合成1个所述正常运行模式虚拟电压矢量，
长矢量和中矢量作用时间需满足：
，
式中，表示长矢量作用时间，/>表示中矢量作用时间；
所述开路故障下电压矢量选取开路故障下五相电机驱动系统的基波空间中产生的空间电压矢量中幅值介于最长矢量和最短矢量且在三次谐波平面不对应零矢量的两个夹角最小的矢量合成所述开路故障下虚拟电压矢量，选用的两个矢量作用时间需满足：
，
式中，表示两个矢量中较长矢量作用时间，/>表示两个矢量中较短矢量作用时间。
如图2所示，正常运行模式下，合成后的虚拟电压矢量在基波空间中均匀分布。
如图3所示，A相开路故障下选取和/>、/>和/>、/>和/>、/>和/>构成的四组虚拟空间电压矢量以及/>和/>两个基本空间电压矢量进行合成，其作用时间满足：
，
图4为所对应单相故障运行模式的合成后的虚拟矢量分布，图5为扇区规划，满足上述约束得到虚拟矢量幅值为0.3943，采用所述虚拟矢量合成参考矢量的过程中，可以抑制三次谐波对基波空间的干扰。
所述步骤S4中电流预测模型为：
，
其中，，/>，/>，为状态量即当前时刻测量值，/>为控制量，/>为下一时刻预测值，/>为输出量，/>为采样周期，/>为定子电阻，/>和/>分别为d轴电感和三次谐波d轴电感，/>和/>分别为q轴电感和三次谐波q轴电感，/>为永磁磁链幅值，/>为转子电角速度。
除单相故障运行模式，故障运行模式还包含多相故障运行模式，多相运行模式又包含相邻两相故障和不相邻两相故障运行模式，如图6所示，是发生不相邻两相故障下空间电压矢量在基波空间中的分布图，如图7所示，不相邻两相开路故障模式下基波空间扇区按图中角度分布。如图8所示，是发生相邻两相故障下空间电压矢量在基波空间中的分布图，如图9所示，相邻两相开路故障模式下基波空间扇区按新的角度分布。
所述步骤S5中代价函数为，其中分别表示基波d轴电流、基波q轴电流与三次谐波d轴电流、三次谐波q轴电流在k+1时刻的预测值，/>分别表示基波d轴电流、基波q轴电流的参考给定值和三次谐波d轴电流、三次谐波q轴电流的参考给定值，K代表权重系数，/>是逆变器限流保护参数，当下一时刻预测电流大于逆变器电流极限值时输出为无穷大，当下一时刻预测电流值小于逆变器电流极限值时输出为0。
所述步骤S5中通过最小转矩脉动原则选取最优占空比；
转矩的变化率可以表示为：
，
取极短时间间隔，转矩的变化量可以表示为：
，
在一个控制周期内，转矩的波动可以表示为：
，
通过计算一个控制周期内转矩波动最小值得到有效矢量的占空比为：
，
其中，为最优占空比，/>为有效矢量作用时间，/>为极短时间间隔/>内转矩平均值，/>为k时刻转矩值，/>分别表示有效电压矢量和零矢量作用时的转矩变化率。
如图10所示，在快速瞄准工况，五相永磁同步电机驱动系统电机实际转速基本与给定转速重合，表面了快速瞄准工况转速跟随的快速性，从而加快了精确跟踪工况的跟踪速度。
如图11所示，在精确跟踪工况，五相永磁同步电机驱动系统电机能在故障下精确跟踪给定位置信号，验证了系统的容错性能，使其能适应复杂恶劣的环境。
以上对本发明所提供的一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种五相永磁同步电机驱动系统多工况容错控制方法，其特征在于，应用于电机控制系统，所述方法包括：
S1、获取当前时刻五相永磁同步电机的参数值；所述参数值包括各相绕组电流iA、iB、iC、iD、iE，通过位置传感器采集转子实际位置信号θr和对位置信号微分得到电机转子实际机械角速度ωr；
S2、对五相永磁同步电机进行工况判断，针对快速瞄准工况采用PI调节器进行速度环与电流环双环控制，针对精确跟踪工况采用PD调节器结合位置前馈补偿提高系统位置跟随性能；
S3、构建不同运行模式下五相永磁同步电机解耦矩阵，利用对应运行模式下的电压矢量消除三次谐波电压，抑制三次谐波电流，减小计算量；
S4、构建电流预测模型对五相永磁同步电机进行电流预测；
S5、根据代价函数最小化原则确定最优电压矢量，通过最优占空比驱动五相永磁同步电机；
所述步骤S2中的工况判断，包括：快速瞄准工况，精确跟踪工况；
所述快速瞄准工况，通过将开关切换为快速瞄准状态，采用PI调节速度环和电流环组成的速度控制系统，以最快速度转动坦克火炮快速瞄准目标；
所述精确跟踪工况，通过将开关切换为精确跟踪状态，采用无速度环，仅有位置环和电流环组成的位置控制系统并采用PD调节器来克服传统位置环PI调节器相位滞后问题，同时加入位置前馈补偿函数F(s)来进一步减小位置跟随误差，提高系统位置跟随性能；
所述位置前馈补偿函数其中s为拉普拉斯变换象函数F(s)的自变量，J表示电机的转动惯量，τi为电流环时间常数，Kt为转矩系数，通过Kt＝1.5npψf计算，np为电机转速，ψf为永磁磁链幅值；
所述步骤S3中构建不同运行模式下五相永磁同步电机解耦矩阵，所述不同运行模式包括正常运行和开路故障容错运行；
正常运行模式下采用五阶Clarke矩阵对五相永磁同步电机解耦
其中，Tclarke为正常模式下五相永磁同步电机Clarke矩阵，δ＝0.4π；
所述步骤S3中构建不同运行模式下五相永磁同步电机解耦矩阵，所述不同运行模式包括正常运行和开路故障容错运行，所述开路故障容错运行包括单相开路故障和任意两相开路故障；
单相开路故障容错运行模式下，根据基波空间磁动势维持圆形旋转、绕组星型连接的零序电流为0、由铜损最小约束确定iα3、iβ3原则并通过故障后有效相反电动势在基波空间与正常状态一致的要求利用零序电流修正Clarke矩阵即可得到所有单相开路情况下的修正后Clarke矩阵；
任意两相开路故障容错运行模式下，根据基波空间磁动势维持圆形旋转、绕组星型连接的零序电流为0的约束，利用零序电流修正Clarke矩阵即可得到任意两相开路情况下的修正后Clarke矩阵；
所述步骤S3中对应运行模式下的电压矢量中运行模式包括正常运行模式和开路故障容错运行模式；
所述正常运行模式使用的虚拟电压矢量通过五相电机驱动系统的基波空间电压矢量中的10个长矢量和10个中矢量合成，同一角度的1个长矢量和1个中矢量合成1个所述正常运行模式虚拟电压矢量，长矢量和中矢量作用时间需满足：
式中，TL表示长矢量作用时间，TM表示中矢量作用时间；
所述开路故障容错运行模式电压矢量包括单相开路故障容错运行模式虚拟电压矢量和任意两相开路故障容错运行模式电压矢量；
所述单相开路故障容错运行模式虚拟电压矢量选取开路故障下五相电机驱动系统的基波空间中产生的空间电压矢量中幅值介于最长矢量和最短矢量且在三次谐波平面不对应零矢量的两个夹角最小的矢量合成所述开路故障下虚拟电压矢量，选用的两个矢量作用时间需满足：
式中，TL'表示两个矢量中较长矢量作用时间，TS'表示两个矢量中较短矢量作用时间；
所述任意两相开路故障容错运行模式电压矢量直接利用所述任意两相开路情况下的修正后Clarke矩阵求得；
所述步骤S4中电流预测模型为：
其中Z＝[0 -ωeψf 0 0]，/>ik＝[id iq id3 iq3]为状态量即当前时刻测量值，uk＝[ud uq ud3 uq3]为控制量，ik+1为下一时刻预测值，yk为输出量，Ts为采样周期，Rs为定子电阻，Ld和Ld3分别为d轴电感和三次谐波d轴电感，Lq和Lq3分别为q轴电感和三次谐波q轴电感，ψf为永磁磁链幅值，ωe为转子电角速度；
所述步骤S5中代价函数为：
其中分别表示基波d轴电流、基波q轴电流与三次谐波d轴电流、三次谐波q轴电流在k+1时刻的预测值，/>分别表示基波d轴电流、基波q轴电流的参考给定值和三次谐波d轴电流、三次谐波q轴电流的参考给定值，K代表权重系数，Imax是逆变器限流保护参数，当下一时刻预测电流大于逆变器电流极限值时输出为无穷大，当下一时刻预测电流值小于逆变器电流极限值时输出为0；
所述步骤S5中通过最小转矩脉动原则选取最优占空比：
其中，为有效矢量作用时间，d为最优占空比，/>为一个很短时间间隔Ts内转矩平均值，Te(k)为k时刻转矩值，f1、f2分别表示有效电压矢量和零矢量作用时的转矩变化率。
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