阅读说明：本技术 基于逆变器单相故障的开绕组永磁同步电机容错控制方法 (Fault-tolerant control method for open-winding permanent magnet synchronous motor based on single-phase fault of inverter ) 是由 於锋 霍闯 胡德林 茅靖峰 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于逆变器单相故障的开绕组永磁同步电机容错控制方法,根据i<Sub>d</Sub>＝0的控制方式得到负载角参考值δ<Sup>ref</Sup>,再得到(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值参考值ψ<Sub>sd</Sub><Sup>ref</Sup>(k+1)、ψ<Sub>sq</Sub><Sup>ref</Sup>(k+1)、ψ<Sub>0</Sub><Sup>ref</Sup>(k+1)；然后根据逆变器故障类型得到故障后的电压空间矢量状态,根据电流预测模型并结合磁链方程在线预测(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量ψ<Sub>sd</Sub>(k+1)、ψ<Sub>sq</Sub>(k+1)、ψ<Sub>0</Sub>(k+1)；进而利用(k+1)时刻磁链预测值和参考值构建价值函数,并通过最小化价值函数获得逆变器最优开关状态。本发明可在开绕组永磁同步电机逆变器故障状态下获得良好的动稳态性能。(The invention discloses an open winding permanent magnet synchronous motor fault-tolerant control method based on inverter single-phase fault, which is based on i d Obtaining a load angle reference value in a control mode of 0 ref And then obtaining the reference value psi of the amplitudes of the d axis, the q axis and the zero axis component of the stator flux linkage at the moment (k +1) sd ref (k+1)、ψ sq ref (k+1)、ψ 0 ref (k + 1); and then obtaining the voltage space vector state after the fault according to the fault type of the inverter, and predicting the d-axis, q-axis and zero-axis components psi of the stator flux linkage at the (k +1) moment on line according to a current prediction model and by combining a flux linkage equation sd (k+1)、ψ sq (k+1)、ψ 0 (k + 1); and then constructing a cost function by using the predicted value and the reference value of the flux linkage at the (k +1) moment, and obtaining inversion by minimizing the cost functionThe optimal switching state is achieved. The invention can obtain good dynamic and stable performance under the fault state of the open winding permanent magnet synchronous motor inverter.)

基于逆变器单相故障的开绕组永磁同步电机容错控制方法

技术领域

本发明涉及基于逆变器单相故障下的开绕组永磁同步电机容错控制方法，属于电机驱动及控制领域。

背景技术

共直流母线型开绕组永磁同步电机是将传统三相永磁同步电机的中性点打开，构成具有双端口的绕组开放式结构，由于中性点打开之后各项电机绕组之间的约束关系不再存在，各项绕组独立，电机的磁路及结构没有改变，可以在一定程度上提高电机本体的可靠性和电机驱动系统的容错能力。传统永磁同步电机具有6个开关器件结构，而在开绕组永磁同步电机系统中，双逆变器供电使得系统具有12个开关器件结构，增加的开关器件提高了系统故障风险。

共直流母线型开绕组永磁同步电机系统会产生零序电流，给系统带来了额外的铜耗、温升及转矩波动等负面效应，因此在开绕组电机的控制中，对零序电流的抑制是一个重要内容。

基于以上考虑，为了在故障工况下电机仍能正常工作，有人提出了采用简化的PWM方法来计算各相开关管的导通时刻，与三角载波相比较，得到逆变器的开关波形图，但是故障后容错控制中不能很好的实现对零序电流的抑制。也有人提出，在故障工况下的开绕组永磁同步电机采用SVPWM策略，虽能很好地控制开绕组永磁同步电机容错控制中的零序电流，但是设计复杂，计算量大。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于逆变器单相故障的开绕组永磁同步电机容错控制方法，在逆变器故障的情况下可获得较好的动稳态性能。

技术方案：基于逆变器单相故障的开绕组永磁同步电机容错控制方法，包括如下步骤：

步骤1：通过转速外环PI控制器获得参考转矩T_e ^ref；

步骤2：从电机编码器中获取开绕组永磁同步电机的电角度θ和电角速度ω，并利用电流传感器获取k时刻的三相定子电流i_a、i_b和i_c，经坐标变换后得到k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量i_d、i_q和i₀；

步骤3：结合磁链方程和负载角进行磁链计算，得到(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴、零轴分量参考值ψ_sd ^ref(k+1)、ψ_sq ^ref(k+1)、ψ₀ ^ref(k+1)；

步骤4：根据逆变器故障类型得到故障后的电压空间矢量状态，再根据故障后的电压空间矢量状态电流预测模型并结合磁链方程在线预测(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量ψ_sd(k+1)、ψ_sq(k+1)、ψ₀(k+1)；

步骤5：利用(k+1)时刻磁链预测值和参考值构建价值函数，并通过最小化价值函数获得逆变器最优开关状态。

进一步的，所述步骤1中参考转矩T_e ^ref获取方法为：将参考速度与实际速度的差值e_n输入转速外环PI控制器，根据公式(1)获得参考转矩

式中，k_p和k_i分别为转速外环PI控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。

进一步的，所述步骤2中电角速度ω获取方法为：经式(2)求电角度θ关于时间的微分，得到电角速度ω；

进一步的，所述步骤3计算(k+1)时刻磁链参考值ψ_sd ^ref(k+1)、ψ_sq ^ref(k+1)、ψ₀ ^ref(k+1)的方法为：根据公式(3)获得负载角δ和电磁转矩T_e关系，并且根据公式(4)对负载角δ求导，得到公式(5)负载角增量Δδ，根据公式(6)获得(k+1)时刻负载角δ的参考值δ^ref，根据公式(7)获得(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴参考值ψ_sd ^ref(k+1)、ψ_sq ^ref(k+1)，再令i₀＝0，然后根据公式(8)获得(k+1)时刻定子磁链零轴分量参考值ψ₀ ^ref(k+1)；

δ^ref＝Δδ+δ (6)

式中，ψ_s为ψ_sd、ψ_sq合成磁链ψ_s(k)的幅值，ψ^ref _sd、ψ^ref _sq为定子磁链d轴和q轴分量幅值参考值；n_p为极对数；L_q为交轴电感；ψ_f1为转子永磁体磁链基波分量；ΔT_e为电磁转矩增量；为定子磁链幅值参考值；ψ_f3为转子永磁体磁链3次谐波分量；θ^ref(k+1)为(k+1)时刻电机电角度参考值。

进一步的，所述步骤4具体方法为：将k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴电流i_d、i_q、i₀，电角速度ω以及电角度θ输入模型预测磁链控制模块，根据公式(9)获得(k+1)时刻的预测电流模型，然后根据公式(10)获得(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量ψ_sd(k+1)、ψ_sq(k+1)、ψ₀(k+1)的预测值；

式中，u_d(k)、u_q(k)、u₀(k)为k时刻定子电压在d轴、q轴和零轴分量上的电压；i_d(k)、i_q(k)、i₀(k)分别为k时刻定子电流在d轴、q轴和零轴分量上的电流；R为定子相电阻；L_d、L_q为直、交轴电感；L₀为零序电感；T_s为系统的采样周期；n_p为极对数；i_d(k+1)、i_q(k+1)、i₀(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量的预测值；ψ_sd(k+1)、ψ_sq(k+1)、ψ₀(k+1)为(k+1)时刻定子磁链在d轴、q轴和零轴分量上的预测值；ψ_f1为转子永磁体磁链基波分量；ψ_f3为转子永磁体磁链3次谐波分量；θ为永磁同步电机的k时刻电角度；θ(k+1)为(k+1)时刻电机电角度。

进一步的，所述步骤5中价值函数的构建方法为：将(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量参考值ψ_sd ^ref(k+1)、ψ_sq ^ref(k+1)、ψ₀ ^ref(k+1)和(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量预测值ψ_sd(k+1)、ψ_sq(k+1)、ψ₀(k+1)输入价值函数模块，根据公式(11)计算价值函数g_i，依次代入逆变器故障后的电压空间矢量，根据开关状态与基本电压矢量关系获得逆变器最优开关状态；

有益效果：本发明基于共直流母线型结构的开绕组永磁同步电机，通过设计包含零序电流的价值函数达到抑制零序电流的目的，只涉及一个直流电源且不需要隔离，抑制零序电流只是在控制方法上改动，不需要增加系统硬件成本。本发明提出的控制方法相比于传统技术，减小了系统计算量及复杂度，有效解决了开绕组永磁同步电机逆变器单相故障下运行的问题以及零序电流抑制的问题。

附图说明

图1为本发明提供的开绕组永磁同步电机容错控制方法原理图；

图2为本发明提供的开绕组永磁同步电机容错控制方法中三相四开关逆变器电压空间矢量图；(a)为逆变器1的a1桥臂故障时不同开关状态下产生的电压空间矢量图；(b)为逆变器1的b1桥臂故障时不同开关状态下产生的电压空间矢量图；(c)为逆变器1的c1桥臂故障时不同开关状态下产生的电压空间矢量图；

图3为本发明提供的开绕组永磁同步电机容错控制方法a1相故障情况下零序电流抑制对比与三相电流仿真对比图；(a)为零序电流未抑制时零序电流波形图；(b)为零序电流抑制后零序电流波形图；(c)为零序电流未抑制时三相电流波形图；(d)为零序电流抑制后三相电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种基于逆变器单相故障的开绕组永磁同步电机容错控制方法原理图如图1所示，包括转速外环PI控制器1、模型预测磁链控制模块2、价值函数模块3、逆变器4、逆变器5、坐标变换模块6、开绕组永磁同步电机7和编码器8。包括以下步骤：

步骤1：将参考速度与实际速度的差值e_n输入转速外环PI控制器，根据公式(1)获得参考转矩

式中，k_p和k_i分别为转速外环PI控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。

步骤2：从电机编码器中获取开绕组永磁同步电机的电角度θ，然后根据式(2)求得电角速度ω，并利用电流传感器获取k时刻的三相定子电流i_a、i_b和i_c，经坐标变换后得到k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量i_d、i_q和i₀。

步骤3：结合磁链方程和负载角进行磁链计算，得到(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴、零轴分量参考值具体为：

根据公式(3)获得负载角δ和电磁转矩T_e关系，并且根据公式(4)对负载角δ求导，得到公式(5)负载角增量Δδ，根据公式(6)获得(k+1)时刻负载角δ的参考值δ^ref，根据公式(7)获得(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴参考值ψ_sd ^ref(k+1)、ψ_sq ^ref(k+1)，再令i₀＝0，然后根据公式(8)获得(k+1)时刻定子磁链零轴分量参考值ψ₀ ^ref(k+1)；

δ^ref＝Δδ+δ (6)

式中，ψ_s为ψ_sd、ψ_sq合成磁链ψ_s(k)的幅值，为定子磁链d轴和q轴分量幅值参考值；n_p为极对数；L_q为交轴电感；ψ_f1为转子永磁体磁链基波分量；ΔT_e为电磁转矩增量；为定子磁链幅值参考值；ψ_f3为转子永磁体磁链3次谐波分量；θ^ref(k+1)为(k+1)时刻电机电角度参考值。

(4)步骤4：根据逆变器故障类型得到故障后的电压空间矢量状态。逆变器故障类型如表1所示：

表1逆变器单相故障类型

当a1相故障的时候，逆变器1变为三相四开关结构。在两相静止坐标系下，开关组合可产生4个电压空间矢量，其中包括4个有效矢量，无零矢量。同样，当逆变器b1或者c1相发生故障时，在不同的开关状态会产生不同的电压矢量，具体电压矢量如表2所示。

表2逆变器单相故障下电压矢量

表中，U_dc为逆变器直流母线电压；v_α为两相静止坐标系下电压矢量α轴分量；v_β为两相静止坐标系下电压矢量β轴分量；

若两组逆变器均有一相出现故障，可以分两种情况进行考虑：

(1)逆变器1、2同相同时出现单相故障

当逆变器1、2的a相同时出现单相故障时，此时两个逆变器的开关组合状态(S_b1、S_c1)，(S_b2、S_c2)共有16种不同的开关状态，其中12个有效矢量、4个零矢量，去除冗余适量后共有9种不同的有效矢量和零矢量；

(2)逆变器1、2不同相同时出现单相故障

当逆变器1、2不同相同时出现单相故障时，此时两个逆变器的开关组合状态共有16种不同的开关状态，可产生16个电压空间矢量，且无零矢量。

若某一逆变器三相均故障，那么将与该组逆变器相连的固态继电器均导通，此时在另一组逆变器控制下开绕组永磁同步电机等效为普通的Y型连接的永磁同步电机，此时的控制技术与普通的永磁同步电机完全一致；如果某一逆变器有两相桥臂发生故障，那么此时的逆变器的开关状态只有两种，此时无法调制出开绕组永磁同步电机运行所需的圆形磁链矢量。因此本发明中容错控制旨在研究单相故障下的开绕组永磁同步电机。

再根据故障后的电压空间矢量状态电流预测模型并结合磁链方程在线预测(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量ψ_sd(k+1)、ψ_sq(k+1)、ψ₀(k+1)，具体为：

将k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴电流i_d、i_q、i₀，电角速度ω以及电角度θ输入模型预测磁链控制模块，根据公式(9)获得(k+1)时刻的预测电流模型，然后根据公式(10)获得(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量ψ_sd(k+1)、ψ_sq(k+1)、ψ₀(k+1)的预测值；

式中，u_d(k)、u_q(k)、u₀(k)为k时刻定子电压在d轴、q轴和零轴分量上的电压；i_d(k)、i_q(k)、i₀(k)分别为k时刻定子电流在d轴、q轴和零轴分量上的电流；R为定子相电阻；L_d、L_q为直、交轴电感；L₀为零序电感；T_s为系统的采样周期；n_p为极对数；i_d(k+1)、i_q(k+1)、i₀(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量的预测值；ψ_sd(k+1)、ψ_sq(k+1)、ψ₀(k+1)为(k+1)时刻定子磁链在d轴、q轴和零轴分量上的预测值；ψ_f1为转子永磁体磁链基波分量；ψ_f3为转子永磁体磁链3次谐波分量；θ为永磁同步电机的k时刻电角度；θ(k+1)为(k+1)时刻电机电角度。

步骤5：利用(k+1)时刻磁链预测值和参考值构建价值函数，并通过最小化价值函数获得逆变器最优开关状态。价值函数的构建方法为：将(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量参考值和(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量预测值ψ_sd(k+1)、ψ_sq(k+1)、ψ₀(k+1)输入价值函数模块，根据公式(11)计算价值函数g_i，依次代入逆变器故障后的电压空间矢量，根据开关状态与基本电压矢量关系获得逆变器最优开关状态；

图2为三相四开关逆变器电压空间矢量图。图2(a)为逆变器1的a1桥臂故障时不同开关状态下产生的空间电压矢量V₁～V₄，此时共有4个电压矢量，且无零矢量产生。若变流器1的b1相或者c1相发生故障，在不同的开关状态(S_a1、S_c1)或(S_a1、S_b1)组合下，产生如图2(b)或2(c)所示的电压空间矢量图。

图3为本发明提供的开绕组永磁同步电机容错控制方法a1相故障情况下零序电流抑制对比与三相电流仿真对比图。仿真工况设置为：电机由静止起动至给定转速200r/min，转矩为4N·m。图3(a)为零序电流未抑制时零序电流波形图；图3(b)为零序电流抑制后零序电流波形图；图3(c)为零序电流未抑制时三相电流波形图；图3(d)为零序电流抑制后三相电流波形图。系统采用模型预测控制的容错方法时，零序电流抑制效果明显，同时电流趋于正弦，说明基于模型预测控制的开绕组永磁同步电机容错控制方法的可行性及优越性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。