用于开绕组五相永磁同步电机逆变器故障重构后的容错控制方法及其实现装置与流程

1.本发明属于多相电机开绕组拓扑系统应用领域，尤其是涉及一种用于开绕组五相永磁同步电机的逆变器故障重构后的容错控制方法及装置。


背景技术：

2.五相永磁同步电机具有高效率、高功率密度、宽调速范围、低转矩脉动和强容错能力等优点，在航空航天、电动汽车、舰船推进系统等领域得到广泛关注和应用。同时，开绕组电机拓扑系统具有输出功率高、供电模式和电压矢量调制方式多样、控制灵活、冗余性和容错性等优良特性。但是开绕组五相电机驱动系统的故障是不可避免的，因此通过容错控制算法提升驱动系统的可靠性具有广阔的应用前景。
3.国内外学者对开绕组拓扑下的五相永磁同步电机的容错控制方法已经取得了一定的成果。中国发明专利
4.国内外学者对开绕组拓扑下的五相永磁同步电机模型预测控制方法已经取得了一定的成果。中国发明专利《开绕组五相永磁同步电机a相短路容错控制svpwm生成方法》(专利号：cn201911036338.1)公开了一种针对开绕组五相永磁同步电机a相绕组断路的控制方法，该方法将开绕组五相电机简化为四相电机的控制。但该方法的缺点相对于正常模式下电机的调制范围发生较大的降额，同时电机的数学模型发生了改变，增加了系统控制的复杂度。中国发明专利《一种电动车双电源五相开绕组系统故障容错控制逆变器电路》(专利号：cn201510168763.1)公开了一种电动车辆用双电源开绕组五相系统故障容错逆变器电路。该方法在a相绕组故障后将相邻的电机绕组进行连接，实现了电机的容错控制算法，但是该方法会改变五相电机的绕组结构，从而对电机驱动系统的控制增加了难度。中国发明专利《一种用于五相永磁容错电机的svpwm容错控制方法及装置》(专利号：cn201911017391.7)公开了一种用于开绕组五相永磁容错电机的svpwm的容错控制方法及装置。该方法可以实现在不改变传统svpwm调制策略的基础上实现容错控制，但该方法限制了母线电压利用率，缩小了调制范围。因此如何实现开绕组五相永磁同步电机故障容错算法简化的同时不改变五相电机的数学模型以降低系统的控制难度，并且能够降低逆变器的开关损耗是本发明主要考虑的因素。


技术实现要素：

5.发明目的：针对现有技术中存在的问题，提出了一种用于开绕组五相永磁同步电机逆变器故障后的容错控制策略方法及其实现装置。通过将故障逆变器的绕组连接至逆变器母线电容中点，实现逆变器的故障重构。在此基础上通过对逆变器的空间电压矢量
6.针对现有技术中存在的问题，提出了一种用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法及装置，将开绕组拓扑系统的两个逆变器看作两个独立的单元，以逆变器1所能提供的电压矢量为起点，针对开绕组系统不同工况下的需求选择不同的逆变器开关序
列，在保证电机运行性能的前提下，能够有效降低开绕组五相永磁同步电机控制系统的开关次数，降低逆变器的开关损耗。
7.技术方案：为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：一种用于开绕组五相永磁同步电机逆变器故障重构后的容错控制方法，包括以下步骤：
8.步骤1)开绕组五相电机逆变器故障后将故障相的电机绕组使用继电器连接在该逆变器的直流母线中点处，并通过采集电机转速和相电流获取参考电压矢量；
9.步骤2)根据故障重构后的空间电压矢量分布，构建不产生三次谐波空间电压的电压矢量，并选择合适的电压矢量作为输出；
10.步骤3)根据当前时刻的参考电压矢量与故障重构后的逆变器求出另外一侧的电压矢量；
11.步骤4)将开绕组五相永磁同步电机两个空间电压矢量产生的开关信号作用在功率开关器件上，实现电机的闭环控制。
12.进一步，步骤1)的具体步骤包括：
13.步骤1.1)将逆变器故障相的电机绕组使用固态继电器链接至该逆变器直流母线电容的中点，假如开绕组逆变器1的a相桥臂上管发生故障，则将a相的绕组链接至开绕组逆变器1的电容中性点出；
14.步骤1.2)控制器实时计算给定转速ω
*
与电机的实际转速ω之间的转速误差通过转速环pi调节器获得电机基波子空间旋转坐标系下的参考值i
q*
，由于电机采用的是id＝0控制方式，即直轴的参考值i
d*
为0，并使用电流环pi控制器和坐标变换获得电机当前时刻的参考电压矢量u
ref
。
15.进一步，步骤2)的具体步骤包括：
16.步骤2.1)构建故障逆变器1的空间电压矢量分布，由于a相逆变器已经被连接在逆变器1的中性点，所以a相的占空比可以等效为0.5，因此该故障逆变器在静止坐标系下所产生的电压矢量可表示为：
[0017][0018]
式中，u
dc
是直流母线电压；是静止坐标系下的基波空间电压向量值；静止坐标系下的基波空间电压向量值；是其余各个桥臂的开关函数；当上桥臂导通下桥臂导通
[0019]
标幺化后的逆变器1故障重构后的电压矢量分布表如下表1所示；
[0020]
表1逆变器1故障重构后的开关电压矢量表
[0021][0022]
表中，v
′
i
表示故障逆变器重构后产生的电压矢量，是电压矢量在α轴的分量。是电压矢量在β轴的分量。是电压矢量的模长；
[0023]
步骤2.2)根据步骤2.1)中的电压矢量构建故障逆变器中的5个电压矢量。这5个电压矢量能够产生基波子平面的电压但不会产生谐波平面的电压，能够减少系统的损耗；
[0024][0025][0026][0027][0028][0029]
式中，表示根据表1中的电压矢量构建出的四个故障逆变器1下的基波电压矢量；
[0030]
步骤2.3)根据步骤2.2)中构建的4个电压矢量，将整个基波电压平面平分为四个扇区，当根据步骤1.2)计算出来的电机参考电压矢量u
ref
落在四个扇区中的某一个时，故障逆变器输出与扇区编号对应的电压矢量，故障逆变器1在不同扇区的占空比输出如表2所示：
[0031]
表2故障逆变器1在不同扇区输出的pwm占空比
[0032] 扇区i扇区ii扇区iii扇区ivb相占空比0.39110.6910c相占空比00.80910.191d相占空比00.19110.809e相占空比0.39100.6911
[0033]
进一步，步骤3)的具体步骤包括：
[0034]
步骤3.1)构建正常逆变器1的空间电压矢量分布，逆变器2在静止坐标系下所产生的电压矢量可表示为：
[0035][0036]
式中，u
dc
是直流母线电压；是静止坐标系下的基波空间电压向量值；静止坐标系下的基波空间电压向量值；是其余各个桥臂的开关函数；当上桥臂导通下桥臂导通
[0037]
逆变器2的参考电压矢量可以表示为：
[0038][0039]
其中为逆变器2的参考电压矢量，为步骤2.3)中的求出的逆变器1的参考电压矢量，u
ref
为电机的参考电压矢量；
[0040]
步骤3.2)求取逆变器2的pwm输出；
[0041]
将逆变器2的空间电压矢量通过扇区判断划分为10个子扇区，在各个对应的扇区中采用相邻四矢量的调制方法计算出逆变器2的各个桥臂的占空比。
[0042]
进一步，步骤4)的具体步骤包括将步骤2.3)中求出逆变器1的占空比与步骤3.2)中求出的逆变器2的占空比经pwm脉宽调制单元输出值逆变器的驱动芯片，相应的电压经由igbt输出至电机。
[0043]
一种用于开绕组五相永磁同步电机逆变器故障重构后的容错控制的装置，包括：
[0044]
数据采集单元，用于获取开绕组五相永磁同步电机的电角速度ω、旋转坐标系下交、直轴电流i
d
,i
q
和电机的电角度θ；
[0045]
指令电压输入单元，指令电压输入单元将数据采集单元获取到的数据通过pi控制器，用于获取静止坐标系下的参考电压矢量；
[0046]
逆变器1的扇区判断单元，通过所提出的容错算法进行第一扇区的扇区判断，用于获取故障逆变器1的参考电压矢量；
[0047]
逆变器2的扇区判断单元，将指定电压输入单元获取到的参考电压矢量和逆变器1的扇区判断单元获取到逆变器1的参考电压矢量进行运算，用于获取逆变器2的参考电压矢量；
[0048]
pwm输出单元，pwm输出单元将逆变器1的参考电压矢量、逆变器2的参考电压矢量转换为占空比，通过三角载波进行调制，输出为pwm波，经过驱动芯片后驱动igbt，产生相应
的电压。作用在电机绕组后，产生相应的电流和电机的位置信号。最后再通过数据采集单元继续采集，形成一个完整的闭环控制。
[0049]
本发明的有益效果：
[0050]
1)本发明基于开绕组五相永磁同步电机的容错控制方法，具有不改变电机的绕组连接，不改变电机的数学模型，控制方法简单。
[0051]
2)通过将故障相的绕组连接至电容中点，能够提升故障后的调制范围，实现更优的控制性能。
[0052]
3)故障逆变器产生的基波空间电压矢量在三次谐波空间不产生谐波电压，能够降低系统的损耗。
[0053]
4)故障逆变器所钳位的电压矢量具有切换次数少，作用时间整周期的特点，能够减少开关损耗。
[0054]
5)所提出的开绕组故障重构后的容错控制方法具有通用性，且易于实现，有利于新理论的工程化和实用化。
附图说明
[0055]
图1.开绕组五相永磁同步电机拓扑结构及外围装置电路
[0056]
图2.开绕组五相永磁同步电机容错控制框图
[0057]
图3.a相逆变器发生故障后的逆变器重构方法
[0058]
图4.故障逆变器1重构后的空间电压矢量分布
[0059]
图5.逆变器1的电压矢量合成原理
[0060]
图6.逆变器1的电压矢量合成原理
[0061]
图7.逆变器1的电压矢量合成原理
[0062]
图8.逆变器1的电压矢量合成原理
[0063]
图9.逆变器1的电压矢量合成原理
[0064]
图10.开绕组五相永磁同步电机故障容错后第i扇区矢量合成图
[0065]
图11.容错算法实现后的a相电流波形
[0066]
图12.容错算法实现后的基波子空间流波形
具体实施方式
[0067]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0068]
如图1到图2所示，本发明提出一种用于开绕组五相永磁同步电机的逆变器故障重构容错控制方法及装置。其中，所采用双电源的开绕组五相永磁同步电机拓扑结构及外围点的电路如图1所示。图2是所提出的容错控制的控制框图。
[0069]
所提出的一种用于开绕组五相永磁同步电机逆变器故障重构后的容错控制方法的具体实施步骤包括：
[0070]
步骤1)开绕组五相电机逆变器故障后将故障相的电机绕组使用继电器连接在该
逆变器的直流母线中点处，并通过采集电机转速和相电流获取参考电压矢量：
[0071]
1.1)如图3所示，将逆变器故障相的电机绕组使用固态继电器链接至该逆变器直流母线电容的中点。比如，开绕组逆变器1的a相桥臂上管发生故障，则将a相的绕组链接至开绕组逆变器1的电容中性点出。
[0072]
1.2)采样五相相电流，通过五相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换，得到交直轴电流i
d
和i
q
。实时计算给定转速n
*
与电机的实际转速n之间的转速误差，通过pi调节器，得到所需的交轴电流的参考值i
q*
，直轴电流参考值i
d*
＝0；
[0073]
五相自然坐标系abcde到两相旋转坐标系的变换矩阵表示为：
[0074][0075]
式中，α＝0.4π，θ
e
为电机的电角度。
[0076]
1.3)根据两相旋转坐标系下的i
d*
＝0，i
q*
，i
d
和i
q
通过pi调节器获得参考电压，并通过park逆变换求出两相静止坐标系下的参考电压矢量u
ref
。
[0077]
两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换矩阵表示为：
[0078][0079]
步骤2)根据故障重构后的空间电压矢量分布，构建不产生三次谐波空间电压的电压矢量，并选择合适的电压矢量作为输出。
[0080]
2.1)构建故障逆变器1的空间电压矢量分布。由于a相逆变器已经被连接在逆变器1的中性点，所以a相的占空比可以等效为0.5。因此该故障逆变器在静止坐标系下所产生的电压矢量可表示为：
[0081][0082]
式中，u
dc
是直流母线电压；是静止坐标系下的基波空间电压向量值；静止坐标系下的基波空间电压向量值；是其余各个桥臂的开关函数；当上桥臂导通下桥臂导通
[0083]
标幺化后的逆变器1故障重构后的电压矢量分布表如表1所示。
[0084]
生成的空间电压矢量在基波子空间和三次谐波子空间的矢量分布如图4所示。
[0085]
表1逆变器1故障重构后的开关电压矢量表
[0086][0087][0088]
2.2)根据步骤2.1)中的电压矢量构建故障逆变器中的5个电压矢量。这5个电压矢量能够产生基波子平面的电压但不会产生谐波平面的电压，能够减少系统的损耗。
[0089]
的构造可以按照图5的合成方式来实现。
[0090]
的构造可以按照图6的合成方式来实现。
[0091]
的构造可以按照图7的合成方式来实现。
[0092]
的构造可以按照图8的合成方式来实现。
[0093]
的构造可以按照图9的合成方式来实现。
[0094]
因此，故障逆变器合成的电压矢量可以表示为：
[0095][0096][0097][0098][0099][0100]
式中，表示根据表1中的电压矢量构建出的四个故障逆变器1下的基波电压矢量。
[0101]
2.3)根据2.2)中构建的4个电压矢量，将整个基波电压平面平分为四个扇区。当根据步骤1.2)计算出来的电机参考电压矢量u
ref
落在四个扇区中的某一个时，故障逆变器输出与扇区编号对应的电压矢量。故障逆变器1在不同扇区的占空比输出如表2所示：
[0102]
表2逆变器2故障不同扇区输出的pwm占空比
[0103] 扇区i扇区ii扇区iii扇区ivb相占空比0.39110.6910c相占空比00.80910.191d相占空比00.19110.809e相占空比0.39100.6911
[0104]
步骤3)根据当前时刻的参考电压矢量与故障重构后的逆变器求出另外一侧的电压矢量。
[0105]
3.1)构建正常逆变器1的空间电压矢量分布。逆变器2在静止坐标系下所产生的电压矢量可表示为：
[0106][0107]
式中，u
dc
是直流母线电压；是静止坐标系下的基波空间电压向量值；静止坐标系下的基波空间电压向量值；是其余各个桥臂的开关函数；当上桥臂导通下桥臂导通
[0108]
逆变器2的参考电压矢量可以表示为：
[0109][0110]
在第i扇区的矢量合成如图10所示。
[0111]
其中为逆变器2的参考电压矢量，为步骤2.3)中的求出的逆变器1的参考电压矢量，u
ref
为电机的参考电压矢量。
[0112]
3.2)将逆变器2的空间电压矢量通过扇区判断划分为10个子扇区。在各个对应的扇区中采用相邻四矢量的调制方法计算出逆变器2的各个桥臂的占空比。
[0113]
步骤4)将开绕组五相永磁同步电机两个空间电压矢量产生的开关信号作用在功率开关器件上，实现电机的闭环控制。
[0114]
图11给出了电机在经过正常、故障、重构以及最终实现容错运行的a相电流波形。
[0115]
图12给出了电机在经过正常、故障、重构以及最终实现容错运行的基波子空间电流波形。
[0116]
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，会得到开绕组五相永磁同步电机其他四相中某一相故障重构的容错控制方法。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。