一种电机容错故障控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种电机容错故障控制方法及装置，包括：采集当前采样周期下六相电机中非故障的5相电流，并将5相电流转换为解耦坐标系下的5个电流分量；使用电机的数学模型和5个电流分量预测下一采样周期下电机各相的相电流值，并通过各相电流的指令值预测下一个采样周期电机控制器输出的最佳电压矢量；将最佳电压矢量转换为解耦坐标系下的5个电压分量，并对交、直轴电压分量合成的电压矢量限幅；将限幅后的交、直轴电压分量变换回到相坐标系中，将最终的最佳电压矢量转换为每相占空比，并根据每相占空比调节每相电压的驱动信号进行电机驱动。本发明专利技术在不影响电机动态性能的同时，显著降低六相电机一相绕组开路故障容错工况下的相电流电流谐波。

A fault tolerant fault control method and device for motor

The invention discloses a motor fault tolerant control method and apparatus, including: collecting the current non fault phase current sampling 5 cycle of six phase motor, and the 5 phase current is converted into 5 decoupled current coordinates; mathematical model of motor and the 5 component of the current forecast next sampling period under the motor phase current value, and through the phase current command value prediction of the optimal voltage vector motor controller output sampling period to the next; optimal voltage vector is converted into 5 decoupled voltage coordinates, and the direct and quadrature axis voltage component of synthesized voltage vector will be limiting; after limiting and q-axis voltage component to transform phase coordinates, the optimal voltage vector into each phase of final duty cycle, according to each phase of duty cycle adjustment drive signal voltage of each phase of the motor drive. While the dynamic performance of the motor is not affected, the present invention reduces the phase current harmonics of the six phase motor under the open fault fault tolerance condition of the phase winding.

【技术实现步骤摘要】
一种电机容错故障控制方法及装置
本专利技术属于机电
，更具体地，涉及一种电机容错故障控制方法及装置。
技术介绍
目前，多相电机在高功率密度、高可靠性领域得到广泛应用，在风电场、电动汽车、船舶推进、航空航天等领域中具有广阔的应用前景。与三相电机相比，多相电机具有更多的控制自由度，这使得多相电机的控制更加灵活，当多相电机发生一相断路故障后，通过控制算法重新分配各相电流的幅值和相位仍然可以使电机正常运行，且系统额定功率降低较小。容错工况的六相电机，各相绕组空间分布不再对称，传统空间矢量调制方法不再适用，为解决这一问题，研究人员提出了模型预测控制算法。模型预测控制算法的具体内容是：电机变频器只有有限数量的开关状态，每一种开关状态对电机工作状况的作用影响不一，控制器通过在每一个采样周期计算并预测每一种状态对电机性能的影响，得到使电机最快跟踪运行指令的开关状态，即最佳开关状态，并作用于下一采样周期。在传统的模型预测控制算法中，最佳的开关矢量作用满整个采样周期，即各桥臂功率器件占空比始终保持1或者0。传统模型预测方法并不适用于一般的调制方法，例如正弦波脉宽调制、空间矢量脉宽调制，调制的基础在于对功率器件占空比的计算、调节和分配，当占空比始终为1或0，调制方法无法工作。综上，传统模型预测方法具有动态性能高的优点，但同时由于算法本身基于穷举变频器开关状态的原理，具有计算量大、电流谐波含量高、稳态性能不好、铜耗大的缺点，难以满足长时间容错工况运行的需求。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于解决传统模型预测方法由于算法本身基于穷举变频器开关状态的原理，具有计算量大、电流谐波含量高、稳态性能不好、铜耗大的缺点，难以满足长时间容错工况运行的需求的技术问题。为实现上述目的，一方面，本专利技术提供一种电机容错故障控制方法，包括以下步骤：(1)采集当前采样周期下六相电机中非故障的5相电流，并将5相电流转换为解耦坐标系下的5个电流分量，5个电流分量包括与电机电磁转矩产生有关的交、直轴电流分量，和与电磁转矩产生无关的x轴、y轴和0轴电流分量，所述六相电机中有一相电流故障；(2)使用电机的数学模型和步骤(1)得到的解耦坐标系下的5个电流分量预测下一采样周期下电机各相的相电流值，通过各相电流的指令值和预测得到的下一采样周期下电机各相的相电流，预测下一个采样周期电机控制器输出的最佳电压矢量；(3)将所述最佳电压矢量转换为解耦坐标系下的5个电压分量，所述5个电压分量包括与电机电磁转矩产生有关的交、直轴电压分量，当所述交、直轴电压分量合成的电压矢量幅值超过限幅值时，将所述电压矢量幅值限制在限幅值，并保持其矢量方向不变，得到解耦坐标系下最终的交、直轴电压分量；(4)将步骤(3)得到的解耦坐标系下最终的交、直轴电压分量变换回到相坐标系中，确定最终的最佳电压矢量，将最终的最佳电压矢量转换为每相占空比，并根据每相占空比调节每相电压的驱动信号进行电机驱动。本专利技术使用步骤(2)中的六相电机数学模型，通过步骤(2)中离散化的电压方程，计算由采样电流到参考电流的所需理想电压矢量，通过步骤(3)中的帕克变换阵和克拉克变换阵的逆矩阵，将旋转坐标系下的电压矢量转换到相坐标系下，在步骤(4)中，通过在相坐标系下计算各相桥臂的占空比，结合空间矢量调制方法，实现容错工况下多相电机的驱动控制。本专利技术通过预测下一时刻电流值和偏微分求取指令值与实际值差值最小的方法，克服了模型预测控制算法在容错工况下需枚举变频器多种状态带来的计算量大的问题，同时结合限幅值以及最佳电压矢量占空比调制过程，显著降低电流谐波含量，提高了电机控制的精度，提升电机在容错工况下的电流质量。可选地，所述步骤(1)包括以下步骤：(1.1)测量电机的电角度θ(k)和电机剩余非故障相的相电流iabcuv(k)，设当前采样周期为k时刻，相电流iabcuv(k)分量为Ia,Ib,Ic,Iu,Iv，其中a，b，c，u，v分别代表各非故障相的绕组；(1.2)根据电角度θ(k)计算角速度ωe(k)，其中e代表此转速为电角速度；(1.3)用测量到的相电流iabcuv(k)通过帕克变换和克拉克变换得到解耦坐标系下的电流idqxy0(k)，解耦的电流分量为Id,Iq,Ix,Iy,I0，其中Id,Iq为与产生电磁转矩相关的直轴和交轴电流分量，Ix,Iy,I0为与产生电磁转矩无关的电流分量；克拉克变换阵为Tc和帕克变换阵为Tp，其中下标c代表克拉克变换阵，p代表帕克变换阵，Tc和Tp分别表示如下：其中，I4表示4x4的单位对角矩阵；由相电流变换到解耦的电流的过程如下：[Id,Iq,Ix,Iy,I0]T＝Tp·Tc·[Ia,Ib,Ic,Iu,Iv]T，其中上标T表示矩阵的转置。可选地，所述步骤(2)包括以下步骤：(2.1)通过k时刻的电流值idqxy0(k)、ωe(k)以及电机的数学模型中的电压方程，预测k+1时刻的电流值idqxy0(k+1)，设下一个采样周期为k+1时刻；电机的数学模型中用于预测电流的电压方程为：其中，vd,vq,vx,vy,v0分别为解耦坐标系下的各电压分量，Id,Iq,Ix,Iy,I0分别为解耦坐标系下的各电流分量，Rs为相电阻值，表示对时间t求导，Ld,Lq,Lx,Ly,L0分别为解耦坐标系下各相的电感值，ψm为电机永磁磁链；将以上电压方程离散化，离散化方法选用前向欧拉法其中x为任何待离散化的变量，Ts为采样周期，k代表第k时刻的变量的值，k+1代表k+1时刻的变量的值，离散后的方程表示为：idqxy0(k+1)＝Aidqxy0(k)+BU(k)+C其中，idqxy0(k+1)＝[Id(k+1),Iq(k+1),Ix(k+1),Iy(k+1),I0(k+1)]T，idqxy0(k)＝[Id(k),Iq(k),Ix(k),Iy(k),I0(k)]T，U(k)＝[vd,vq,vx,vy,v0]T；A、B、C均为方程的系数，具体为：通过以上计算得到的idqxy0(k+1)即为预测的k+1时刻的电流值。(2.2)通过电机转速比例积分控制器(ProportionalIntegralcontroller，PI)环，由转速指令值和转速测量值生成相电流的指令值其中*号表示该值为指令值，用于表示解耦的电流组成的矩阵；(2.3)将下一时刻的电流idqxy0(k+1)和指令值之间的差值作为一个标量的函数g(k+1)，对此函数的各个电流变量求偏微分、计算标量函数的极小值，得到的解vo(k+1)即为最佳电压矢量；其中，g代表标量函数，g(k+1)表示k+1时刻的此标量函数的值；对标量函数g求k+1时刻各解耦坐标系下的电压分量的偏导数的过程为：将此方程的解表示为：vo(k+1)＝[vod(k+1),voq(k+1),vox(k+1),voy(k+1),vo0(k+1)]T，其中，下标o表示计算得到的此电压矢量为最佳电压矢量，vod(k+1),voq(k+1),vox(k+1),voy(k+1),vo0(k+1)分别为k+1时刻的解耦坐标系下的各个最佳电压分量。可选地，所述步骤(3)包括以下步骤：(3.1)通过对vo(k+1)各相相电压通过帕克变换和克拉克坐标变换，解耦坐标系下分离得到参与电磁转矩产生的分量vodq(k本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电机容错故障控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集当前采样周期下六相电机中非故障的5相电流，并将5相电流转换为解耦坐标系下的5个电流分量，5个电流分量包括与电机电磁转矩产生有关的交、直轴电流分量以及与电磁转矩产生无关的x轴、y轴和0轴电流分量，所述六相电机中有一相电流故障；(2)使用电机的数学模型和步骤(1)得到的解耦坐标系下的5个电流分量预测下一采样周期下电机各相的相电流值，通过各相电流的指令值和预测得到的下一采样周期下电机各相的相电流，预测下一个采样周期电机控制器输出的最佳电压矢量；(3)将所述最佳电压矢量转换为解耦坐标系下的5个电压分量，所述5个电压分量包括与电机电磁转矩产生有关的交、直轴电压分量，当所述交、直轴电压分量合成的电压矢量幅值超过限幅值时，将所述电压矢量幅值限制在限幅值，并保持其矢量方向不变，得到解耦坐标系下最终的交、直轴电压分量；(4)将步骤(3)得到的解耦坐标系下最终的交、直轴电压分量变换回到相坐标系中，确定最终的最佳电压矢量，将最终的最佳电压矢量转换为每相占空比，并根据每相占空比调节每相电压的驱动信号进行电机驱动。

【技术特征摘要】
1.一种电机容错故障控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集当前采样周期下六相电机中非故障的5相电流，并将5相电流转换为解耦坐标系下的5个电流分量，5个电流分量包括与电机电磁转矩产生有关的交、直轴电流分量以及与电磁转矩产生无关的x轴、y轴和0轴电流分量，所述六相电机中有一相电流故障；(2)使用电机的数学模型和步骤(1)得到的解耦坐标系下的5个电流分量预测下一采样周期下电机各相的相电流值，通过各相电流的指令值和预测得到的下一采样周期下电机各相的相电流，预测下一个采样周期电机控制器输出的最佳电压矢量；(3)将所述最佳电压矢量转换为解耦坐标系下的5个电压分量，所述5个电压分量包括与电机电磁转矩产生有关的交、直轴电压分量，当所述交、直轴电压分量合成的电压矢量幅值超过限幅值时，将所述电压矢量幅值限制在限幅值，并保持其矢量方向不变，得到解耦坐标系下最终的交、直轴电压分量；(4)将步骤(3)得到的解耦坐标系下最终的交、直轴电压分量变换回到相坐标系中，确定最终的最佳电压矢量，将最终的最佳电压矢量转换为每相占空比，并根据每相占空比调节每相电压的驱动信号进行电机驱动。2.如权利要求1所述的电机容错故障控制方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：(1.1)测量电机的电角度θ(k)和电机剩余非故障相的相电流iabcuv(k)，设当前采样周期为k时刻，相电流iabcuv(k)分量为Ia,Ib,Ic,Iu,Iv，其中a，b，c，u，v分别代表各非故障相的绕组；(1.2)根据电角度θ(k)计算角速度ωe(k)，其中e代表此转速为电角速度；(1.3)用测量到的相电流iabcuv(k)通过帕克变换和克拉克变换得到解耦坐标系下的电流idqxy0(k)，解耦的电流分量为Id,Iq,Ix,Iy,I0，其中Id,Iq为与产生电磁转矩相关的直轴和交轴电流分量，Ix,Iy,I0为与产生电磁转矩无关的电流分量；克拉克变换阵为Tc和帕克变换阵为Tp，其中下标c代表克拉克变换阵，p代表帕克变换阵，Tc和Tp分别表示如下：其中，I4表示4x4的单位对角矩阵；由相电流变换到解耦的电流的过程如下：[Id,Iq,Ix,Iy,I0]T＝Tp·Tc·[Ia,Ib,Ic,Iu,Iv]T，其中上标T表示矩阵的转置。3.如权利要求1或2所述的电机容错故障控制方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：(2.1)通过k时刻的电流值idqxy0(k)、ωe(k)以及电机的数学模型中的电压方程，预测k+1时刻的电流值idqxy0(k+1)，设下一个采样周期为k+1时刻；电机的数学模型中用于预测电流的电压方程为：其中，vd,vq,vx,vy,v0分别为解耦坐标系下的各电压分量，Id,Iq,Ix,Iy,I0分别为解耦坐标系下的各电流分量，Rs为相电阻值，表示对时间t求导，Ld,Lq,Lx,Ly,L0分别为解耦坐标系下各相的电感值，ψm为电机永磁磁链；将以上电压方程离散化，离散化方法选用前向欧拉法其中x为任何待离散化的变量，Ts为采样周期，k代表第k时刻的变量的值，k+1代表k+1时刻的变量的值，离散后的方程表示为：idqxy0(k+1)＝Aidqxy0(k)+BU(k)+C其中，idqxy0(k+1)＝[Id(k+1),Iq(k+1),Ix(k+1),Iy(k+1),I0(k+1)]T，idqxy0(k)＝[Id(k),Iq(k),Ix(k),Iy(k),I0(k)]T，U(k)＝[vd,vq,vx,vy,v0]T；A、B、C均为方程的系数，具体为：通过以上计算得到的idqxy0(k+1)即为预测的k+1时刻的电流值。(2.2)通过电机转速比例积分控制器环，由转速指令值和转速测量值生成相电流的指令值其中*号表示该值为指令值，用于表示解耦的电流组成的矩阵；(2.3)将下一时刻的电流idqxy0(k+1)和指令值之间的差值作为一个标量的函数g(k+1)，对此函数的各个电流变量求偏微分、计算标量函数的极小值，得到的解vo(k+1)即为最佳电压矢量；其中，g代表标量函数，g(k+1)表示k+1时刻的此标量函数的值；对标量函数g求k+1时刻各解耦坐标系下的电压分量的偏导数的过程为：将此方程的解表示为：vo(k+1)＝[vod(k+1),voq(k+1),vox(k+1),voy(k+1),vo0(k+1)]T，其中，下标o表示计算得到的此电压矢量为最佳电压矢量，vod(k+1),voq(k+1),vox(k+1),voy(k+1),vo0(k+1)分别为k+1时刻的解耦坐标系下的各个最佳电压分量。4.如权利要求3所述的电机容错故障控制方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：(3.1)通过对vo(k+1)各相相电压通过帕克变换和克拉克坐标变换，解耦坐标系下分离得到参与电磁转矩产生的分量vodq(k+1)：vodq(k+1)＝[vod(k+1),voq(k+1)]T；(3.2)设置变频器输出能力限幅值vmax，对vodq(k+1)的幅值进行限制；变频器输出能力表示为vmax，此vmax一般设置为六相电机正常运行时能输出的最大电压矢量的幅值，其中vdc表示变频器所接直流母线的电压大小；与电磁转矩产生相关的电压分量幅值限制过程如下：5.如权利要求4所述的电机容错故障控制方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下步骤：(4.1)将处理之后的最佳电压矢量变换回到相坐标系中，确定最终的最佳电压矢量，并通过以下公式确定各相桥臂功率器件的占空比D(k+1)；其中D(k+1)表示k+1时刻各相桥臂功率器件的占空比，具体为D(k+1)＝[Da(k+1),Db(k+1),Dc(k+1),Du(k+1),Dv(k+1)]T；(4.2)通过调制得到电机的驱动信号，输入到六相变频器中，驱动电机运行。6.一种电机容错故障控制装置，其特征在于，包括：相电流采...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健，叶东林，曲荣海，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42