采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法技术

本发明专利技术公开了一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法。该方法充分利用了故障状态下的五相永磁电机的三次谐波空间，提出了针对正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机在单相短路故障情况下的容错控制策略，使得五相永磁电机在容错运行时也能够充分利用其三次谐波空间。本发明专利技术提高了电机故障状态下输出转矩的性能，提升了电机的容错运行效率，使得电机能够拥有更好的容错性能以及动态响应；拓宽了电机容错运行时的调速范围，使其能更好的适用于电动汽车等需要高可靠性和宽调速范围的应用领域；与传统容错算法中使用的电流滞环调制方法相比，降低了逆变器的开关损耗。逆变器的开关损耗。逆变器的开关损耗。

【技术实现步骤摘要】
采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法


[0001]本专利技术涉及多相电机容错控制
，特别涉及一种五相永磁电机的单相短路容错控制方法。该方法适用于航空航天、电动汽车、舰船推进系统等对电机的可靠性有较高要求的场合。

技术介绍

[0002]五相永磁电机因为其高转矩密度、高效率以及高可靠性等特点，在电动汽车牵引、航天航空以及海上巡航系统领域应用越来越广泛。同时，对于飞行器、电动汽车等一些可靠性要求较高的场合，稳定可靠的电机驱动系统尤为重要。因此，永磁电机的高可靠性的容错控制方法受到了广泛的关注。
[0003]对于五相永磁电机来说，除了人为的在气隙磁场中注入三次谐波分量，永磁体的加工设计误差、充磁不理想等都会使气隙中存在一定的三次谐波成分。对于含有三次谐波磁场的五相永磁电机，通过注入特定比例的三次谐波电流，可以有效降低气隙磁密的峰值，提高铁心材料的利用率和电机的输出转矩。
[0004]近年来，国内外学者对于无差拍模型预测控制和多相电机的短路容错控制都进行了深入的研究，并取得了丰富的成果。
[0005]目前常用的一种无差拍模型预测电流控制能够实现信号的跟踪，但是这种方法的现有研究主要都集中在电机正常运行状态下的应用，未能实现电机故障短路状态下的无差拍模型预测电流控制。
[0006]多相电机的短路容错控制算法的研究主要都集中在如何获得电机故障状态下的最优容错电流。现有的容错电流计算方法主要包括了分析了短路电流的模型以及三次谐波反电动势对补救绕组短路的影响，使用一种在线最佳电流参考产生技术；使用成本函数，固定框架控制策略，以在相短路条件下实现最佳电流控制；也有以消除短路电流的影响，使短路故障下的模型等效于开路故障。然而这些方法都没有充分利用五相电机的三次谐波空间，且这些短路容错控制策略大多依赖电机反电势的实际值，会给容错控制带来误差。

技术实现思路

[0007]针对传统短路容错控制没有充分利用五相电机的三次谐波空间、依赖电机实际反电势、以及现有无差拍模型预测电流控制未能实现带故障运行的现状，本专利技术提出了一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法。
[0008]为达到技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，包括如下步骤：
[0010]步骤1，检测五相永磁电机转速，作为电机的反馈转速ω
m
，将给定转速ω
*
与反馈转速ω
m
相比较得到电机的转速误差e
r
，采用PI控制器根据转速误差e
r
计算得到五相永磁电机
的q轴电流，PI控制器的输出量为给定的q轴电流i
q
；
[0011]步骤2，对短路电流进行补偿，将短路故障等效成开路故障分析处理；
[0012]步骤3，重构单相短路情况下的基波空间和三次谐波空间的降阶矩阵；
[0013]步骤4，忽略磁阻转矩，利用降阶矩阵得到故障下的基波空间和三次谐波空间中电机的转矩表达式；
[0014]步骤5，针对正弦反电势和梯形反电势，构建了由短路相电流和短路相反电势相互作用而产生的额外转矩脉动表达式；
[0015]步骤6，为了抵消短路电流引起的额外转矩脉动，通过基波空间和三次谐波空间的转矩表达式，生成能够抵消此转矩脉动的短路抑制电流i
d1s
、i
q1s
、i
z1s
、i
d3s
、i
q3s
、i
z3s
，其中，i
d1s
、i
q1s
、i
z1s
为基波空间中的短路抑制电流，i
d3s
、i
q3s
、i
z3s
为三次谐波空间中的短路抑制电流；
[0016]步骤7，针对正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机，通过q轴电流i
q
，以及故障情况下的基波空间和三次谐波空间的转矩表达式，得到用以维持平稳输出转矩的开路容错参考电流i
d1o
、i
q1o
、i
z1o
、i
d3o
、i
q3o
、i
z3o
，其中，i
d1o
、i
q1o
、i
z1o
为基波空间中的开路容错参考电流，i
d3o
、i
q3o
、i
z3o
为三次谐波空间中的开路容错参考电流；
[0017]步骤8，根据叠加定理，首先将基波空间中的d
1-q
1-z1轴和三次谐波空间中的d
3-q
3-z3轴上用以维持平稳输出转矩的参考电流和短路抑制电流经过坐标变换转换到自然坐标系中并叠加，其次通过基波空间的降阶变换矩阵的逆矩阵，将在自然坐标系中整合之后的电流变换到d
1-q
1-z1轴上，从而形成最优的短路容错参考电流i
dr
、i
qr
、i
zr
；
[0018]步骤9，构建正弦反电势五相永磁电机和梯形反电势五相永磁电机在故障状态下的离散模型，采用无差拍模型预测电流控制得到短路故障下的最优容错参考电压u
dr
、u
qr
、u
zr
；
[0019]步骤10，将所得到的最优容错参考电压u
dr
、u
qr
、u
zr
经过坐标变换后输入到CPWM模块中，得到各相的开关信号；随后将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现五相永磁电机的短路容错控制。
[0020]进一步，步骤2所述将短路故障等效成开路故障分析处理的原因：短路故障发生时，故障相对于电机的影响主要分为两个方面：故障相缺失对转矩输出的影响，故障相短路电流对转矩输出的影响；当故障相短路电流产生的转矩影响被抵消时，短路故障模型就能被等效成开路故障模型。
[0021]进一步，步骤3所述基波空间和三次谐波空间的降阶矩阵的构建方法为：在单相开路故障发生后，除去与故障相对应的元素，以故障前后电机的磁链以及反电势在α-β平面内圆形轨迹不变为原则进行重构；
[0022]假如为正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机的A相开路故障：
[0023]当A相发生开路故障时，去除A相对应元素后的矩阵为：
[0024][0025]其中，为A相故障下clarke变换矩阵；α＝0.4π。
[0026]故障情况下，新clarke变换矩阵的第一行元素与第三行元素不正交，为了得到基波空间上的降阶变换矩阵，去除矩阵的第三行元素，并根据故障前后电机的磁链以及反电势在α-β平面的圆形轨迹不变为原则，对矩阵进行重构，得到A相开路故障时基波空间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，检测五相永磁电机转速，作为电机的反馈转速ω
m
，将给定转速ω
*
与反馈转速ω
m
相比较得到电机的转速误差e
r
，采用PI控制器根据转速误差e
r
计算得到五相永磁电机的q轴电流，PI控制器的输出量为给定的q轴电流i
q
；步骤2，对短路电流进行补偿，将短路故障等效成开路故障分析处理；步骤3，重构单相短路情况下的基波空间和三次谐波空间的降阶矩阵；步骤4，忽略磁阻转矩，利用降阶矩阵得到故障下的基波空间和三次谐波空间中电机的转矩表达式；步骤5，针对正弦反电势和梯形反电势，构建了由短路相电流和短路相反电势相互作用而产生的额外转矩脉动表达式；步骤6，为了抵消短路电流引起的额外转矩脉动，通过基波空间和三次谐波空间的转矩表达式，生成能够抵消此转矩脉动的短路抑制电流i
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为基波空间中的短路抑制电流，i
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为三次谐波空间中的短路抑制电流；步骤7，针对正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机，通过q轴电流i
q
，以及故障情况下的基波空间和三次谐波空间的转矩表达式，得到用以维持平稳输出转矩的开路容错参考电流i
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为基波空间中的开路容错参考电流，i
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为三次谐波空间中的开路容错参考电流；步骤8，根据叠加定理，首先将基波空间中的d
1-q
1-z1轴和三次谐波空间中的d
3-q
3-z3轴上用以维持平稳输出转矩的参考电流和短路抑制电流经过坐标变换转换到自然坐标系中并叠加，其次通过基波空间的降阶变换矩阵的逆矩阵，将在自然坐标系中整合之后的电流变换到d
1-q
1-z1轴上，从而形成最优的短路容错参考电流i
dr
、i
qr
、i
zr
；步骤9，构建正弦反电势五相永磁电机和梯形反电势五相永磁电机在故障状态下的离散模型，采用无差拍模型预测电流控制得到短路故障下的最优容错参考电压u
dr
、u
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；步骤10，将所得到的最优容错参考电压u
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经过坐标变换后输入到CPWM模块中，得到各相的开关信号；随后将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现五相永磁电机的短路容错控制。2.根据权利要求1所述的一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤2中短路故障发生后，故障相对于电机的影响主要分为两个方面：故障相缺失对转矩输出的影响，故障相短路电流对转矩输出的影响；当故障相短路电流产生的转矩影响被抵消时，短路故障模型就能被等效成开路故障模型。3.根据权利要求1所述的一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤3中包括，单相开路故障发生后，除去与故障相对应的元素，以故障前后电机的磁链以及反电势在α-β平面内圆形轨迹不变为原则进行重构；假如为正弦反电势和梯形反电势的五相永磁电机的A相开路故障：当A相发生开路故障时，去除A相对应元素后的矩阵为：
其中，为A相故障下clarke变换矩阵；α＝0.4π。故障情况下，新clarke变换矩阵的第一行元素与第三行元素不正交，为了得到基波空间上的降阶变换矩阵，去除矩阵的第三行元素，并根据故障前后电机的磁链以及反电势在α-β平面的圆形轨迹不变为原则，对矩阵进行重构，得到A相开路故障时基波空间上的降阶clarke变换矩阵以及对应的park变换矩阵为：clarke变换矩阵以及对应的park变换矩阵为：其中，为基波空间上的降阶clarke变换矩阵；为基波空间上的降阶park变换矩阵；θ表示转子的位置角；故障情况下，新clarke变换矩阵的第一行元素与第三行元素不正交，为了得到三次谐波空间上的降阶变换矩阵，去除矩阵的第一行元素，并根据故障前后电机的磁链以及反电势在α
3-β3平面的圆形轨迹不变为原则，对矩阵进行重构，得到A相开路故障时三次谐波空间上的降阶clarke变换矩阵以及对应的park变换矩阵为：上的降阶clarke变换矩阵以及对应的park变换矩阵为：其中，为三次谐波空间上的降阶clarke变换矩阵；为三次谐波空间上的降阶park变换矩阵。4.根据权利要求1所述的一种采用无差拍电流跟踪的正弦或梯形反电势五相永磁电机短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：短路故障发生后，忽略磁阻转矩，利用降阶矩阵得到基波空间和三次谐波空间中电机的转矩表达式；步骤4.1：电流不变时磁共能对机械角求导，对于梯形反电势电机，忽略磁阻转矩，其基波空间和三次谐波空间中电机的转矩表达式为：
其中，T
e1(Trapezoid)
为梯形反电势电机在基波空间中的转矩；T
e3(Trapezoid)
为梯形反电势电机在三次谐波空间中的转矩；P为电机极对数；Ψ1表示基波磁链幅值；Ψ3表示三次谐波磁链幅值；θ为转子的位置角；i
d1
，i
q1
表示基波旋转坐标系上的d
1-q1轴电流；i
d3
，i
q3
表示三次谐波旋转坐标系上的d
3-q3轴电流；i
z1
可以称为基波空间上的广义零序分量；i
z3
可称为三次谐波空间上的广义零序分量；步骤4.2：电流不变时磁共能对机械角求导，对于正弦反电势电机，忽略磁阻转矩，其基波空间和三次谐波空间的转矩表达式为：波空间和三次谐波空间的转矩表达式为：其...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈前，夏雨航，顾理成，赵文祥，刘国海，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：