阅读说明：本技术 一种基于扰动观测器的五相永磁电机短路容错直接转矩控制方法 (A kind of five fault-tolerant Direct Torque Controls of phase magneto short circuit based on disturbance observer ) 是由 周华伟 徐金辉 陶炜国 周城 张多 刘国海 于 2019-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于扰动观测器的五相永磁电机短路容错直接转矩控制方法。在五相永磁电机直接转矩控制策略基础上,首先设计该电机一相开路故障情况下的容错直接转矩控制算法；然后在定子磁场定向坐标系上,建立五相永磁电机的二阶数学模型,设计扰动观测器,观测该电机短路故障和未建模部分导致的转矩脉动；最后将观测出来的扰动信号前馈到转矩给定值中,进而根据开路容错情况下的开关组号表、电压矢量开关表实现该电机相短路故障情况下的高性能运行。该方法有效地抑制了由短路故障导致的转矩脉动以及系统未建模部分导致的转矩脉动。进而电机驱动系统在相短路故障情况下能够平稳运行并具有很强的鲁棒性。(The five fault-tolerant Direct Torque Controls of phase magnetoes short circuit that the invention discloses a kind of based on disturbance observer.On the basis of five phase magneto Strategy of Direct Torque Control, the fault-tolerant Direct Torque Control algorithm under the motor one-phase open circuit fault condition is designed first；Then on stator flux orientation coordinate system, the second mathematical model of five phase magnetoes is established, disturbance observer is designed, observes torque pulsation caused by the electric motor short circuit failure and unmodel parts；It will finally observe that the disturbing signal come is fed forward in torque reference value, and then realize that the high-performance under the motor phase short circuit fault condition is run according to switch group number table, the voltage vector switch list opened a way in fault-tolerant situation.This method restrained effectively torque pulsation caused by the torque pulsation as caused by short trouble and system unmodel parts.And then motor driven systems under phase short circuit fault condition can even running and have very strong robustness.)

一种基于扰动观测器的五相永磁电机短路容错直接转矩控制 方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机的容错直接转矩控制方法，特别是基于扰动观测器的五相永磁电机一相短路故障情况下的短路容错直接转矩控制方法。适用于航空航天、舰船推进、电动汽车等对电机的可靠性和动态性能有较高要求的场合。

背景技术

随着社会的发展以及人们生活水平的提高，对汽车驾乘的舒适性和可靠性要求越来越高。永磁电机作为电动汽车的重要构成部分，当电机发生短路故障时，由于正常相电流的缺失和短路电流的扰动，导致电机输出转矩脉动大，极大地影响车辆驾乘安全性，因此电机在故障时的容错能力显得尤为重要。

直接转矩控制是继矢量控制之后的又一高性能控制技术，直接转矩控制基于定子磁场定向技术，无需旋转坐标变换，结构简单，对电机参数鲁棒性强，转矩动态响应快。

针对短路电流引起的扰动，发表于《电工技术学报》(2016年31卷增刊2)的“6/19容错型永磁磁通切换电机的短路故障容错控制”通过将短路扰动计算出来，前馈到系统中，减小了转矩脉动，实现了电机稳定运行，但该方法所需电机参数较多，算法复杂，参数鲁棒性较差。中国发明专利《一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机及其短路容错矢量控制方法》通过加入补偿电流，达到减小脉动，实现电机稳定运行的目的，但该算法复杂，大大增加了CPU负荷。

发明内容

根据永磁电机的特性和现有容错控制技术中存在的问题，本发明目的是抑制电机因短路故障导致的转矩脉动。针对五相永磁电机相短路故障，提出一种基于扰动观测器的容错直接转矩控制策略，抑制短路故障导致的转矩脉动，提高该类电机在相短路故障情况下的稳态和动态性能。

本发明提出一种用于五相永磁电机一相短路故障情况下的基于扰动观测器的容错直接转矩控制方法，采用如下技术方案：

一种基于扰动观测器的五相永磁电机短路容错直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立五相永磁电机数学模型以及直接转矩控制策略；

步骤2，设计五相永磁电机一相开路故障情况下的容错直接转矩控制算法；

步骤3，建立相开路故障情况下五相永磁电机在定子磁场定向坐标系x-y上的二阶数学模型；

步骤4，设计扰动观测器观测电机相短路故障导致的干扰以及未建模部分引起的转矩脉动；

步骤5，在相开路故障情况下的容错直接转矩控制策略基础上，将观测得到的扰动前馈到指令转矩中，进而实现五相永磁电机在相短路故障情况下的高稳态和动态性能运行。

本发明所设计的扰动观测器，避免了计算求解短路扰动带来的麻烦，参数鲁棒性好，误差减小，大大简化了设计难度。

进一步，所述控制方法还适用于永磁直线电机控制系统。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的基于扰动观测器的五相永磁电机短路容错直接转矩控制方法能有效抑制电机相短路故障导致的转矩脉动、且电机在短路故障情况下速度跟随性能好。

2、本发明设计的基于扰动观测器的五相永磁电机短路容错直接转矩控制方法避免了复杂的计算过程，具有优良的参数鲁棒性。

3、扰动观测器不但能观测电机相短路故障导致的转矩扰动，而且能观测出电机未建模部分导致的转矩扰动，因此扰动观测器结合开路故障下的容错直接转矩控制策略，不但能观测出短路故障导致的转矩脉动，而且能观测出系统未建模部分导致的转矩脉动，具有很好的鲁棒性能，更为关键的是能实现该类电机系统在相短路故障情况下的高性能运行。

附图说明

图1为本发明实施例五相永磁电机相开路故障下的电压矢量分布图，(a)为一维空间电压矢量分布图，(b)为三维空间电压矢量分布图；

图2为本发明实施例五相永磁容错电机相开路直接转矩控制策略框图；

图3为本发明实施例扰动观测器结构框图；

图4为本发明实施例基于扰动观测器的五相永磁电机短路容错直接转矩控制策略框图；

图5为本发明实施例A相短路故障情况下加入本发明算法之后的转矩波形图；

图6为本发明实施例A相短路故障情况下加入本发明算法之后的速度波形图；

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。

为了能够更加简单明了地说明本发明的基于扰动观测器的五相永磁电机短路容错直接转矩控制方法和有益效果，下面结合一个具体的五相永磁电机来进行详细的描述。

步骤1，建立五相永磁电机的数学模型及直接转矩控制策略。

电机的五相绕组采用单层分数槽集中绕组，且在每个电枢齿之间增加一个容错齿，容错齿和电枢齿交替排列，实现了电机相与相之间的磁路、热路的物理隔离，具有优良的容错性能；相与相之间的互感很小，相对自感可以忽略不计。假设该电机为隐极式电机，且电机相反电势以基波为主，其它谐波可以忽略不计；相电感随转子位置波动较小，认为是常数。

在正常情况下，五相永磁电机的Clark变换矩阵T_clark为

式中，μ＝0.4π。

采用变换矩阵T_clark将五相电压变换到两相静止坐标系(α-β)和(z₁-z₂)上

[u_α u_β u_z1 u_z2]^T＝T_clark[u_A u_B u_C u_D u_E]^T (2)

式中，u_α、u_β、u_z1、u_z2分别为相电压在α-β和z₁-z₂上的分量，u_A、u_B、u_C、u_D、u_E分别为A、B、C、D、E相的电压。

将五相电流变换到α-β和z₁-z₂上

[i_α i_β i_z1 i_z2]^T＝T_clark[i_A i_B i_C i_D i_E]^T (3)

式中，i_α、i_β、i_z1、i_z2分别为相电流在α-β和z₁-z₂上的分量，i_A、i_B、i_C、i_D、i_E分别为A、B、C、D、E相的电流。

电机反电势为基波，三次谐波电流不产生有效转矩，仅增加损耗，因此，需其抑制为零。在三次谐波电流为零的情况，定子磁链的三次谐波也为零。假设定子相电感是常数，定子磁链在α-β上可表示为

式中，ψ_α、ψ_β分别为定子磁链在α-β上的分量；ψ_f为永磁磁链；θ_r为转子位置角；L为相电感。

若采用电压模型，定子磁链观测器可以设计为

式中，ψ_s为定子磁链,R为定子电阻。

根据磁共能法，设计五相永磁电机转矩观测器为

式中，n_p为电机极对数，T_e为电磁转矩。

将给定转矩T_e ^*与估测转矩T_e作差得到的转矩瞬时偏差为ΔT_e，以及给定磁链ψ_s ^*与估测磁链ψ_s作差得到的定子磁链瞬时偏差为Δψ_s，建立符号函数Sign()如下：

式中，c₁和c₂分别是常数。

根据空间矢量定义，五相永磁电机在一维空间电压矢量V_n可以表示为

式中，U_dc为母线电压，S_a、S_b、S_c、S_d、S_e为逆变器开关函数。

为了抑制三次电流谐波，需要同时考虑一维空间的电压矢量和三维空间的电压矢量。五相永磁电机在三维空间的电压矢量V_3n可以表示为

忽略电机的漏感，三次谐波电流可表示为

式中，u_z为三次谐波空间的定子电压矢量，i_z为三次谐波电流矢量。

由此可见，三次谐波空间的定子电压矢量u_z与三次谐波电流矢量i_z同相位。为了抑制三次谐波电流为0，在z₁-z₂子空间下选取的电压矢量u_z应该与三次谐波电流矢量i_z的夹角大于180°。由上式可知，若要使三次谐波电流误差Δi_z收敛至0，选取的电压矢量与Δi_z成钝角即可。由此，建立电压矢量开关表，进而实现五相永磁电机在正常情况下的直接转矩控制。

步骤2，设计五相永磁电机一相开路故障情况下的容错直接转矩控制算法。

若五相永磁电机A相发生开路故障之后，电机控制的自由度从原来的四个变为三个。根据传统Clark变换矩阵的特点，去掉传统Clark变换矩阵的第一列和第三行，修正第一行使其与其余各行正交，则五相永磁电机A相开路故障情况下的推广Clark变换矩阵T_open为

根据铜耗最小原则和故障前后磁动势相等推导出剩余非故障相电流为

式中，I为相电流幅值，θ_r为转子位置角。

采用推广Clark变换矩阵T_open将开路故障情况下的剩余非故障相电压变换到两相静止坐标系上

[u_α u_β u_z2]^T＝T_open[u_B u_C u_D u_E]^T (14)

将剩余非故障相电流变换到两相静止坐标系上

[i_α i_β i_z2]^T＝T_open[i_B i_C i_D i_E]^T (15)

为实现铜耗最小，三次谐波电流i_z2应控制为零，即

i_z2＝0 (16)

在一相开路情况下，定子磁链在α-β上可表示为

由此可见，一相开路的情况下，采用式(12)所示的推广Clark变换矩阵后，定子磁链在α-β上保持不变，定子磁链轨迹依旧为圆，此时磁链观测器和转矩观测器仍可设计为式(5)和式(6)。

将给定转矩T_e ^*与估测转矩T_e作差得到的转矩瞬时偏差ΔT_e，以及给定磁链ψ_s ^*与估测磁链ψ_s作差得到的定子磁链瞬时偏差Δψ_s，建立符号函数如式(7)和(8)所示。

在A相故障情况下，只能使用剩余四相合成的电压矢量进行控制，所以需将故障相A相的开关状态S_a设置为0，代入式(9)和(10)得到空间电压矢量分布如图1所示。

根据一维和三维开关电压矢量图，设计五相永磁电机一相开路故障情况下所对应的容错开关表，其由表1和2组成。

表1开关组号表

表2电压矢量开关表

表中，V₁，…，V₁₄为电压矢量。

电机在一相开路故障情况下，根据磁链和转矩误差在一维开关组号表中选择电压矢量时应考虑三维开关表中的电压矢量，才能有效抑制三次电流谐波，提高电机容错运行性能。以电压矢量在第一扇区为例，考虑磁链和转矩。若Δψ_s＝1，ΔT_e＝1，表示磁链和转矩都需增大，则选择表1中I扇区下面对应的组号2。由于A相断路，为抑制三次谐波，根据前面分析，扇区仅分为i_z2≥0的部分和i_z2<0的部分。若i_z2≥0，则在组2中选择电压矢量V₈；若i_z2<0，选择电压矢量V₁₃。同理，Δψ_s＝1，ΔT_e＝-1表示磁链需增大，转矩需减小，对应表1中I扇区下面组号8。此时若i_z2≥0，则在表2中选择电压矢量V₁₁；若i_z2<0，选择电压矢量V₁。图2为五相永磁电机相开路故障情况下的容错直接转矩控制策略框图。

步骤3，将A相开路故障情况下五相永磁电机在自然坐标系上的数学模型变换到定子磁场定向的坐标系(x-y)上。

由α-β变换到x-y上的推广Park变换矩阵T_xy可表示为

式中，θ_s为定子磁链矢量和α轴的夹角。

将相开路故障情况下的定子电压方程通过推广Clark变换矩阵T_open和推广Park变换矩阵T_xy变换到x-y上。由于x轴和定子磁链矢量重合，y轴上的定子磁链分量ψ_y＝0，x轴上的磁链分量ψ_x＝ψ_s，则故障电机在x-y上可表示为

式中：u_x、u_y、i_x、i_y分别为x轴和y轴的电压和电流；R为定子电阻；ω_s为定子磁链角速度。

电机转矩方程可表示为

五相永磁电机相开路故障下的数学模型在x-y上可进一步表示为

式中：f_x、f_y、f_ω为扰动量，ω为机械角速度，J_m为转动惯量。

式中：T_l为负载；ΔR、ΔT_l分别是参数R、T_l的扰动；ε_x、ε_y、ε_ω为系统未建模部分。

电机相短路故障对电机性能的影响可分解为两部分：1)电机相开路故障(缺失)对电机性能的影响；2)电机相短路电流对电机性能的影响。也就是电机相短路故障对电机性能的影响是在电机相开路故障对电机性能影响的基础上，额外增加了相短路电流引起的扰动。该扰动将直接导致转矩脉动。于是，在定子磁链定向的坐标系上，电机相短路故障模型可以由电机相开路故障模型以及相短路电流导致的转矩脉动模型构成。

式(21)是自然坐标系上的电机相开路故障模型变换到x-y上后得到的电机开路故障模型。在此基础上，如原先的开路故障相发生相短路故障，则根据前面分析，该故障相电流将导致转矩脉动，因此在x-y上的相短路故障电机模型仍然可以使用式(21)来表示，此时式(22)中的ΔT_l中将包含短路相电流导致的转矩脉动。

由式(21)和(22)得

式中：ω^*、ω分别为给定速度和实际速度，分别为ω^*、ω的一阶导数。

令则上式可以进一步表示为

式中：d₁为不匹配干扰 为状态变量x₁、x₂的一阶导数；电机短路故障导致的转矩脉动就包含在d₁中，d₂为匹配干扰d₂＝af_x。

步骤4，根据步骤3所建立的系统状态变量x₁、x₂和不匹配干扰d₁，设计干扰观测器观测电机系统的不匹配干扰d₁。

由于使用直接转矩控制具有较强的抗扰性，可以消除匹配干扰d₂，而对不匹配干扰d₁不起作用，因此只需估计出式(25)中的不匹配干扰d₁，设计不匹配干扰观测器如下：

式中：分别为d₁和的估计值，p₁₁、p₁₂为辅助变量，k₁₁、k₁₂为观测器参数且大于0。

观测出来的扰动d₁由如下部分组成：一部分为电机的短路故障引起的转矩扰动，该扰动频率为电机短路电流频率的两倍；一部分为电机的实际负载；还有一部分为电机未建模部分引起的转矩脉动。将观测器观测出来的扰动d₁直接前馈到系统中，不但能有效抑制电机相短路故障导致的转矩脉动，而且还能消除负载扰动和未建模部分引起的转矩脉动，提高了系统运行的稳态性能和可靠性。

本发明使用扰动观测器观测相短路故障导致的转矩扰动，避免了复杂的计算过程，简化了控制系统。本发明提出的扰动观测器控制框图如图3所示。

步骤5，将步骤4得到的扰动d₁前馈到系统中，和速度PI调节器输出指令转矩T_e ^*相加得到最终的指令转矩，然后结合电机相开路故障情况下的容错直接转矩控制策略，本发明提出的基于扰动观测器的五相永磁电机短路容错直接转矩策略的控制框图如图4所示。

首先，计算出电机运行时的实际速度ω^*，与给定速度ω做差，得到转速误差Δω＝ω-ω^*，采用速度PI调节得到指令转矩T_e ^*；同时将扰动观测器观测出的扰动量和指令转矩相加，然后和转矩观测器观测出的转矩作差得到转矩误差为ΔT＝T_e ^*-T_e+T_r；该转矩误差经转矩滞环比较器输出；指令磁链和磁链观测器观测出的磁链的误差经磁链滞环比较器输出；根据转矩滞环比较器和磁链滞环比较器的输出，结合开关组号表1和电压矢量开关表2得到指令电压。最后将该电压指令送电压源逆变器，进而实现电机相短路故障情况下的直接转矩控制。本发明提出的基于扰动观测器的五相永磁电机短路容错直接转矩策略的控制框图如图4所示。

按图3和图4在Matlab/Simulink中对五相永磁电机控制系统仿真模型，进行仿真分析，得到基于扰动观测器的五相永磁电机一相短路故障情况下的短路容错直接转矩控制的仿真结果。

图5为本发明实施例A相短路故障发生后加了本发明的容错直接转矩控制策略前后的转矩波形图；给定转速为200r/min，给定磁链为0.034Wb，由于短路电流影响，转矩产生较大的脉动，0.15s后本发明的容错直接转矩控制策略启动，转矩恢复稳定。图6为本发明实施例A相短路故障发生后，本发明的容错直接转矩控制策略启动前后的转速波形图；由于短路电流影响，转速产生较大波动，本发明容错直接转矩控制策略启动后，电机转速平稳。由以上所述可知，本发明基于扰动观测器的五相永磁电机短路容错直接转矩控制方法可以很好的抑制转矩脉动以及转速波动，提高了系统的鲁棒性，所需参数鲁棒性好，简化了控制系统，提高了该类电机在相短路故障情况下的稳态和动态性能。

综上，本发明的一种基于扰动观测器的五相永磁电机短路容错直接转矩控制方法。在五相永磁电机直接转矩控制策略基础上，首先设计该电机一相开路故障情况下的容错直接转矩控制算法；然后在定子磁场定向坐标系上，建立五相永磁电机的二阶数学模型，设计扰动观测器，观测该电机短路故障和未建模部分导致的转矩脉动；最后将观测出来的扰动信号前馈到转矩给定值中，进而根据开路容错情况下的开关组号表、电压矢量开关表实现该电机相短路故障情况下的高性能运行。该方法有效地抑制了由短路故障导致的转矩脉动以及系统未建模部分导致的转矩脉动。进而电机驱动系统在相短路故障情况下能够平稳运行并具有很强的鲁棒性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，均属于本申请所附权利要求所限定的保护范围。