一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法，包括如下步骤：当逆变器开关管出现开路故障后，先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构；通过PI控制器输出给定转矩；利用“电流法”估算定子磁链；通过给定转矩和估算转矩的差值得到负载角的变化量dδ，由最大转矩电流比控制给出参考定子磁链，并由此计算给定参考电压矢量。通过剩余的开关管进行改进式空间电压矢量脉宽调制重构，输出开关频率固定的双逆变器PWM控制信号给逆变器，在开关管开路故障下，保证故障下系统的安全、稳定运行，使系统具有良好的稳态和动态性能。

An improved SVPWM based direct torque control method for permanent magnet synchronous motor with open winding fault tolerance

The invention discloses a fault-tolerant direct torque control method for open-winding of permanent magnet synchronous motor based on improved SVPWM, which comprises the following steps: when the inverter switching tube is open-circuit fault, the connection between the motor port and the fault inverter switching tube is first cut off, and the motor port is connected to the power supply midpoint through the remaining switch. The topology of the system is reconstructed with fault-tolerance, the given torque is output by PI controller, the stator flux is estimated by current method, and the variation of load angle is obtained by the difference between the given torque and the estimated torque. The reference stator flux is given by the maximum torque-current ratio control, and the reference voltage vector is calculated. The improved space voltage vector pulse width modulation (SVPWM) is reconstructed by the remaining switches, and the PWM control signals of the dual inverters with fixed switching frequencies are output to the inverters. Under the open-circuit fault of the switches, the safe and stable operation of the system is guaranteed, and the system has good steady-state and dynamic performance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法
本专利技术涉及三相永磁同步电机控制技术，具体是一种三相永磁同步电机基于改进式SVPWM的开绕组容错直接转矩控制(DTC)方法，适用于航空航天器、工业生产和制造、新能源汽车等领域。
技术介绍
在人们工业生产及日常生活中，经常用到将电能转换成机械能的装置，既交流电机伺服系统。随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术已经具备了宽调速范围，高稳态精度，高转矩输出，快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，将交流电机伺服控制广泛应用于航空航天器，各种机器人及生活用电器的生产和制造中。交流伺服系统的研究中，永磁同步电动机(PMSM)具有结构简单、运行稳定、损耗小、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等优点。和异步电动机相比，它由于是永磁体励磁，无需无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，定子电流和定子电阻损耗减小；与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，效率提高，实现了无刷化。加上我国丰富的稀土资源，稀土永磁材料的产量和性能以及生产工艺都已经处于国际先进水平，这为永磁同步电动机的发展提供了良好的基础条件。永磁同步电机的控制理论研究，是多国竞相研究的重点问题。永磁同步电动机最初常用的控制方式是矢量控制。矢量控制可以实现交流电动机的解耦控制使交流电机获得与直流电机一样的控制性能，但是矢量控制引入了大量的解耦计算，使系统变得复杂。因此，在完善矢量控制的基础之上，迫切地希望能找到另外一种控制电机的方法，使得控制更为方便。直接转矩控制(DTC)是继矢量控制之后发展起来的新一代高性能控制方法，具有动态响应快、结构简单、鲁棒性强以及无需转子位置信号和复杂的坐标变换等优点。传统DFC对磁链和转矩的控制采用滞环调节器，类似于bang-bang控制，一个周期只能作用单一的电压矢量，存在磁链和转矩脉动大和逆变器开关频率不固定等问题。针对上述传统DTFC存在的弊端，国内外学者做了大量的研究，包括模型预测控制，模糊控制，占空比调制、滑膜控制等，上述方法均提升了系统正常下的运行性能，但在系统逆变器开关管故障下的性能是未知的。现有对永磁电机的直接转矩控制研究主要集中在系统正常下的运行性能，针对系统逆变器开关管故障的研究较少。开绕组是一种新颖的控制拓扑，由双逆变器组成，具有天然的硬件冗余性和容错性，非常适合容错控制。针对DTC系统逆变器开关管开路故障的问题，本专利技术提出了一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法。在开关管开路故障下，通过先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构。并通过剩余的开关管进行改进式空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)重构，实施直接转矩控制，输出开关频率固定的双逆变器PWM控制信号给逆变器，在开关管开路故障下，保证直流母线电压利用率为正常运行下的75％，保证故障下系统的安全、稳定运行，使系统具有良好的稳态和动态性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种适用于永磁同步电机的直接转矩控制方法，用以解决永磁同步电机系统在逆变器开关管开路故障下稳定运行的问题。本专利技术采用的技术方案是：当逆变器开关管出现开路故障后，先先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构；利用“电流法”估算定子磁链；通过估算转矩和给定值的差值得到Δδ，由最大转矩电流比控制(MTPA)算出给定参考定子磁链，并由此计算给定参考电压矢量；由双逆变器PWM模块输出开关频率固定的PWM控制信号给逆变器，对电机进行控制。根据多次仿真，本专利技术在开关管开路故障下，保证直流母线电压利用率为正常运行下的75％，保证故障下系统的安全、稳定运行，使系统具有良好的稳态和动态性能。一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法，包括如下步骤：第一步，当逆变器开关管出现开路故障后，先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构；第二步，三相定子电流ia、ib、ic由电流霍尔传感器采集后，经克拉克3r/2s坐标变换后得到两相静止坐标系下的电流分量iα、iβ；第三步，利用光电编码器计算出三相永磁电机转子的位置θr和实际转速n，实际转速n与给定速度n*作差经过PI控制器得到给定参考转矩Te*；根据给定参考转矩Te*，由最大转矩电流比控制法求得给定参考定子磁链|ψs|*；第四步，通过第二步得到的电流分量iα、iβ以第三步的得到的θr，利用“电流法”估算定子磁链ψs；在两相静止坐标系下，利用磁链分量ψα和ψβ以及iα和iβ计算出本次实时估测的电磁转矩Te；第五步，利用估测的电磁转矩Te与给定转矩通过PI控制器计算负载角的变化量Δδ，再通过磁链分量ψα、ψβ进行三角反正切计算得到定子磁链位置角θs；再并结合第三步计算所得的|ψs|*，算出给定参考电压矢量uα、uβ；第六步，将第五步得到的给定参考电压矢量分量uα、uβ输入双逆变器PWM调制模块，发出开关频率固定的PWM控制信号给双逆变器，在开关管开路故障下，保证系统的安全、稳定运行。进一步，所述第三步由最大转矩电流比控制法求得给定参考定子磁链|ψs|*具体公式为：式中，Lq为q轴电感，Pn为电机极对数,ψf为永磁体磁链。进一步，所述电磁转矩Te具体表达式为：式中，Pn为电机极对数。进一步，所述给定参考电压矢量uα、uβ具体计算公式为：式中，Ts为控制周期，Rs为定子电阻，θs为定子磁链位置角，ψsα、ψsβ为定子绕组α、β轴的磁链，isα、isβ为定子绕组α、β电流分量。进一步，所述第六步开关管开路故障下，根据给定合成参考电压矢量Us＝Us1-Us2，其中Us1是逆变器1电压矢量，Us2是逆变器2电压矢量，共可合成32个基本电压矢量，其中包括：6个长矢量，4个中矢量，4个小矢量；选用重构后的中矢量和大矢量，可将其分为10个扇区；由给定电压矢量根据扇区判断表进行扇区判断；容错后，系统依然具有灵活的电压矢量选择，因此SVPWM调制方式为相邻两矢量调制方式；根据伏秒平衡原理对不同扇区下的基本电压矢量作用时间进行分配，由于基本矢量中没有零电压矢量，选择基本矢量中大小相同方向相反的两个小矢量V00'、V72'各作用的时间，两者作用相互抵消，相当于零矢量作用了t0时间，从而实现固定的开关频率，并输出对称的PWM波。本专利技术具有以下有益效果：1)在开关管开路故障下，通过先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构。并通过剩余的开关管进行改进式空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)重构，在开关管开路故障下，保证直流母线电压利用率为正常运行下的75％。2)在开关管开路故障下，改进式空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)重构，输出开关频率固定的双逆变器PWM控制信号给逆变器，保证故障下系统的安全、稳定运行，使系统具有良好的稳态和动态性能。3)本专利技术同样适用于其它普通永磁同步电机。附图说明图1为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，当逆变器开关管出现开路故障后，先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构；第二步，三相定子电流ia、ib、ic由电流霍尔传感器采集后，经克拉克3r/2s坐标变换后得到两相静止坐标系下的电流分量iα、iβ；第三步，利用光电编码器计算出三相永磁电机转子的位置θr和实际转速n，实际转速n与给定速度n*作差经过PI控制器得到给定参考转矩Te*；根据给定参考转矩Te*，由最大转矩电流比控制法求得给定参考定子磁链|ψs|*；第四步，通过第二步得到的电流分量iα、iβ以第三步的得到的θr，利用“电流法”估算定子磁链ψs；在两相静止坐标系下，利用磁链分量ψα和ψβ以及iα和iβ计算出本次实时估测的电磁转矩Te；第五步，利用估测的电磁转矩Te与给定转矩通过PI控制器计算负载角的变化量Δδ，再通过磁链分量ψα、ψβ进行三角反正切计算得到定子磁链位置角θs；再并结合第三步计算所得的|ψs|*，算出给定参考电压矢量uα、uβ；第六步，将第五步得到的给定参考电压矢量分量uα、uβ输入双逆变器PWM调制模块，发出开关频率固定的PWM控制信号给双逆变器，在开关管开路故障下，保证系统的安全、稳定运行。...

【技术特征摘要】
1.一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，当逆变器开关管出现开路故障后，先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构；第二步，三相定子电流ia、ib、ic由电流霍尔传感器采集后，经克拉克3r/2s坐标变换后得到两相静止坐标系下的电流分量iα、iβ；第三步，利用光电编码器计算出三相永磁电机转子的位置θr和实际转速n，实际转速n与给定速度n*作差经过PI控制器得到给定参考转矩Te*；根据给定参考转矩Te*，由最大转矩电流比控制法求得给定参考定子磁链|ψs|*；第四步，通过第二步得到的电流分量iα、iβ以第三步的得到的θr，利用“电流法”估算定子磁链ψs；在两相静止坐标系下，利用磁链分量ψα和ψβ以及iα和iβ计算出本次实时估测的电磁转矩Te；第五步，利用估测的电磁转矩Te与给定转矩通过PI控制器计算负载角的变化量Δδ，再通过磁链分量ψα、ψβ进行三角反正切计算得到定子磁链位置角θs；再并结合第三步计算所得的|ψs|*，算出给定参考电压矢量uα、uβ；第六步，将第五步得到的给定参考电压矢量分量uα、uβ输入双逆变器PWM调制模块，发出开关频率固定的PWM控制信号给双逆变器，在开关管开路故障下，保证系统的安全、稳定运行。2.根据权利要求1所述的基于改进式SVPWM的永磁同步电机的开绕组容错直接转矩控制方法，其特征在于，所述第三步由最大转矩电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴彬玉，赵文祥，朱纪洪，陈浩，陈前，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32