一种非理想正弦反电动势永磁同步电机断相容错控制方法技术

本发明专利技术涉及一种非理想正弦反电动势永磁同步电机断相容错控制方法，通过对离线采集的永磁同步电机三相反电动势进行坐标变换得到同步旋转坐标系下的单位反电动势，根据单位反电动势和同步旋转坐标系下电磁转矩公式推导单位力矩对应的参考q轴给定电流。电机单相电枢绕组断开时，根据正常与断相条件下电机电磁转矩不变的原则，得到非故障相补偿电流与零轴补偿电流参考值的等效关系，采用零轴电压前馈和电流闭环补偿的方式，补偿断相故障造成的转矩脉动，实现非理想正弦反电动势永磁同步电机在断相故障下的容错控制。

A non ideal sinusoidal back electromotive force permanent magnet synchronous motor fault tolerance control method

The invention relates to a non ideal sinusoidal back EMF of permanent magnet synchronous motor fault tolerance fault control method based on off-line acquisition of permanent magnet synchronous motor three-phase EMF of coordinate transformation to obtain the synchronous rotating coordinate unit of electromotive force, according to the reference axis Q given unit of current back EMF and synchronous rotating coordinate under the system of electromagnetic torque formula unit torque corresponding to the. Single-phase motor armature winding is opened, according to the principle of normal and fault phase under the condition of constant torque, non fault phase compensation equivalent compensation current reference value of the current and the zero axis, the zero axis voltage and current loop feedforward compensation method, the torque ripple caused by the compensation phase fault, fault tolerance in fault phase fault control under non ideal sinusoidal back EMF of permanent magnet synchronous motor.

【技术实现步骤摘要】
一种非理想正弦反电动势永磁同步电机断相容错控制方法
本专利技术涉及一种非理想正弦反电动势永磁同步电机断相容错控制方法，用于实现非理想正弦反电动势永磁同步电机断相后电机驱动系统安全稳定运行。
技术介绍
由供电电路故障、绕组连接故障、导电滑环故障等因素造成的断相故障是电机最常见的故障之一。调查研究显示，断相故障约占电机绕组损坏事故的50％以上，电机断相后运行在两相的状态，非故障相绕组电流急剧增加，转矩脉动增大，电机控制性能下降，长时间运行甚至烧毁电机。为了避免上述不利因素，将断相容错驱动技术应用于断相电机，可减少电机断相后非故障相绕组的电流，抑制转矩脉动，保证电机驱动系统安全可靠的稳定运行。研究发现，永磁同步电机由于受永磁材料的特性、电机磁场模型精确度和生产工艺的约束，永磁同步电机的反电动势波形并非理想的正弦波或者是梯形波而是介于两者之间，为了得到理想的电磁转矩，这类电机在控制策略上比理想反电动势电机控制要复杂。非理想反电动势电机断相问题普遍存在，为了保证永磁同步电机驱动系统安全可靠运行，实现断相后非理想反电动势永磁同步电机驱动系统安全不停机运行，有必要对非理想正弦反电动势的永磁同步电机进行断相容错控制。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对非理想反电动势永磁同步电机断相后非故障相绕组电流激增、电机转矩脉动增大的问题，基于四桥臂容错拓扑结构，提出一种离线查表控制策略，故障后通过零轴电压前馈与零轴电流闭环控制相结合的方式，实现非故障相绕组电流的跟踪控制，减小非故障相绕组电流，补偿断相造成的转矩脉动。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种非理想正弦反电动势永磁同步电机断相容错控制方法，包括参考q轴电流模块1、电流闭环控制模块2、坐标变换模块3、电压变换模块4、PWM模块5、四桥臂拓扑模块6、电机本体模块7和零轴电压控制模块8，参考q轴电流模块1，用于生成q轴电流的给定值，包含给定转矩模块、三相反电动势模块、坐标变换模块、单位转矩q轴电流模块、离线表模块、q轴给定电流模块，三相反电动势模块是用示波器离线采集的永磁同步电机三相反电动势，根据反电动势中的转速、相位信息将三相反电动势单位化后,由坐标变换模块变换为q轴单位反电动势；离线表根据反电动势的相位存储由单位反电势与转矩公式反推得到的单位转矩q轴电流；q轴给定电流模块根据单位转矩q轴电流、给定转矩、转子实际位置实时输出给定电流；电流闭环控制模块2将参考q轴电流模块1的输出作为给定，通过坐标变换模块3、电压变换模块4、PWM模块5、四桥臂拓扑模块6驱动电机本体模块7；电机发生单相断相故障时，四桥臂拓扑模块6将电机中性点与第四桥臂连接得到重构的容错控制系统，为保持故障前后电机电磁转矩不变，采用零轴电压控制模块8抑制断相造成的电机转矩脉动，通过零轴电流闭环和零轴电压前馈结合的方式产生补偿电压，再由坐标变换模块、电压变换模块转换为逆变器输出端相对于母线电容中点的电压，PWM模块将电压变换模块的输出与载波电压比较得到逆变器开关信号，四桥臂拓扑模块根据PWM模块的输出驱动电机本体在故障条件下正常运转。其中，参考q轴电流模块1，用于生成q轴电流的给定值，其包含给定转矩模块、三相反电动势模块、坐标变换模块、单位转矩q轴电流模块，离线表模块、q轴给定电流模块，三相反电动势模块是用示波器离线采集的永磁同步电机三相反电动势，根据反电动势中的转速、相位信息将三相反电动势单位化后,由坐标变换模块变换为q轴单位反电动势；离线表根据反电动势的相位存储由单位反电势与转矩公式反推得到的单位转矩q轴电流；q轴给定电流模块根据单位转矩q轴电流、给定转矩、转子实际位置实时输出给定电流，其实现步骤如下：第一步，利用示波器存储电机在匀速运行时的反电势波形数据，根据离线反电动势波形的频率与相位的关系将a-b-c三相反电动势单位化，通过坐标变换将三相反电势转换为同步旋转坐标系下的反电动势：其中eas、ebs、ecs表示通过示波器采集的a-b-c三相反电动势，p表示电机极对数，ωe表示转子角速度，可由示波器的频率估算，ea、eb、ec表示单位化的a-b-c三相反电动势，ed、eq、e0表示同步旋转坐标系下d轴、q轴、零轴的单位反电动势，θe表示转子角位置；第二步，利用同步旋转坐标系下力矩公式反推单位转矩q轴电流：其中Tem*表示给定电磁转矩，id*、iq*表示d轴、q轴给定电流，当采用id*＝0控制策略时，上述转矩公式简化为：利用简化后的转矩公式可以得到单位转矩q轴电流：其中kTem是单位转矩对应的q轴参考电流；第三步，将kTem按照相位关系存储至离线查找表，根据电机转子位置实时给定单位转矩q轴电流；当电机在全转速范围内运行，单位反电动势波形变化很小，电流转矩比例系数kTem即单位转矩q轴电流变化很小，因此在全转速范围离线表数据可保持不变。其中，所述采用零轴电压控制模块8抑制断相造成的电机转矩脉动，通过零轴电流闭环和零轴电压前馈结合的方式产生补偿电压，保证故障前后电机电磁转矩不变，实现过程如下：假设a相故障(b相、c相以此类推)，当发生断相后，a相电流为零，四桥臂拓扑模块6将第四桥臂逆变器输出端与电机中线连接，零轴电压控制模块8的零轴电流闭环和零轴电压前馈根据参考q轴电流模块1中的q轴给定电流计算故障后补偿电流值，断相故障后补偿电流计算过程如下：根据故障前后dq0轴与abc三相电流关系确定非故障相(b相与c相)补偿电流：其中：和表示故障后可保持电机电磁转矩不变的非故障相b相与c相电流，ibf＝ib*+ib,c，icf＝ic*+ic,c，ib,c、ic,c表示b相与c相的补偿电流，表示故障后的d轴、q轴、零轴电流；采用id*＝0控制策略时，电磁转矩Tem＝1.5×p×ψm×iq*仅仅与q轴电流iq有关，根据idf＝id*，iqf＝iq*，i0*＝0解得非故障相b相与c相的补偿电流：此时，零轴电流：根据故障后的零轴电流计算零轴电压：其中：表示故障后零轴电压，L0表示电机零轴电感；将零轴电压输入到坐标变换模块中，以零轴电压前馈的方式补偿断相造成的转矩脉动，但前馈电压的方法不能补偿参数摄动引起的转矩波动，补偿精度较低，不适用于高精度的转矩控制；因此，在零轴电压前馈的基础上引入零轴电流闭环实现非故障相电流的实时跟踪控制，零轴电流闭环模块将零轴电流给定值变换为中线电流给定值，并将中线电流给定值与非故障相电流之和比较得到电流偏差，通过PI控制器实时输出中线补偿电压，实现断相容错控制。本专利技术的原理：永磁同步电机在a-b-c坐标系下电磁转矩、反电动势、电流关系如下式所示：其中,eas、ebs、ecs表示静止坐标系的三相反电势，ia、ib、ic表示绕组的三相电流，p表示电机极对数，ωe表示转子的角速度。电机反电动势幅值与电机转速呈正比，当永磁同步电机转速变化时反电动势波形的形状并未改变，仅其幅值变化。因此，通过这一关系获得单位三相反电动势：其中：ea、eb、ec表示a-b-c坐标系单位化的三相反电势。永磁同步电机电磁转矩简化为：Tem＝eaia+ebib+ecic利用坐标变换将a-b-c三相反电动势ea、eb、ec和三相参考电流ia*、ib*、ic*变换为d-q-0轴的单位反电动势ed、eq、e0和参考电流id本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非理想正弦反电动势永磁同步电机断相容错控制方法，其特征在于：包括参考q轴电流模块(1)、电流闭环控制模块(2)、坐标变换模块(3)、电压变换模块(4)、PWM模块(5)、四桥臂拓扑模块(6)、电机本体模块(7)和零轴电压控制模块(8)，参考q轴电流模块(1)，用于生成q轴电流的给定值，包含给定转矩模块、三相反电动势模块、坐标变换模块、单位转矩q轴电流模块、离线表模块、q轴给定电流模块，三相反电动势模块是用示波器离线采集的永磁同步电机三相反电动势，根据反电动势中的转速、相位信息将三相反电动势单位化后，由坐标变换模块变换为q轴单位反电动势；离线表根据反电动势的相位存储由单位反电势与转矩公式反推得到的单位转矩q轴电流；q轴给定电流模块根据单位转矩q轴电流、给定转矩、转子实际位置实时输出给定电流；电流闭环控制模块(2)将参考q轴电流模块(1)的输出作为给定，通过坐标变换模块(3)、电压变换模块(4)、PWM模块(5)、四桥臂拓扑模块(6)驱动电机本体模块(7)；电机发生单相断相故障时，四桥臂拓扑模块(6)将电机中性点与第四桥臂连接得到重构的容错控制系统，为保持故障前后电机电磁转矩不变，采用零轴电压控制模块(8)抑制断相造成的电机转矩脉动，通过零轴电流闭环和零轴电压前馈结合的方式产生补偿电压，再由坐标变换模块(3)、电压变换模块(4)转换为逆变器输出端相对于母线电容中点的电压，PWM模块(5)将电压变换模块(4)的输出与载波电压比较得到逆变器开关信号，四桥臂拓扑模块(6)根据PWM模块(5)的输出驱动电机本体模块(7)在故障条件下正常运转。...

【技术特征摘要】
1.一种非理想正弦反电动势永磁同步电机断相容错控制方法，其特征在于：包括参考q轴电流模块(1)、电流闭环控制模块(2)、坐标变换模块(3)、电压变换模块(4)、PWM模块(5)、四桥臂拓扑模块(6)、电机本体模块(7)和零轴电压控制模块(8)，参考q轴电流模块(1)，用于生成q轴电流的给定值，包含给定转矩模块、三相反电动势模块、坐标变换模块、单位转矩q轴电流模块、离线表模块、q轴给定电流模块，三相反电动势模块是用示波器离线采集的永磁同步电机三相反电动势，根据反电动势中的转速、相位信息将三相反电动势单位化后，由坐标变换模块变换为q轴单位反电动势；离线表根据反电动势的相位存储由单位反电势与转矩公式反推得到的单位转矩q轴电流；q轴给定电流模块根据单位转矩q轴电流、给定转矩、转子实际位置实时输出给定电流；电流闭环控制模块(2)将参考q轴电流模块(1)的输出作为给定，通过坐标变换模块(3)、电压变换模块(4)、PWM模块(5)、四桥臂拓扑模块(6)驱动电机本体模块(7)；电机发生单相断相故障时，四桥臂拓扑模块(6)将电机中性点与第四桥臂连接得到重构的容错控制系统，为保持故障前后电机电磁转矩不变，采用零轴电压控制模块(8)抑制断相造成的电机转矩脉动，通过零轴电流闭环和零轴电压前馈结合的方式产生补偿电压，再由坐标变换模块(3)、电压变换模块(4)转换为逆变器输出端相对于母线电容中点的电压，PWM模块(5)将电压变换模块(4)的输出与载波电压比较得到逆变器开关信号，四桥臂拓扑模块(6)根据PWM模块(5)的输出驱动电机本体模块(7)在故障条件下正常运转。2.根据权利要求1所述的一种非正弦反电动势永磁同步电机断相容错控制方法，其特征在于：参考q轴电流模块(1)，用于生成q轴电流的给定值，其包含给定转矩模块、三相反电动势模块、坐标变换模块、单位转矩q轴电流模块，离线表模块、q轴给定电流模块，三相反电动势模块是用示波器离线采集的永磁同步电机三相反电动势，根据反电动势中的转速、相位信息将三相反电动势单位化后，由坐标变换模块变换为q轴单位反电动势；离线表根据反电动势的相位存储由单位反电势与转矩公式反推得到的单位转矩q轴电流；q轴给定电流模块根据单位转矩q轴电流、给定转矩、转子实际位置实时输出给定电流，其实现步骤如下：第一步，利用示波器存储电机在匀速运行时的反电势波形数据，根据离线反电动势波形的频率与相位的关系将a-b-c三相反电动势单位化，通过坐标变换将三相反电势转换为同步旋转坐标系下的反电动势：其中eas、ebs、ecs表示通过示波器采集的a-b-c三相反电动势，p表示电机极对数，ωe表示转子角速度，可由示波器的频率估算，ea、eb、ec表示单位化的a-b-c三相反电动势，ed、eq、e0表示同步旋转坐标系下d轴、q轴、零轴的单位反电动势，θe表示转子角位置；第二步，利用同步旋转坐标系下力矩公式反推单位转矩q轴电流：其中Tem*表示给定电磁转矩，id*、iq*表示d轴、q轴给定电流，当采...

【专利技术属性】
技术研发人员：周新秀，方敏，李海涛，曾凡铨，孟云平，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11