一种五相永磁同步电机任意一相开路故障免诊断容错直接转矩控制方法技术

本发明专利技术公开一种五相永磁同步电机任意一相开路故障免诊断容错直接转矩控制方法，该方法首先在五相PMSM正常情况下以抑制三次谐波电流为零的原则构建虚拟电压矢量。然后，分析五相永磁电机任意一相开路故障下PMSM接收到的基电压矢量和虚拟电压矢量与电压源逆变器馈送的基电压矢量和虚拟电压矢量的区别。最后，根据任意一相开路故障状态下的虚拟电压矢量在基波空间重新划分定子磁链扇区，并制作基于虚拟电压矢量的容错开关表，实现电机在正常情况下和任意一相开路故障后无需故障诊断即可使用同一套开关表的容错直接转矩控制。采用本发明专利技术不但可以有效避免开路故障下的故障相的诊断和故障前后控制系统的重构，能有效抑制故障导致的转矩脉动。故障导致的转矩脉动。故障导致的转矩脉动。

【技术实现步骤摘要】
一种五相永磁同步电机任意一相开路故障免诊断容错直接转矩控制方法


[0001]本专利技术属于多相电机容错控制领域，尤其涉及五相永磁同步电机(PMSM)开路故障情况下的容错控制。适用于航空航天、电动汽车、舰船推进等对电机运行可靠性要求较高的场合。

技术介绍

[0002]PMSM具有转矩密度大、效率高、可靠性高等优点，近年来在航空航天、电动汽车、舰船推进等领域得到了广泛的应用。相比于三相电机，多相电机具有更多的控制自由度，能够应用于对可靠性要求较高的场合，因此受到了国内外学者的广泛关注。
[0003]多相电机在故障发生后，采用容错控制算法，能够使电机保持和正常运行时相似的性能。目前，五相PMSM的容错控制算法主要是基于矢量控制、直接转矩控制以及模型预测控制。直接转矩控制具有转矩动态响应快、结构简单、参数依赖性小等优点，越来越多的学者开始深入研究基于五相PMSM的容错直接转矩控制算法。
[0004]直接转矩控制策略将当前PMSM的转矩与磁链分别与给定转矩和给定磁链作差，输入滞环比较器，根据结果在开关表中查找当前所需要作用的电压矢量。对于五相PMSM，在正常运行时，可用电压矢量有32个，用其进行开关表的制作较为繁杂，且会对谐波空间造成影响。因此，有学者提出利用虚拟电压矢量来减少复杂性，并使虚拟矢量在三次谐波空间合成为零来提高五相PMSM的电流质量。尽管该方法能够有效地提升控制性能，但是主要针对电机正常运行。当电机发生故障后，电流畸变严重，转矩脉动变大，且需要故障相诊断，基于开关表的容错直接转矩控制算法还需要进一步深入研究。
[0005]当五相永磁电机一相发生故障后(以A相开路为例)，可用电压矢量由32个变为16个，而且基波空间电压矢量幅值不等，分布不均匀。为抑制转矩脉动以及减小电流谐波含量，中国专利技术专利申请号201910669271.9公开了一种基于新型容错开关表的五相永磁同步电机容错直接转矩控制方法，取得了较好的容错控制效果。然而，只针对A相提出了故障前后使用同一张容错开关表，并没有对其他故障相的情况做出解决，并且其本质上仍需故障相的检测。为了避免检测故障相错误导致电机性能进一步恶化，IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,vol.8,no.3,pp.2634
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2644,Sept,2020(Assessment of Virtual
‑
Voltage
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Based Model Predictive Controllers in Six
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Phase Drives Under Open
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Phase Faults)针对六相电机提出了基于虚拟矢量的免故障相诊断的容错控制。然而，该策略基于模型预测控制，计算成本过高。因此，需要进一步研究免故障相诊断的容错直接转矩控制策略，在保证动态性能不变的前提下提升其稳态性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于避免故障相的检测，抑制任意一相开路故障导致的转矩脉动，
降低三次谐波，减少计算量，避免故障前后控制系统的重构，确保故障前后五相PMSM都具有优良的动态和稳态性能。为此，提出了一种用于五相PMSM任意一相开路故障情况下的基于开关表的免故障诊断的容错直接转矩控制方法。
[0007]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0008]一种基于开关表的五相永磁同步电机(PMSM)任意一相开路故障免诊断容错直接转矩控制方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1，采用Clarke变换矩阵将驱动五相永磁同步电机PMSM的电压源逆变器上桥臂中功率器件不同开关状态对应的电压变换到两相静止坐标系上，得到正常情况下基波和三次谐波空间的基电压矢量及其空间分布；
[0010]步骤2，以抑制三次谐波电流i
x
＝0和i
y
＝0为原则，将三次谐波空间的虚拟电压矢量合成为零，进而在基波空间内获得由大、中基电压矢量合成的虚拟电压矢量V
i3(i＝1
‑
10)
；由此，在基波空间内每个虚拟电压矢量和基电压矢量的关系为
[0011][0012]上表中，V
i3(i＝1
‑
10)
表示为虚拟电压矢量名称；V
i(i＝0
‑
31)
表示为基础电压矢量名称；T为控制周期时间；
[0013]步骤3，五相PMSM任意一相发生开路故障后，虽然电压源逆变器仍对故障电机馈送与正常情况相同的电压矢量，但故障相无法接收逆变器所送电压，此时开路故障情况下的PMSM接受到的在基波和谐波空间的基电压矢量可由去除与故障相相关项的传统Clarke变换矩阵将非故障相接受到的电压变换而来，因此故障电机从电压源逆变器接收的基电压矢量与电压源逆变器馈送的基电压矢量是不同的，这些基电压矢量是缺少A相状态的，相比正常情况下的基电压矢量，故障PMSM接收到的基电压矢量位置发生了偏移，且数量减少了；
[0014]步骤4，在任意一相开路故障情况下，故障电机接收到由这些偏移的基电压矢量所构成的虚拟电压矢量的位置亦发生了偏移，因此根据PMSM所接收到的虚拟矢量重新划分扇区，以期电压源逆变器发出基电压矢量后，PMSM接收到的虚拟电压矢量就是其期望的最优虚拟电压矢量；
[0015]步骤5，以经过中心点且垂直于各虚拟电压矢量的直线以及虚拟电压矢量自身所在直线作为磁链扇区的分界线，由此PMSM在正常和任意一相开路故障下基波空间可划分出20个磁链扇区；
[0016]步骤6，在任意一相开路情况下，不同的虚拟电压矢量对磁链和转矩的作用效果各不相同，根据定子磁链所在扇区位置，对磁链和转矩的作用效果相同的虚拟矢量进行归类制作开关表；
[0017]步骤7，考虑个别相发生开路故障时，定子磁链在某些扇区仅存在唯一一个虚拟电压矢量可供选择，据此确定该扇区角度及其对应的虚拟矢量；当其余相发生开路故障时，定子磁链在这些扇区角度内时也选择上述相应的虚拟矢量；在任意一相发生开路故障时在某些扇区内均有多个虚拟电压矢量对磁链和转矩的作用效果相同的情况时，为保证转矩的快速响应，选择靠近定子磁链垂线且任意一相开路故障状态下均有的虚拟电压矢量，进而确定出一套用于五相PMSM正常情况和任意一相发生开路故障情况下的免故障诊断的基于虚
拟电压矢量的容错开关表；
[0018]如下表所示。
[0019][0020]上表中，ΔT
e
代表转矩状态，ΔT
e
＝1表示转矩小于给定值，需要增大转矩；ΔT
e
＝
‑
1表示转矩大于给定值，需要减小转矩；Δψ
s
＝1表示定子磁链幅值小于给定值，需要增大磁链；Δψ
s
＝
‑
1表示定子磁链幅值大于给定值，需要减小磁链；θ
i(i本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于开关表的五相永磁同步电机任意一相开路故障免诊断容错直接转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，采用Clarke变换矩阵将驱动五相永磁同步电机PMSM的电压源逆变器上桥臂中功率器件不同开关状态对应的电压变换到两相静止坐标系上，得到正常情况下基波和三次谐波空间的基电压矢量及其空间分布；步骤2，以抑制三次谐波电流i
x
＝0和i
y
＝0为原则，将三次谐波空间的虚拟电压矢量合成为零，进而在基波空间内获得由大、中基电压矢量合成的虚拟电压矢量由此，在基波空间内每个虚拟电压矢量和基电压矢量的关系为上表中，V
i3(i＝1
‑
10)
表示为虚拟电压矢量名称；V
i(i＝0
‑
31)
表示为基础电压矢量名称；T为控制周期时间；步骤3，五相PMSM任意一相发生开路故障后，虽然电压源逆变器仍对故障电机馈送与正常情况相同的电压矢量，但故障相无法接收逆变器所送电压，此时开路故障情况下的PMSM接受到的在基波和谐波空间的基电压矢量可由去除与故障相相关项的传统Clarke变换矩阵将非故障相接受到的电压变换而来，因此故障电机从电压源逆变器接收的基电压矢量与电压源逆变器馈送的基电压矢量是不同的，这些基电压矢量是缺少A相状态的，相比正常情况下的基电压矢量，故障PMSM接收到的基电压矢量位置发生了偏移，且数量减少了；步骤4，在任意一相开路故障情况下，故障电机接收到由这些偏移的基电压矢量所构成的虚拟电压矢量的位置亦发生了偏移，因此根据PMSM所接收到的虚拟矢量重新划分扇区，以期电压源逆变器发出基电压矢量后，PMSM接收到的虚拟电压矢量就是其期望的最优虚拟电压矢量；步骤5，以经过中心点且垂直于各虚拟电压矢量的直线以及虚拟电压矢量自身所在直线作为磁链扇区的分界线，由此PMSM在正常和任意一相开路故障下基波空间可划分出20个磁链扇区；步骤6，在任意一相开路情况下，不同的虚拟电压矢量对磁链和转矩的作用效果各不相同，根据定子磁链所在扇区位置，对磁链和转矩的作用效果相同的虚拟矢量进行归类制作开关表；步骤7，考虑个别相发生开路故障时，定子磁链在某些扇区仅存在唯一一个虚拟电压矢量可供选择，据此确定该扇区角度及其对应的虚拟矢量；当其余相发生开路故障时，定子磁链在这些扇区角度内时也选择上述相应的虚拟矢量；在任意一相发生开路故障时在某些扇区内均有多个虚拟电压矢量对磁链和转矩的作用效果相同的情况时，为保证转矩的快速响应，选择靠近定子磁链垂线且任意一相开路故障状态下均有的虚拟电压矢量，进而确定出一套用于五相PMSM正常情况和任意一相发生开路故障情况下的免故障诊断的基于虚拟电压矢量的容错开关表；如下表所示。
上表中，ΔT
e
代表转矩状态，ΔT
e
＝1表示转矩小于给定值，需要增大转矩；ΔT
e
＝
‑
1表示转矩大于给定值，需要减小转矩；Δψ
s
＝1表示定子磁链幅值小于给定值，需要增大磁链；Δψ
s
＝
‑
1表示定子磁链幅值大于给定值，需要减小磁链；θ
i(i＝1
‑
10)
代表定子磁链所在扇区号；表示为虚拟电压矢量名称；步骤8，将给定转速n
*
和实际转速n作差，经速度环PI调节得到给定转矩T
e*
；采用定子磁链观测器估算定子磁链ψ
s
，并计算出转矩T
e
；给定转矩T
e*
与估测转矩T
e
作差得到ΔT
e
，给定磁链ψ
s*
与估算磁链ψ
s
作差得到Δψ
s
；根据转矩瞬时偏差ΔT
e
和定子磁链瞬时偏差Δψ
s
，结合定子磁链矢量所在扇区，选取基于虚拟电压矢量的容错开关表内相应的虚拟电压矢量，输入到PWM模块中，生成PWM波形，控制电压源逆变器中功率器件的导通与关断，实现五相PMSM正常和任意一相开路故障情况下的高性能直接转矩控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中虚拟电压矢量的合成，以抑制三次谐波电流为原则，采用在基波空间中方向相同的大、中基电压矢量合成虚拟电压矢量使其在三次谐波空间为零，其中基波空间大电压矢量的作用时间为0.618T，中电压矢量的作用时间为0.382T，进而得到上述基本电压矢量在基波空间所合成的虚拟电压矢量；这些虚拟电压矢量V
13
‑
V
103
的幅值为0.5528U
dc
，U
dc
为母线电压。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中针对五相PMSM任意一相开路故障情况，不失一般性的，假如电机A相发生开路故障，电压源逆变器仍对故障电机馈送与正常情况相同的基电压矢量，但电机A相无法接收电压源逆变器所馈送的电压，所以故障电机接收的基电压矢量是缺少A相状态的；为便于分析，故障电机接受到的电压矢量仍按正常情况下接受到的电压矢量进行命名，即与电压源逆变器发送的电压矢量命名规则一致；若其余四相中某一相发生开路故障，参照A相开路故障情况，得到故障P...

【专利技术属性】
技术研发人员：周华伟，陈铖，刘正蒙，陈前，张多，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：