五相永磁容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方法技术

本发明专利技术公开了一种五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方法。根据故障前后行波磁动势不变以及非故障相电流和为零的原则，以不相邻两相电流幅值相等作为约束条件，求出非故障相容错电流，从而推导出非故障相所在自然坐标系到两相静止坐标系变换的推广克拉克变换矩阵；采用该变换矩阵的转置矩阵观测出非故障相反电势；采用电流内模控制器、一阶惯性前馈电压补偿器、反电势观测器将该类电机在相邻两相开路故障状态下的非线性强耦合系统变换为一阶惯性系统。本发明专利技术不但抑制了电机故障导致的推力波动，而且更为关键的是其动态性能、稳态性能和正常状态下的性能一致，实现了无超调快速响应，且电压源逆变器开关频率恒定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种永磁直线电机相邻两相开路故障容错控制方法，特别是五相容错永磁直线电机相邻两相开路故障容错矢量控制方法。适用于航空航天、电动汽车、深海、医疗器械等对电机的可靠性和动态性能有较高要求的场合。
技术介绍
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安全稳定性要求越来越高。作为现代汽车的重要组成部分，悬架系统性能对汽车行驶平顺性和操作稳定性等有着极其重要的影响，因此主动悬架系统的研究受到业内高度重视。作为主动电磁悬架系统的核心部件，圆筒直线电机研究受到重视。电机在故障状态下的容错性能，直接决定着电磁悬架的可靠性和连续运行的能力。容错电机在某一相或某两相发生开路故障时，电机仍然具有一定的推力或者转矩输出能力，但是推力或者转矩波动很大，噪声增大，严重影响系统性能。容错控制的目标是针对不同应用场合对容错电流进行优化，使电机在故障状态下的输出推力或者转矩尽量平滑，并且使电机性能达到或接近故障前的性能。中国专利技术专利申请号为201510075347.7的专利《一种用于五相容错永磁直线电机的容错控制方法》针对五相容错表贴式永磁直线电机一相开路故障，根据故障前后旋转磁动势幅值和相角不变以及剩余正常相电流幅值相等的原则，以相电流和等于零为约束条件，优化剩余非故障相的相电流；再由该非故障相电流求出非故障相坐标系到两相静止坐标系变换的推广派克矩阵及其逆变换矩阵；从而实现五相容错永磁直线电机一相开路故障情况下的矢量控制。但该方法无法实现五相电机两相开路故障情况下的矢量控制。中国专利技术专利申请号为201410492490.1的专利《基于铜耗最小原则的五相磁通切换电机容错控制方法》针对五相磁通切换电机两相开路故障，以电磁转矩和给定转矩相等以及电流和为零为约束条件，以铜耗最小为目标求出非故障相电流，但是仅仅给出容错电流没有给出具体的控制方法。目前，常用的容错控制方法是：计算出容错电流，然后采用电流滞环策略进行控制。但是，该方法存在开关频率杂乱、噪声大、电机动态性能差等问题，不适合功率较大以及对电机动态性能要求高的场合。
技术实现思路
针对现有电机容错控制技术中存在的不足，以及本专利技术提出的五相永磁体内嵌式容错直线电机的特性和该类电机相邻两相开路故障特点，本专利技术目的是克服电机相邻两相开路故障后现有容错策略使用电流滞环控制导致逆变器开关频率杂乱、电机响应速度下降、动态性能差、电流无法精确跟随、噪声严重的缺点，现有容错矢量控制策略无法实现两相开路故障情况下容错运行的缺陷，以及传统电流PI控制由于响应快速性和超调的矛盾引起参数调节困难的问题，提出一种用于本专利技术的五相永磁体内嵌式容错直线电机的相邻两相开路容错矢量控制方法，实现了反电势的精确估算，降低控制器参数调节难度，实现该类电机系统在相邻两相开路故障状态下的高容错性能、高动态性能、电流良好跟随性，减小CPU开销，实现逆变器开关频率恒定、降低噪声，便于电磁兼容设计，进而提高本专利技术的五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路故障状态下的动态性能和可靠性。本专利技术用于五相永磁体内嵌式容错直线电机的容错矢量控制方法采用如下技术方案：一种用于五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立五相永磁体内嵌式容错直线电机模型；步骤2，永磁体内嵌式容错直线电机分为A、B、C、D、E这五相，当电机发生C相和D相开路故障时，根据电机故障前后行波磁动势不变原则以及剩余非故障相电流之和为零的约束条件，再由不相邻两相B相和E相电流幅值相等作为约束条件，求出故障后电机容错运行的非故障相电流；步骤3，根据非故障相电流，求取三个非故障相自然坐标系到两相静止坐标系变换的推广克拉克变换矩阵Tpost、逆变换矩阵以及转置矩阵步骤4，建立五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路故障状态下在同步旋转坐标系上的数学模型；步骤5，采用推广克拉克变换矩阵Tpost将在自然坐标系下采样到的剩余三相非故障相电流变换到两相静止坐标系上的电流，运用派克变换矩阵C2s/2r将两相静止坐标系上的电流变换到同步旋转坐标系上的电流；步骤6，设计一阶惯性前馈电压补偿器获得前馈补偿电压，同时该电流指令和反馈电流的差值经电流内模控制器获得控制电压与前馈补偿电压相加得到同步旋转坐标系上的电压指令，采用C2r/2s和将该电压指令变换到自然坐标系上的A相、B相和E相的电压指令步骤7，采用C2r/2s以及动子永磁磁链设计反电势观测器观测出非故障相反电势；步骤8，非故障的电压指令和非故障相反电势相加得期望相电压指令；步骤9，将期望相电压指令经电压源逆变器，采用CPWM调制方法实现五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路故障后的无扰容错矢量运行。本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术在保证电机任意相邻两相开路故障前后电机输出推力相等的前提下，不但能有效抑制电机推力波动，而且更为关键的是能使电机容错运行情况下的动态性能、电流跟随性能和正常状态下的性能一致，并且无需复杂的计算，电压源逆变器开关频率恒定、噪声低、CPU开销小，算法具有一定的通用性。2、由本专利技术中的剩余非故障相电流矢量推导出的推广克拉克变换矩阵和派克变换矩阵能在相邻两相开路故障状态下将剩余非故障相的稳态电流变换到同步旋转坐标系上无脉动的电流。而采用传统克拉克变换矩阵及帕克变换矩阵在相邻两相故障状态下只能将剩余非故障相的电流变换到同步旋转坐标系上脉动的电流。3、推广克拉克变换矩阵和派克变换矩阵相结合实现了相邻两相开路故障状态下剩余非故障相构成的自然坐标系到同步旋转坐标系的变换，为电机相邻两相开路故障状态下的容错矢量控制创造了前提条件。4、推广克拉克变换矩阵的转置矩阵和派克逆变换矩阵和动子永磁磁链相结合设计的反电势观测器实现了该类电机相邻两相开路故障情况下的反电势精确估算，从而实现了该类电机相邻两相开路故障情况下的容错矢量运行。5、和电流PI控制器相比，电流内模控制器和推广克拉克逆变换矩阵、派克逆变换矩阵、反电势观测器以及一阶惯性前馈电压补偿器相结合将该类电机在相邻两相开路故障状态下的非线性强耦合系统变换为一阶惯性系统，降低了控制器参数整定难度，保证了该类电机系统在相邻两相开路故障状态下电流跟随性能、稳态性能、动态性能，使电机动态性能、稳态性能和电机故障前的性能一致，并且能够实现无超调快速响应。6、推广克拉克变换矩阵和派克变换矩阵以及零序电压谐波注入的CPWM调制相结合，提高了该类电机相邻两相开路故障状态下逆变器母线电压利用率，同时减小了容错矢量控制算法的复杂性，降低了CPU开销。7、相邻两相开路容错矢量控制策略、反电势观测策略、电流内模控制策略、一阶惯性前馈电压补偿策略、CPWM调制技术与五相永磁体内嵌式容错直线电机相结合，大大提高了该电机在相邻两相开路故障状态下的容错性能、动态性能和稳态性能，节省了CPU开销。和电流滞环控制相比，降低了噪声，降低了电磁兼容设计难度。进而使得该电机在相邻两相开路故障状态下控制精度高，电流跟随性能好，电机效率高、输出推力响应速度快且推力脉动和故障前一样小，实现了电机系统的在相邻两相开路故障状态下的高可靠性以及高动态性能。附图说明图1为本专利技术实施例五相永磁体内嵌式容错直线电机的结构示意图；图2为本专利技术实施例五相永磁体内嵌本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立五相永磁体内嵌式容错直线电机模型；步骤2，永磁体内嵌式容错直线电机分为A、B、C、D、E这五相，当电机发生C相和D相开路故障时，根据电机故障前后行波磁动势不变原则以及剩余非故障相电流之和为零的约束条件，再由不相邻两相B相和E相电流幅值相等作为约束条件，求出故障后电机容错运行的非故障相电流；iA=3.618(-iq*sin(θ)+id*cos(θ))iB=2.236(-iq*sin(θ-45π)+id*cos(θ-45π))iE=2.236(-iq*sin(θ+45π)+id*cos(θ+45π))]]>式中，分别是旋转坐标系下d轴、q轴的电流指令，θ为电角度v直线电机动子运动电速度，τ为极距；步骤3，根据非故障相电流，求取三个非故障相自然坐标系到两相静止坐标系变换的两行三列的推广克拉克变换矩阵Tpost、三行两列的逆变换矩阵以及转置矩阵Tpost=1.618cos08.781cos4π58.781cos(-4π5)8.7810sin4π51.545sin(-4π5)1.545]]>Tpost-1=2.2361.618cos00cos4π5sin4π5cos(-4π5)sin(-4π5)]]>TpostT=1.618cos08.7810cos4π58.781sin4π51.545cos(-4π5)8.781sin(-4π5)1.545;]]>步骤4，建立五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路故障状态下在同步旋转坐标系上的数学模型；步骤5，采用Tpost和派克变换矩阵将在自然坐标系下采样到的剩余A相电流、B相电流和E相电流变换到同步旋转坐标系上的电流(id、iq)；步骤6，设计一阶惯性前馈电压补偿器，获得前馈补偿电压电流指令和反馈电流(id、iq)的差值经电流内模控制器得控制电压(ud0、uq0)，将该电压与前馈补偿电压相加得到同步旋转坐标系上的电压指令采用C2r/2s和将该电压指令变换到自然坐标系上的A相、B相和E相的电压指令步骤7，采用和C2r/2s以及动子永磁磁链设计反电势观测器观测出非故障相反电势(eA、eB、eE)eAeBeE=ω(TpostTC2r/2s02.5λm-0.539λmsinθ111);]]>步骤8，非故障相电压指令和非故障相反电势(eA、eB、eE)相加得期望相电压指令uA**=uA*+eAuB**=uB*+eBuE**=uE*+eE;]]>步骤9，将期望相电压指令经电压源逆变器，采用CPWM调制方法实现五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路故障后的无扰容错矢量运行。...

【技术特征摘要】
1.一种五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立五相永磁体内嵌式容错直线电机模型；步骤2，永磁体内嵌式容错直线电机分为A、B、C、D、E这五相，当电机发生C相和D相开路故障时，根据电机故障前后行波磁动势不变原则以及剩余非故障相电流之和为零的约束条件，再由不相邻两相B相和E相电流幅值相等作为约束条件，求出故障后电机容错运行的非故障相电流； i A = 3.618 ( - i q * sin ( θ ) + i d * cos ( θ ) ) i B = 2.236 ( - i q * sin ( θ - 4 5 π ) + i d * cos ( θ - 4 5 π ) ) i E = 2.236 ( - i q * sin ( θ + 4 5 π ) + i d * cos ( θ + 4 5 π ) ) ]]>式中，分别是旋转坐标系下d轴、q轴的电流指令，θ为电角度v直线电机动子运动电速度，τ为极距；步骤3，根据非故障相电流，求取三个非故障相自然坐标系到两相静止坐标系变换的两行三列的推广克拉克变换矩阵Tpost、三行两列的逆变换矩阵以及转置矩阵 T p o s t = 1.618 cos 0 8.781 cos 4 π 5 8.781 cos ( - 4 π 5 ) 8.781 0 sin 4 π 5 1.545 sin ( - 4 π 5 ) 1.545 ]]> T p o s t - 1 = 2.236 1.618 c o s 0 0 c o s 4 π 5 s i n 4 π 5 cos ( - 4 π 5 ) s i n ( - 4 π 5 ) ]]> T p o s t T = 1.618 c o s 0 8.781 0 cos 4 π 5 8.781 s i n 4 π 5 1.545 cos ( - 4 π 5 ) 8.781 s i n ( - 4 π 5 ) 1.545 ; ]]>步骤4，建立五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路故障状态下在同步旋转坐标系上的数学模型；步骤5，采用Tpost和派克变换矩阵将在自然坐标系下采样到的剩余A相电流、B相电流和E相电流变换到同步旋转坐标系上的电流(id、iq)；步骤6，设计一阶惯性前馈电压补偿器，获得前馈补偿电压电流指令和反馈电流(id、iq)的差值经电流内模控制器得控制电压(ud0、uq0)，将该电压与前馈补偿电压相加得到同步旋转坐标系上的电压指令采用C2r/2s和将该电压指令变换到自然坐标系上的A相、B相和E相的电压指令步骤7，采用和C2r/2s以及动子永磁磁链设计反电势观测器观测出非故障相反电势(eA、eB、eE) e A e B e E = ω ( T p o s t T C 2 r / 2 s 0 2.5 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：周华伟，刘国海，赵文祥，陈前，徐亮，陈龙，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32