一种双定子永磁电机的无速度传感器容错控制方法与流程

：
1.本发明涉及一种双定子永磁电机的无速度传感器容错控制方法。


背景技术：

2.随着电动汽车行业的发展和汽车应用场景的更迭，人们对电机本体及其驱动系统提出了更高的要求，尤其是当电机本体发生相的断路短路、逆变器的断路短路等故障时，如何维持电机一段时间的可靠运行，保障驾驶人员的人身、财产安全，正成为电机本体及其驱动系统设计的研究热点。双定子永磁电机具有功率/转矩密度高、调速范围宽、机械集成度高等优点，其双定子结构使得绕组可以实施并联、串联以及分开独立连接等多种接线方式。为保障转矩输出能力最大化以及缩减开关器件的使用，双定子永磁电机通常采用串联接线，一套三相桥式逆变器便可驱动其运转，此时该电机发生相断路等故障时，会像常规三相永磁电机一样无法凭借自身结构连续运行。
3.此外，电动汽车驱动系统中还常用到机械速度传感器，机械速度传感器的应用不仅会增加系统体积和成本，还会降低控制系统的鲁棒性，同时也存在安装不便、易受环境干扰等问题，为永磁电机的使用带来诸多隐患。目前，科研人员已经对无速度传感器控制展开了充分探索，诸如电机初始位置检测、零低速、中高速以及全速域运行、速度切换等相关的技术问题都得到了很好解决。但无速度传感器控制较为依赖电流采样的精度，当电机故障时系统无法捕获准确电流值，进而无法提取精确位置角，导致电机运行效果变差甚至无法运行。故障下若要实现无速度传感器容错运行，往往需要重构故障下的电机数学模型，对位置信号误差进行自适应补偿或是采取减少滤波器误差的运算，以降低电机断路或短路产生的干扰信号对位置信息观测的影响，但这些方法往往计算复杂且只针对单一故障，通用性差。因此，研究一种能够支持多相故障容错、位置跟踪精确、稳态性能好、结构简单且易于实现的电机及其无速度传感器容错控制方法有着广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种双定子永磁电机的无速度传感器容错控制方法。
5.本发明所采用的技术方案有：
6.一种双定子永磁电机的无速度传感器容错控制方法，其特征在于：包括
7.步骤1)通过电流传感器分别采集双定子永磁电机中两个定子的电枢绕组的相电流，根据采集的相电流判断电机故障相；
8.步骤2)当电机电枢绕组发生故障，断开故障相与双三相四桥臂逆变器的连接，并接入冗余相或切除发生故障的整个定子；
9.步骤3)采样非故障相或正常相的电流输入到滑模观测器和模型预测控制模块，估算得到估计转子位置角和估计速度，将估计速度和参考速度输入转速调节器得到参考电流值；
10.步骤4)参考电流值经过电流分配模块得到双定子电流参考值，将双定子电流参考值与估计转子位置角和估计速度输入到模型预测控制模块，得到开关信号，驱动双三相四桥臂逆变器工作。
11.进一步地，所述双三相四桥臂逆变器包括具有四个桥臂的逆变器1和具有四个桥臂的逆变器2，
12.逆变器1中四个桥臂对应为：t11、t14桥臂，t13、t12桥臂，t15、t16桥臂和tn1、tn2桥臂；
13.逆变器2中四个桥臂对应为：逆变器2存在t21、t24桥臂，t23、t22桥臂，t25、t26桥臂和tn3、tn4桥臂；
14.所述逆变器1与逆变器2使用两个直流源分别供电。
15.进一步地，所述双定子永磁电机为双定子单转子的三相永磁电机，两个定子具有独立的三相电枢绕组且各自中性点不相连。双定子永磁电机包括定子1和定子2；
16.所述定子1包括三个电枢绕组和一个冗余相n1，三个电枢绕组对应为：a1电枢绕组、b1电枢绕组和c1电枢绕组；其中a1电枢绕组与t11、t14桥臂中点相连，b1电枢绕组与t13、t12桥臂中点相连，c1电枢绕组与t15、t16桥臂中点相连，冗余相n1与tn1、tn2桥臂中点相连；
17.所述定子2包括三个电枢绕组和一个冗余相n2，三个电枢绕组对应为：a2电枢绕组、b2电枢绕组和c2电枢绕组；其中a2电枢绕组与t21、t24桥臂中点相连，b2电枢绕组与t23、t22桥臂中点相连，c2电枢绕组与t25、t26桥臂中点相连，冗余相n2与tn3、tn4桥臂中点相连。
18.进一步地，步骤2)中电枢绕组发生故障的故障包括：单相故障、两相故障和三相故障。
19.进一步地，所述单相故障为：
20.当定子1的a1电枢绕组、b1电枢绕组或c1电枢绕组发生单相故障时，断开故障相与逆变器1的连接，用n1冗余相将tn1、tn2桥臂的中点和定子1的中性点o1连接，原先控制故障相对应桥臂的开关信号用于控制tn1、tn2桥臂；
21.当定子2的a2电枢绕组、b2电枢绕组或c2电枢绕组发生单相故障时，断开故障相与逆变器2的连接，用n2冗余相将tn3、tn4桥臂中点和定子2的中性点o2连接，原先控制故障相对应桥臂的开关信号用于控制tn3、tn4桥臂。
22.进一步地，所述两相故障为：
23.当双定子永磁电机发生两相故障时，若为单个定子的两相发生故障，去掉存在故障相的定子，仅运行剩下的单个定子；若两个定子的电枢绕组相均发生单相故障，则断开这两个故障相与对应逆变器的连接，用n1冗余相将tn1、tn2桥臂中点和定子1中性点o1连接，原先控制故障相对应桥臂的开关信号用于控制tn1、tn2桥臂，用n2冗余相将tn3、tn4桥臂中点和定子2中性点o2连接，原先控制故障相对应桥臂的开关信号用于控制tn3、tn4桥臂。
24.进一步地，所述三相故障为：
25.当电机发生三相故障时，去掉故障相多的定子，仅运行剩下的单个定子；此时，若剩下的单个定子为定子1且发生单相故障，则断开故障相与逆变器1的连接，用n1冗余相将tn1、tn2桥臂的中点和该定子中性点连接，原先控制故障相对应桥臂的开关信号用于控制
tn1、tn2桥臂，若剩下的单个定子为定子2时处理方式可类推得出。
26.进一步地，步骤3)采样非故障相或正常相的电流输入到滑模观测器和模型预测控制模块(非故障相是指发生故障的定子中去除故障后剩余的两相，正常相是指未发生故障定子的所有三相)，估算得到估计转子位置角和估计速度的过程为：
27.若双定子永磁电机的电枢绕组发生故障，在经过步骤2)的双三相四桥臂逆变器容错后，非故障相或正常相的电流输入方式为：
28.(1)当双定子永磁电机发生两相故障且在单个定子上，或发生三相故障时，逆变器容错后只剩单个定子，采样这个定子的非故障相的两相电流或正常的三相电流输入到滑模观测器和模型预测控制模块；
29.(2)当双定子永磁电机发生两相故障且存在两对相对的非故障相的电枢绕组时，将每对相对的非故障相的电流取平均值之后均输入到一个滑模观测器，再输入到一个模型预测控制模块；
30.(3)当双定子永磁电机发生两相故障且存在一对交叉的非故障相的电枢绕组，或发生单相故障时，将每个定子的非故障相的两相电流或正常的三相电流分别输入到各自的滑模观测器，再输入到各自的模型预测控制模块(注：如a1和a2是相对，a1和b2、c2是交叉)。
31.进一步地，滑模观测器估算得到估计转子位置角和估计速度后，具体处理方式为：
32.当双定子永磁电机发生两相故障且存在一对交叉的非故障相的电枢绕组，或发生单相故障时，各自的滑模观测器均会输出估计转子位置角和估计速度，需要将估计转子位置角和估计速度分别取平均值；只存在单个估计转子位置角和估计速度，不取平均值。
33.进一步地，步骤4)所述的电流分配方式及模型预测控制模块驱动双三相四桥臂逆变器过程，具体如下：
34.当双定子永磁电机的电枢绕组发生故障，经过双三相四桥臂逆变器容错后：
35.(1)双定子永磁电机发生两相故障且为单个定子的两相故障，或发生三相故障时，逆变器容错后只剩单个定子，电流不进行分配，模型预测控制模块仅为该定子对应的逆变器提供开关信号；
36.(2)当双定子永磁电机发生两相故障且存在两对相对的非故障相的电枢绕组时，只有单个估计转子位置角、估计速度，和一对非故障相的电流，电流不进行分配，模型预测控制模块输出开关信号同时驱动逆变器1和逆变器2；
37.(3)当双定子永磁电机发生单相故障，则存在故障相的定子与未发生故障定子的电流分配比例为模型预测控制模块输出开关信号各自驱动对应的逆变器；
38.该过程中，存在故障相的定子与未发生故障定子的电流分配比例求解过程如下：
39.双定子永磁电机发生单相故障时，若不进行电流分配，存在故障相的定子电流与未发生故定子的电流的比例为：
40.为使故障后的输出电流实现平均分配，即令可以得到x1和x2为：
[0041][0042]
其中，x1和x2分别为存在故障相的定子的电流与未发生故障定子的电流的中间比例系数，此时x1 x2≠1；
[0043]
指定n、m分别为存在故障相的定子、未发生故障定子的电流分配比例，令n m＝1，则
[0044][0045]
(4)当双定子永磁电机发生两相故障且存在一对交叉的非故障相的电枢绕组时，则两个定子的电流分配比例为1/2:1/2，模型预测控制模块输出开关信号各自驱动对应的逆变器。
[0046]
为说明单相故障时的电流分配方式，以a1相故障为例，正常情况下和单相故障容错后的双定子永磁电机的各相电流如式(1)所示。
[0047][0048]
式中，im为正常相电流的幅值，下标“1、2”分别代表定子1和定子2，下标“a，b，或c”分别代表定子的a，b或c相，上标
“’”
代表容错后的相电流。
[0049]
由(1)可知，a1相绕组剥离与逆变器的连接，b1、c1两相电流相位相差60
°
，幅值均为正常工作时的倍，此时依然要求电机在额定电流下容错运行，则电机的承载能力将降低到正常时的
[0050]
令m n＝1，求得双定子永磁电机的瞬时铜耗为：
[0051][0052]
式中，n、m分别为存在故障相的定子、未发生故障定子的电流分配比例。
[0053]
平均相对铜耗为：
[0054][0055]
式中，p
cuo
为电机正常运行时的铜耗，为瞬时铜耗p
cu
的平均值。
[0056]
取n＝1/3和m＝2/3时，双定子永磁电机的平均相对铜耗最小，此时电机的承载力为正常时的68.3％，计算过程如式(4)；取计算过程如式(5)，即两个定子的输出相电流实现平均分配，此时电机的承载力为正常时的因1/3和相近，对应的双定子永磁电机的平均相对铜耗小。为保障电机容错后的承载力最大化的同时系统损耗较小，选择电机发生其他单相故障情况时，同样可依此推导。
[0057][0058][0059]
其中，η为比例的百分数。
[0060]
本发明具有如下有益效果：
[0061]
1)双定子永磁电机在无速度传感器控制条件下，能够实现多相绕组故障的容错运行，并维持转子位置角和转速的估算精度，提高了电机及其驱动系统的容错性和安全性；
[0062]
2)提高了双定子永磁电机单相故障时的承载力，减小了系统损耗；
[0063]
3)不需要根据故障类型重构电机数学模型，也不需要重新设计滤波器及补偿环节，结构简单，计算量小，易于工程实现。
附图说明：
[0064]
图1是双定子永磁电机的三维拓扑结构图；
[0065]
图2是双定子永磁电机的无速度传感器容错控制方法的系统框图；
[0066]
图2中：s
aij
为开关信号，k
ij
为开关器件，i＝1、2、3，j＝1、2、3；
[0067]
图3是逆变器容错方法的流程图；
[0068]
图4是滑模观测器输入输出处理方法的流程图；
[0069]
图5是滑模观测器的控制框图；
[0070]
图6是电流分配方法的流程图；
[0071]
图7是模型预测控制模块的工作原理框图；
[0072]
图8(a)-图8(e)和是双定子永磁电机的无速度传感器容错控制方法在发生单相故障时的动态仿真结果：其中图8(a)为定子1的相电流结果，图8(b)为定子2的相电流结果，图8(c)为转子位置角结果，图8(d)为速度结果，图8(e)为转矩结果；
[0073]
图9(a)和图9(b)是双定子永磁电机的无速度传感器容错控制方法在发生两相和三相故障容错后转子位置角的仿真结果：其中图9(a)为两相故障且存在两对相对的非故障相下的结果，图9(b)为三相故障下的结果；
[0074]
图10(a)和图10(b)是双定子永磁电机的无速度传感器容错控制方法在发生两相和三相故障容错后速度的仿真结果：其中图10(a)为两相故障且存在两对相对的非故障相下的结果，图10(b)为三相故障下的结果。
具体实施方式：
[0075]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0076]
本发明一种双定子永磁电机的无速度传感器容错控制方法，图1所示的双定子永磁电机由两个相同结构的定子和一个置于其间的转子组成，每个定子具有独立的三相电枢绕组且中性点不相连，其中a11和a12串联为a1，b11和b12串联为b1，a21和a22串联为a2，以此类推。
[0077]
如图2所示，本发明提供了一种双定子永磁电机的无速度传感器容错控制方法，包括以下步骤：
[0078]
步骤1、通过电流传感器分别采集六相电枢绕组的相电流，根据相电流判断电机故障相；
[0079]
步骤2、当电机电枢绕组发生故障，断开故障相与双三相四桥臂逆变器的连接，并接入冗余相或切除发生故障的整个定子；
[0080]
具体的，步骤2所述的电机电枢绕组故障时，采用双三相四桥臂逆变器实施容错如图3所示，过程说明如下：
[0081]
本专利中所述的双三相四桥臂逆变器使用两个直流源分别供电，其中逆变器1存在t11、t14桥臂，t13、t12桥臂，t15、t16桥臂和tn1、tn2桥臂，逆变器2存在t21、t24桥臂，t23、t22桥臂，t25、t26桥臂和tn3、tn4桥臂，如图2所示。
[0082]
单相故障：当定子1的a1、b1或c1相发生单相故障时，断开故障相与逆变器的连接，用n1冗余相将tn1、tn2桥臂的中点和定子1中性点o1连接，原先控制故障相对应桥臂的开关信号用于控制tn1、tn2桥臂；当定子2的a2、b2或c2相发生单相故障时，断开故障相与逆变器
的连接，用n2冗余相将tn3、tn4桥臂中点和定子2中性点o2连接，原先控制故障相对应桥臂的开关信号用于控制tn3、tn4桥臂；
[0083]
两相故障：当电机发生两相故障时，若为单个定子的两相发生故障，去掉这个存在故障相的定子，仅运行剩下的单个定子；若两个定子的电枢绕组相均发生单相故障，则断开这两个故障相与逆变器的连接，用n1冗余相将tn1、tn2桥臂中点和定子1中性点o1连接，原先控制故障相对应桥臂的开关信号用于控制tn1、tn2桥臂，用n2冗余相将tn3、tn4桥臂中点和定子2中性点o2连接，原先控制故障相对应桥臂的开关信号用于控制tn3、tn4桥臂；
[0084]
三相故障：当电机发生三相故障时，去掉故障相多的定子，仅运行剩下的单个定子，此时，若剩下的单个定子为定子1且发生单相故障，则断开故障相与逆变器的连接，用n1冗余相将tn1、tn2桥臂的中点和该定子中性点连接，原先控制故障相对应桥臂的开关信号用于控制tn1、tn2桥臂，若剩下的单个定子为定子2时处理方法可类推得出。
[0085]
步骤3、采样非故障相或正常相的电流输入到滑模观测器和模型预测控制模块，估算得到估计转子位置角和估计速度，将估计速度和参考速度输入转速调节器得到参考电流值；
[0086]
具体的，若电机电枢绕组发生故障后，按照步骤2实施逆变器容错，步骤3所述的非故障相或正常相的电流输入方式如图4所示，(这里，非故障相是指发生故障的定子中去除故障后剩余的两相，正常相是指未发生故障定子的所有三相)，过程如下：
[0087]
当电机发生两相故障且为单个定子上或发生三相故障时，逆变器容错后只剩单个定子，采样这个定子的非故障相的两相电流或正常的三相电流输入到滑模观测器和模型预测控制模块；(2)当电机发生两相故障且存在两对相对的非故障相的电枢绕组时，将每对相对的非故障相的电流取平均值之后均输入到一个滑模观测器，再输入到一个模型预测控制模块；(3)当电机发生两相故障且存在一对交叉的非故障相的电枢绕组，或发生单相故障时，将每个定子的非故障相的两相电流或正常的三相电流分别输入到各自的滑模观测器，再输入到各自的模型预测控制模块(注：如a1和a2是相对，a1和b2、c2是交叉)；
[0088]
具体的，步骤3所述的滑模观测器估算得到估计转子位置角和估计速度，之后的具体处理方式如图4所示，实现过程为：
[0089]
当电机发生两相故障且存在一对交叉的非故障相的电枢绕组，或发生单相故障时，各自的滑模观测器均会输出估计转子位置角和估计速度，需要将估计转子位置角和估计速度分别取平均值；其他情况，只存在单个估计转子位置角和估计速度，不取平均值。
[0090]
具体的，步骤3所述的滑模观测器的工作原理如图5所示，实现过程为：
[0091]
输入αβ轴的定子相电流i
α
，i
β
和αβ轴的定子相电压u
α
，u
β
到电流状态观测器中，得到αβ轴的电流误差值δi
α
，δi
β
，将求得的电流误差值δi
α
，δi
β
输入到开关函数中得到开关函数值z
α
，z
β
，再将求得的开关函数值z
α
，z
β
输入到低通滤波器中得到αβ轴的估算反电动势最后将αβ轴的估算反电动势通过锁相环得到估算位置角和估算电角速度估算速度可由估算电角速度求得。
[0092]
其中，αβ轴的定子相电流i
α
，i
β
由步骤3所述的非故障相或正常相的电流经过坐标变换后得到，αβ轴的定子相电压u
α
，u
β
由双定子电流参考值i
q1*
或i
q2*
经过转速调节器和坐标变换后得到，这里转速调节器通常为pi调节器。
[0093]
步骤4、参考电流值经过电流分配模块得到双定子电流参考值，将它与估计转子位置角和估计速度输入到模型预测控制模块，得到开关信号，驱动双三相四桥臂逆变器工作。
[0094]
具体的，步骤4所述的电流分配方式的实施过程如图6所示，表述如下：
[0095]
当电机电枢绕组发生故障，经过双三相四桥臂逆变器容错后：(1)当电机发生两相故障且在单个定子的两相上或发生三相故障时，逆变器容错后只剩单个定子，电流不进行分配，模型预测控制模块仅为该定子对应的逆变器提供开关信号；(2)当电机发生两相故障且存在两对相对的非故障相的电枢绕组时，只有单个估计转子位置角、估计速度，和一对非故障相的电流，电流不进行分配，模型预测控制模块输出开关信号同时驱动逆变器1和逆变器2；(3)当电机发生单相故障，则存在故障相的定子与未发生故障定子的电流分配比例为模型预测控制模块输出开关信号各自驱动对应的逆变器；(4)当电机发生两相故障且存在一对交叉的非故障相的电枢绕组时，则两个定子的电流分配比例为1/2:1/2，模型预测控制模块输出开关信号各自驱动对应的逆变器。
[0096]
具体的，步骤4所述的模型预测控制模块的工作原理如图7所示，实现过程为：
[0097]
电压矢量u
si
中i＝1，2，...，7，采样周期中分别将k时刻的电压矢量u
si
，相电流is和电角速度ωr输入到电流预测模块得到k 1时刻的dq轴的预测电流id(k 1)和iq(k 1)，将k 1时刻的dq轴的预测电流id(k 1)和iq(k 1)与参考电流值i
q*
和i
d*
＝0输入到价值函数模块——通过比较价值函数得到最小值，将最小值对应的电压矢量作为最优电压矢量u
opt
输入到脉冲生成模块，产生开关信号以控制逆变器通断，进而驱动双定子永磁电机运行。
[0098]
其中，参考电流值i
q*
为双定子电流参考值i
q1*
或i
q2*
，采样电流is为步骤3中的采样非故障相或正常相的电流，电角速度ωr可由步骤3中滑模观测器的估计速度计算后得到。
[0099]
根据图2所示的系统框图，基于matlab/simulink电脑软件进行了仿真验证，选用的双定子永磁电机(串联连接时)的参数如下：额定功率600w，额定转速750r/min，额定转矩7.6n
·
m，极对数14，永磁磁链幅值0.0679wb，电枢绕组电阻2.3ω，交直轴电感分别为2.22mh、2.23mh，转动惯量0.004kg
·
m2，摩擦转矩粘滞系数0.0004n
·m·
s。仿真条件设置为：仿真时长0.65s，电机在0至0.15s时段正常运行，0.15s至0.25s时段发生单相故障，0.25s至0.45s时段未实施电流分配容错控制，0.45s至0.65s时段实施电流分配容错控制，采样时间1e-4s。双定子永磁电机运行在速度300r/min负载4n
·
m的工况下，图8为本发明在发生单相故障时的动态仿真结果，其中(a)为定子1的相电流结果，(b)为定子2的相电流结果，(c)为转子位置角结果，(d)为速度结果，(e)为转矩结果；图9和图10分别为本发明在发生两相和三相故障容错后的转子位置角、速度的仿真结果，其中(a)为两相故障且存在两对相对的非故障相下的结果，(b)为三相故障下的结果。由图8(a)至(e)可见，在单相故障发生时两个定子的相电流均发生畸变，转矩产生超过6倍正常运行时的抖动，电机转速不稳，估计速度产生超过6倍正常运行时的误差，经过容错控制后速度和转矩波动控制效果明显改善；其中，相比于未电流分配的容错控制方式，实施电流分配的容错控制最大相电流值显著降低，意味着存在电流值提升空间，即电机承载力得到了改善，同时转矩脉动降低了一半，稳定性得到提高；此外，整个过程中估计转子位置角都能很好的跟踪上实测值，转子位置估算准确。由图9和图10可见，电机在发生两相和三相故障经过容错后可以很好跟踪转子位置角，转速运行平稳。由仿真结果可以总结：本发明方法支持双定子永磁电机多相故障下的容错，可以维持故障后的转子位置角估算精度，促进电机平稳运行；单相故障时的承载力得到
了最大程度提高，转矩脉动小，本发明方法改善了系统的安全性和可靠性。
[0100]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。