双余度永磁容错电机直接转矩控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种双余度永磁容错电机直接转矩控制系统及方法，所述系统包括两个结构相同的分别对应于一永磁容错电机的直接转矩控制系统，任一所述直接转矩控制系统包括输入单元、存储单元、检测单元、DSP和逆变器控制单元；所述检测单元包括电压检测模块、电流检测模块和编码器；所述DSP包括坐标变换单元、磁链计算单元、转矩计算单元、比较单元、PI调节单元、故障判断单元、通信单元、转矩分配单元、转矩滞环控制单元、磁链滞环控制单元和电压矢量确定单元；本发明充分结合双余度技术和容错技术，提高了系统的可靠性，且有效利用永磁容错电机丰富的电压空间矢量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双余度永磁容错电机直接转矩控制系统及方法。

背景技术

目前，关于永磁容错电机的控制方法主要有查表法、最优转矩控制法和最优电流控制法，由于永磁容错电机一般采用具有全桥驱动拓扑结构的逆变器，因此具有丰富的电压空间矢量，这些电压空间矢量不仅有利于提高电机的输出性能，且能够为电机的容错控制提供便利，上述提到的关于永磁容错电机的控制方法均未结合全桥驱动拓扑结构进行容错控制，另外，现有技术一般只是针对单独一台电机进行容错控制，没有有效利用双余度技术；直接转矩控制技术是控制定子磁链，直接在定子静止坐标系下以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能的高性能控制方法，且现有技术中存在的电机直接转矩控制系统均没有充分结合双余度技术和容错技术，可靠性低，且不能保证电机在发生一相开路故障和控制器故障后保持继续稳定运行。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种可靠稳定、方便实用的双余度永磁容错电机直接转矩控制系统及方法。

本发明的技术手段如下：

一种双余度永磁容错电机直接转矩控制系统，应用于包括由两个永磁容错电机构成的串联式双余度结构，每一永磁容错电机连接一逆变器，包括两个结构相同的分别对应于一永磁容错电机的直接转矩控制系统；

任一所述直接转矩控制系统包括：

用于设定转速给定值ω_r^*、磁链给定值|ψ_s^*|、转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e和磁链滞环控制单元的滞环宽度ψ_Q的输入单元；

用于存储永磁容错电机正常工作状态下和任一相开路故障状态下的开关电压空间矢量表，以及定子磁链角θ与扇区的映射关系的存储单元；

检测单元；所述检测单元包括连接逆变器，用于检测逆变器的直流母线电压U_DC的电压检测模块；连接永磁容错电机，用于检测永磁容错电机的三相定子电流i_a、i_b、i_c的电流检测模块；连接永磁容错电机，用于检测永磁容错电机的转速ω_r的编码器；

DSP；所述DSP包括连接电流检测模块和电压检测模块，用于根据检测到的三相定子电流i_a、i_b、i_c利用公式$>\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)$>得到在αβ坐标系下的电流分量i_α、i_β，根据当前时刻逆变器的开关状态信号S_a、S_b、S_c和检测到的直流母线电压U_DC利用公式$>\left(\begin{array}{c}{u}_{\alpha }\\ u_{\beta }\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}{U}_{\mathrm{DC}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right)$>得到在αβ坐标系下的电压分量u_α、u_β的坐标变换单元；

所述DSP还包括连接坐标变换单元，用于根据得到的电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β利用公式ψ_α＝∫(u_α-R_si_α)dt、ψ_β＝∫(u_β-R_si_β)dt、ψ_s＝ψ_α+ψ_β、计算得出定子磁链分量ψ_α、ψ_β、定子磁链ψ_s、定子磁链ψ_s的幅值|ψ_s|和定子磁链角θ的磁链计算单元，其中R_s为永磁容错电机的定子电阻、n_P为永磁容错电机的极对数；

所述DSP还包括连接坐标变换单元和磁链计算单元，用于根据得到的电流分量i_α、i_β和计算出来的定子磁链ψ_s利用公式i_s＝i_α+i_β和T_e＝n_p(ψ_s×i_s)计算得出电磁转矩T_e的转矩计算单元，其中i_s为三相合成定子电流矢量、n_P为永磁容错电机的极对数；

所述DSP还包括连接输入单元、编码器、转矩分配单元、转矩计算单元和磁链计算单元，用于根据设定的转速给定值ω_r^*和检测到的转速ω_r利用公式e_ω＝ω_r^*-ω_r得到转速误差e_ω，根据得到的转矩给定值T_e^*和计算出来的电磁转矩T_e利用公式ε_T＝T_e^*-T_e得到转矩误差ε_T，根据设定的磁链给定值|ψ_s^*|和计算出来的定子磁链ψ_s的幅值|ψ_s|利用公式ε_ψ＝|ψ_s^*|-|ψ_s|得到磁链误差ε_ψ的比较单元；

所述DSP还包括连接比较单元，用于根据得到的转速误差e_ω利用公式T_e'＝K_pe_ω+K_i∫e_ωdt进行PI调节得到转矩值T_e'的PI调节单元，其中K_p是PI调节的比例系数、K_i是PI调节的积分系数；

所述DSP还包括连接电流检测模块，用于根据检测到的三相定子电流i_a、i_b、i_c一定时间内是否为零判断是否发生一相开路故障的故障判断单元；

连接故障判断单元，用于根据是否发生一相开路故障的判断结果发送该永磁容错电机工作状态给另一永磁容错电机的直接转矩控制系统的通信单元；

所述DSP还包括连接PI调节单元和另一直接转矩控制系统，用于根据是否发生一相开路故障的判断结果和另一直接转矩控制系统发送过来的永磁容错电机工作状态设定转矩分配系数N并结合得到的转矩值T_e'利用公式T_e^*＝NT_e'得到转矩给定值T_e^*的转矩分配单元；

所述DSP还包括连接比较单元和输入单元，用于根据得到的转矩误差ε_T和设定的转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e利用公式$>T_Q=\left(\begin{array}{cc}1& {ϵ}_T>\Delta T_e\\ 0& -\Delta T_e\le {ϵ}_T\le \Delta T_e\\ -1& {ϵ}_T<-\Delta T_e\end{array}\right)$>进行转矩滞环控制得到转矩误差信号T_Q的转矩滞环控制单元；

所述DSP还包括连接比较单元和输入单元，用于根据得到的磁链误差ε_ψ和设定的磁链滞环控制单元的滞环宽度Δψ_s利用公式$>{\psi }_Q=\left(\begin{array}{cc}1& {ϵ}_T>\Delta {\psi }_s\\ 0& {ϵ}_T<-\Delta {\psi }_s\end{array}\right)$>进行磁链滞环控制后得到磁链误差信号ψ_Q的磁链滞环控制单元；

所述DSP还包括连接磁链计算单元、存储单元、故障判断单元、转矩滞环控制单元和磁链滞环控制单元，用于根据计算出来的定子磁链角θ和存储的定子磁链角θ与扇区的映射关系确定出定子磁链所在扇区，根据是否发生任一相开路故障的判断结果选择所存储的相应的开关电压空间矢量表结合计算出来的转矩误差信号T_Q、磁链误差信号ψ_Q和确定出的定子磁链所在扇区确定出一个对应的电压空间矢量V_m的电压矢量确定单元；

连接电压矢量确定单元，用于根据确定出来的电压空间矢量V_m控制逆变器调节永磁容错电机转矩的逆变器控制单元；

进一步地，当两个直接转矩控制系统所包括的故障判断单元均输出未发生任一相开路故障的判断结果时，两个直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元分别设定转矩分配系数N为0.5；当一直接转矩控制系统的故障判断单元输出发生任一相开路故障的判断结果且另一直接转矩控制系统的故障判断单元输出未发生任一相开路故障的判断结果时，发生任一相开路故障的直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元设定转矩分配系数N为0.3，未发生任一相开路故障的直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元设定转矩分配系数N为0.7；

进一步地，所述检测单元还包括连接故障判断单元，用于检测两个直接转矩控制系统分别具有的DSP之间通信状态的通信检测模块；所述故障判断单元根据通信检测模块所检测的DSP之间通信状态判断两个直接转矩控制系统分别具有的DSP是否发生故障。

一种双余度永磁容错电机直接转矩控制方法，应用于包括由两个永磁容错电机构成的串联式双余度结构，每一永磁容错电机连接一逆变器，任一永磁容错电机的直接转矩控制方法包括如下步骤：

S1：输入单元设定转速给定值ω_r^*、磁链给定值|ψ_s^*|、转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e和磁链滞环控制单元的滞环宽度ψ_Q，执行S2；

S2：存储单元存储永磁容错电机正常工作状态下和任一相开路故障状态下所对应的开关电压空间矢量表以及定子磁链角θ与扇区的映射关系，执行S3；

S3：电压检测模块检测逆变器的直流母线电压U_DC，执行S4；

S4：电流检测模块检测永磁容错电机的三相定子电流i_a、i_b、i_c，执行S5；

S5：编码器检测永磁容错电机的转速ω_r，执行S6；

S6：坐标变换单元根据检测到的三相定子电流i_a、i_b、i_c利用公式$>\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)$>得到在αβ坐标系下的电流分量i_α、i_β，执行S7；

S7：坐标变换单元根据当前时刻逆变器的开关状态信号S_a、S_b、S_c和检测到的直流母线电压U_DC利用公式$>\left(\begin{array}{c}{u}_{\alpha }\\ u_{\beta }\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}{U}_{\mathrm{DC}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right)$>得到在αβ坐标系下的电压分量u_α、u_β，执行S8；

S8：磁链计算单元根据得到的电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β利用公式ψ_α＝∫(u_α-R_si_α)dt、ψ_β＝∫(u_β-R_si_β)dt、ψ_s＝ψ_α+ψ_β、计算得出定子磁链分量ψ_α、ψ_β、定子磁链ψ_s、定子磁链ψ_s的幅值|ψ_s|和定子磁链角θ，其中R_s为永磁容错电机的定子电阻、n_P为永磁容错电机的极对数，执行S9；

S9：转矩计算单元根据得到的电流分量i_α、i_β和计算出来的定子磁链ψ_s利用公式i_s＝i_α+i_β和T_e＝n_p(ψ_s×i_s)计算得出电磁转矩T_e，其中i_s为三相合成定子电流矢量、n_P为永磁容错电机的极对数，执行S10；

S10：比较单元根据设定的转速给定值ω_r^*和检测到的转速ω_r利用公式e_ω＝ω_r^*-ω_r得到转速误差e_ω，执行S11；

S11：PI调节单元根据得到的转速误差e_ω利用公式T_e'＝K_pe_ω+K_i∫e_ωdt进行PI调节得到转矩值T_e'，其中K_p是PI调节的比例系数、K_i是PI调节的积分系数、N为转矩分配系数，执行S12；

S12：故障判断单元根据检测到的三相定子电流i_a、i_b、i_c一定时间内是否为零判断是否发生一相开路故障，执行S13；

S13：通信单元根据是否发生一相开路故障的判断结果发送该永磁容错电机工作状态给另一永磁容错电机的直接转矩控制系统，执行S14；

S14：转矩分配单元接收另一永磁容错电机的直接转矩控制系统发送过来的永磁容错电机工作状态并根据是否发生一相开路故障的判断结果设定转矩分配系数N，再结合得到的转矩值T_e'利用公式T_e^*＝NT_e'得到转矩给定值T_e^*，执行S15；

S15：比较单元根据得到的转矩给定值T_e^*和计算出来的电磁转矩T_e利用公式ε_T＝T_e^*-T_e得到转矩误差ε_T，执行S16；

S16：转矩滞环控制单元根据得到的转矩误差ε_T和设定的转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e利用公式$>T_Q=\left(\begin{array}{cc}1& {ϵ}_T>\Delta T_e\\ 0& -\Delta T_e\le {ϵ}_T\le \Delta T_e\\ -1& {ϵ}_T<-\Delta T_e\end{array}\right)$>进行转矩滞环控制得到转矩误差信号T_Q，执行S17；

S17：比较单元根据设定的磁链给定值|ψ_s^*|和计算出来的定子磁链ψ_s的幅值|ψ_s|利用公式ε_ψ＝|ψ_s^*|-|ψ_s|得到磁链误差ε_ψ，执行S18；

S18：磁链滞环控制单元根据得到的磁链误差ε_ψ和设定的磁链滞环控制单元的滞环宽度Δψ_s利用公式$>{\psi }_Q=\left(\begin{array}{cc}1& {ϵ}_T>\Delta {\psi }_s\\ 0& {ϵ}_T<-\Delta {\psi }_s\end{array}\right)$>进行磁链滞环控制后得到磁链误差信号ψ_Q，执行S19；

S19：电压矢量确定单元根据计算出来的定子磁链角θ和存储的定子磁链角θ与扇区的映射关系确定出定子磁链所在扇区，执行S20；

S20：电压矢量确定单元根据是否发生任一相开路故障的判断结果选择所存储的相应的开关电压空间矢量表结合计算出来的转矩误差信号T_Q、磁链误差信号ψ_Q和确定出的定子磁链所在扇区确定出一个对应的电压空间矢量V_m，执行S21；

S21：逆变器控制单元根据确定出来的电压空间矢量V_m控制逆变器调节永磁容错电机转矩；

进一步地，还具有如下步骤：

当两个直接转矩控制系统所包括的故障判断单元均输出未发生任一相开路故障的判断结果时，两个直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元分别设定转矩分配系数N为0.5；当一直接转矩控制系统的故障判断单元输出发生任一相开路故障的判断结果且另一直接转矩控制系统的故障判断单元输出未发生任一相开路故障的判断结果时，发生任一相开路故障的直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元设定转矩分配系数N为0.3，未发生任一相开路故障的直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元设定转矩分配系数N为0.7。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的双余度永磁容错电机直接转矩控制系统及方法，充分利用双余度技术，其包括两个结构相同的分别对应于一永磁容错电机的直接转矩控制系统，且每一直接转矩控制系统均包括输入单元；由电流检测模块、电压检测模块、编码器和通信检测模块组成的检测单元；由坐标变换单元、磁链计算单元、转矩计算单元、存储单元、比较单元、转矩滞环控制单元、磁链滞环控制单元、PI调节单元、转矩分配单元、故障判断单元、通信单元、故障判断单元和电压矢量确定单元构成的DSP；以及逆变器控制单元；充分结合双余度技术和容错技术，提高了系统的可靠性，且有效利用永磁容错电机丰富的电压空间矢量，并根据不同的永磁容错电机工作状态设定转矩分配系数，并结合正常工作状态下和任一相开路故障状态下所对应的开关电压空间矢量表，保证其中一个永磁容错电机在发生一相开路故障后可以继续稳定运行，由于其可靠稳定、方便实用，不仅便于生产，而且成本非常低廉适于广泛推广。

附图说明

图1是本发明所述系统的结构框图；

图2是本发明所述逆变器的内部结构示意图；

图3是本发明所述永磁容错电机A相电压空间矢量示意图；

图4是本发明所述电压空间矢量与扇区划分的分布示意图；

图5是任一相开路故障后的定子电流变化曲线图；

图6是正常情况下A、B、C三相产生的圆形旋转磁场示意图；

图7是A相开路故障前后的电流相位关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作以详细说明，

如图1所示的一种双余度永磁容错电机直接转矩控制系统，应用于包括由两个永磁容错电机构成的串联式双余度结构，每一永磁容错电机连接一逆变器，其特征在于包括两个结构相同的分别对应于一永磁容错电机的直接转矩控制系统；

任一所述直接转矩控制系统包括：

用于设定转速给定值ω_r^*、磁链给定值|ψ_s^*|、转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e和磁链滞环控制单元的滞环宽度ψ_Q的输入单元；

用于存储永磁容错电机正常工作状态下和任一相开路故障状态下的开关电压空间矢量表，以及定子磁链角θ与扇区的映射关系的存储单元；

检测单元；所述检测单元包括连接逆变器，用于检测逆变器的直流母线电压U_DC的电压检测模块；连接永磁容错电机，用于检测永磁容错电机的三相定子电流i_a、i_b、i_c的电流检测模块；连接永磁容错电机，用于检测永磁容错电机的转速ω_r的编码器；

DSP；所述DSP包括连接电流检测模块和电压检测模块，用于根据检测到的三相定子电流i_a、i_b、i_c利用公式$>\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)$>得到在αβ坐标系下的电流分量i_α、i_β，根据当前时刻逆变器的开关状态信号S_a、S_b、S_c和检测到的直流母线电压U_DC利用公式$>\left(\begin{array}{c}{u}_{\alpha }\\ u_{\beta }\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}{U}_{\mathrm{DC}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right)$>得到在αβ坐标系下的电压分量u_α、u_β的坐标变换单元；

所述DSP还包括连接坐标变换单元，用于根据得到的电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β利用公式ψ_α＝∫(u_α-R_si_α)dt、ψ_β＝∫(u_β-R_si_β)dt、ψ_s＝ψ_α+ψ_β、计算得出定子磁链分量ψ_α、ψ_β、定子磁链ψ_s、定子磁链ψ_s的幅值|ψ_s|和定子磁链角θ的磁链计算单元，其中R_s为永磁容错电机的定子电阻、n_P为永磁容错电机的极对数；

所述DSP还包括连接坐标变换单元和磁链计算单元，用于根据得到的电流分量i_α、i_β和计算出来的定子磁链ψ_s利用公式i_s＝i_α+i_β和T_e＝n_p(ψ_s×i_s)计算得出电磁转矩T_e的转矩计算单元，其中i_s为三相合成定子电流矢量、n_P为永磁容错电机的极对数；

所述DSP还包括连接输入单元、编码器、转矩分配单元、转矩计算单元和磁链计算单元，用于根据设定的转速给定值ω_r^*和检测到的转速ω_r利用公式e_ω＝ω_r^*-ω_r得到转速误差e_ω，根据得到的转矩给定值T_e^*和计算出来的电磁转矩T_e利用公式ε_T＝T_e^*-T_e得到转矩误差ε_T，根据设定的磁链给定值|ψ_s^*|和计算出来的定子磁链ψ_s的幅值|ψ_s|利用公式ε_ψ＝|ψ_s^*|-|ψ_s|得到磁链误差ε_ψ的比较单元；

所述DSP还包括连接比较单元，用于根据得到的转速误差e_ω利用公式T_e'＝K_pe_ω+K_i∫e_ωdt进行PI调节得到转矩值T_e'的PI调节单元，其中K_p是PI调节的比例系数、K_i是PI调节的积分系数；

所述DSP还包括连接电流检测模块，用于根据检测到的三相定子电流i_a、i_b、i_c一定时间内是否为零判断是否发生一相开路故障的故障判断单元；

连接故障判断单元，用于根据是否发生一相开路故障的判断结果发送该永磁容错电机工作状态给另一永磁容错电机的直接转矩控制系统的通信单元；

所述DSP还包括连接PI调节单元和另一直接转矩控制系统，用于根据是否发生一相开路故障的判断结果和另一直接转矩控制系统发送过来的永磁容错电机工作状态设定转矩分配系数N并结合得到的转矩值T_e'利用公式T_e^*＝NT_e'得到转矩给定值T_e^*的转矩分配单元；

所述DSP还包括连接比较单元和输入单元，用于根据得到的转矩误差ε_T和设定的转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e利用公式$>T_Q=\left(\begin{array}{cc}1& {ϵ}_T>\Delta T_e\\ 0& -\Delta T_e\le {ϵ}_T\le \Delta T_e\\ -1& {ϵ}_T<-\Delta T_e\end{array}\right)$>进行转矩滞环控制得到转矩误差信号T_Q的转矩滞环控制单元；

所述DSP还包括连接比较单元和输入单元，用于根据得到的磁链误差ε_ψ和设定的磁链滞环控制单元的滞环宽度Δψ_s利用公式$>{\psi }_Q=\left(\begin{array}{cc}1& {ϵ}_T>\Delta {\psi }_s\\ 0& {ϵ}_T<-\Delta {\psi }_s\end{array}\right)$>进行磁链滞环控制后得到磁链误差信号ψ_Q的磁链滞环控制单元；

所述DSP还包括连接磁链计算单元、存储单元、故障判断单元、转矩滞环控制单元和磁链滞环控制单元，用于根据计算出来的定子磁链角θ和存储的定子磁链角θ与扇区的映射关系确定出定子磁链所在扇区，根据是否发生任一相开路故障的判断结果选择所存储的相应的开关电压空间矢量表结合计算出来的转矩误差信号T_Q、磁链误差信号ψ_Q和确定出的定子磁链所在扇区确定出一个对应的电压空间矢量V_m的电压矢量确定单元；

连接电压矢量确定单元，用于根据确定出来的电压空间矢量V_m控制逆变器调节永磁容错电机转矩的逆变器控制单元；

进一步地，所述逆变器采用三相H桥逆变电路，所述逆变器控制单元根据确定出来的电压空间矢量V_m确定三相H桥的开关状态，进而控制逆变器调节永磁容错电机转矩；

进一步地，当两个直接转矩控制系统所包括的故障判断单元均输出未发生任一相开路故障的判断结果时，两个直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元分别设定转矩分配系数N为0.5；当一直接转矩控制系统的故障判断单元输出发生任一相开路故障的判断结果且另一直接转矩控制系统的故障判断单元输出未发生任一相开路故障的判断结果时，发生任一相开路故障的直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元设定转矩分配系数N为0.3，未发生任一相开路故障的直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元设定转矩分配系数N为0.7。

进一步地，所述检测单元还包括连接故障判断单元，用于检测两个直接转矩控制系统分别具有的DSP之间通信状态的通信检测模块；所述故障判断单元根据通信检测模块所检测的DSP之间通信状态判断两个直接转矩控制系统分别具有的DSP是否发生故障。

一种双余度永磁容错电机直接转矩控制方法，应用于包括由两个永磁容错电机构成的串联式双余度结构，每一永磁容错电机连接一逆变器，其特征在于任一永磁容错电机的直接转矩控制方法包括如下步骤：

S1：输入单元设定转速给定值ω_r^*、磁链给定值|ψ_s^*|、转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e和磁链滞环控制单元的滞环宽度ψ_Q，执行S2；

S2：存储单元存储永磁容错电机正常工作状态下和任一相开路故障状态下所对应的开关电压空间矢量表以及定子磁链角θ与扇区的映射关系，执行S3；

S3：电压检测模块检测逆变器的直流母线电压U_DC，执行S4；

S4：电流检测模块检测永磁容错电机的三相定子电流i_a、i_b、i_c，执行S5；

S5：编码器检测永磁容错电机的转速ω_r，执行S6；

S6：坐标变换单元根据检测到的三相定子电流i_a、i_b、i_c利用公式$>\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)$>得到在αβ坐标系下的电流分量i_α、i_β，执行S7；

S7：坐标变换单元根据当前时刻逆变器的开关状态信号S_a、S_b、S_c和检测到的直流母线电压U_DC利用公式$>\left(\begin{array}{c}{u}_{\alpha }\\ u_{\beta }\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}{U}_{\mathrm{DC}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right)$>得到在αβ坐标系下的电压分量u_α、u_β，执行S8；

S8：磁链计算单元根据得到的电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β利用公式ψ_α＝∫(u_α-R_si_α)dt、ψ_β＝∫(u_β-R_si_β)dt、ψ_s＝ψ_α+ψ_β、计算得出定子磁链分量ψ_α、ψ_β、定子磁链ψ_s、定子磁链ψ_s的幅值|ψ_s|和定子磁链角θ，其中R_s为永磁容错电机的定子电阻、n_P为永磁容错电机的极对数，执行S9；

S9：转矩计算单元根据得到的电流分量i_α、i_β和计算出来的定子磁链ψ_s利用公式i_s＝i_α+i_β和T_e＝n_p(ψ_s×i_s)计算得出电磁转矩T_e，其中i_s为三相合成定子电流矢量、n_P为永磁容错电机的极对数，执行S10；

S10：比较单元根据设定的转速给定值ω_r^*和检测到的转速ω_r利用公式e_ω＝ω_r^*-ω_r得到转速误差e_ω，执行S11；

S11：PI调节单元根据得到的转速误差e_ω利用公式T_e'＝K_pe_ω+K_i∫e_ωdt进行PI调节得到转矩值T_e'，其中K_p是PI调节的比例系数、K_i是PI调节的积分系数、N为转矩分配系数，执行S12；

S12：故障判断单元根据检测到的三相定子电流i_a、i_b、i_c一定时间内是否为零判断是否发生一相开路故障，执行S13；

S13：通信单元根据是否发生一相开路故障的判断结果发送该永磁容错电机工作状态给另一永磁容错电机的直接转矩控制系统，执行S14；

S14：转矩分配单元接收另一永磁容错电机的直接转矩控制系统发送过来的永磁容错电机工作状态并根据是否发生一相开路故障的判断结果设定转矩分配系数N，再结合得到的转矩值T_e'利用公式T_e^*＝NT_e'得到转矩给定值T_e^*，执行S15；

S15：比较单元根据得到的转矩给定值T_e^*和计算出来的电磁转矩T_e利用公式ε_T＝T_e^*-T_e得到转矩误差ε_T，执行S16；

S16：转矩滞环控制单元根据得到的转矩误差ε_T和设定的转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e利用公式$>T_Q=\left(\begin{array}{cc}1& {ϵ}_T>\Delta T_e\\ 0& -\Delta T_e\le {ϵ}_T\le \Delta T_e\\ -1& {ϵ}_T<-\Delta T_e\end{array}\right)$>进行转矩滞环控制得到转矩误差信号T_Q，执行S17；

S17：比较单元根据设定的磁链给定值|ψ_s^*|和计算出来的定子磁链ψ_s的幅值|ψ_s|利用公式ε_ψ＝|ψ_s^*|-|ψ_s|得到磁链误差ε_ψ，执行S18；

S18：磁链滞环控制单元根据得到的磁链误差ε_ψ和设定的磁链滞环控制单元的滞环宽度Δψ_s利用公式$>{\psi }_Q=\left(\begin{array}{cc}1& {ϵ}_T>\Delta {\psi }_s\\ 0& {ϵ}_T<-\Delta {\psi }_s\end{array}\right)$>进行磁链滞环控制后得到磁链误差信号ψ_Q，执行S19；

S19：电压矢量确定单元根据计算出来的定子磁链角θ和存储的定子磁链角θ与扇区的映射关系确定出定子磁链所在扇区，执行S20；

S20：电压矢量确定单元根据是否发生任一相开路故障的判断结果选择所存储的相应的开关电压空间矢量表结合计算出来的转矩误差信号T_Q、磁链误差信号ψ_Q和确定出的定子磁链所在扇区确定出一个对应的电压空间矢量V_m，执行S21；

S21：逆变器控制单元根据确定出来的电压空间矢量V_m控制逆变器调节永磁容错电机转矩；

进一步地，所述逆变器采用三相H桥逆变电路，所述逆变器控制单元根据确定出来的电压空间矢量V_m确定三相H桥的开关状态，进而控制逆变器调节永磁容错电机转矩；

进一步地，还具有如下步骤：

当两个直接转矩控制系统所包括的故障判断单元均输出未发生任一相开路故障的判断结果时，两个直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元分别设定转矩分配系数N为0.5；当一直接转矩控制系统的故障判断单元输出发生任一相开路故障的判断结果且另一直接转矩控制系统的故障判断单元输出未发生任一相开路故障的判断结果时，发生任一相开路故障的直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元设定转矩分配系数N为0.3，未发生任一相开路故障的直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元设定转矩分配系数N为0.7。

永磁容错电机构成的串联式双余度结构是由两个独立的永磁容错电机的本体同轴同壳体安装，其具有两套定子、两套转子，只是两个永磁容错电机具有共同的电机轴；直接转矩控制策略当中一个关键的问题，就是如何选取合适的电压空间矢量，如图2所示为连接永磁容错电机的逆变器的内部结构示意图，每相电机绕组采用一组全桥驱动拓扑电路进行驱动，逆变器的直流母线电压为U_DC，三相合成电压空间矢量由三相H桥的开关状态S_a，S_b，S_c确定，三相合成电压空间矢量表示为V_n(S_aS_bS_c)，以A相绕组为例，其具有3种开关状态，当开关管T1、T4闭合时，A相电机绕组上施加左正右负的电压，定义此开关状态为“1”，对应开关信号S_a＝1，如图3所示的A相电压空间矢量示意图，此时A相绕组的相电压空间矢量方向在A相绕组实际空间位置的轴线上，方向如图3中实线所示，其幅值为U_DC，称之为A相绕组的正电压空间矢量；当开关管T2和T3闭合时，A相绕组上施加左负右正的电压，定义此开关状态为“-1”，对应开关信号S_a＝-1，此时A相绕组的相电压空间矢量的位置依旧在A相绕组空间位置的轴线上，方向如图3中虚线所示，其幅值为U_DC，称之为A相绕组的负电压空间矢量；当T1与T3闭合或T2与T4闭合时，A相绕组上施加零电压，定义此开关状态为“0”，对应开关信号S_a＝0，此时A相绕组的零电压空间矢量如图3中零点所示；从图3中可以看出各相绕组的相电压空间矢量的方向固定在该相绕组空间位置的轴线上，当直流母线电压幅值不变时，相电压矢量只由驱动该相绕组的全桥驱动拓扑电路的开关状态确定。

输入单元设定转速给定值ω_r^*、磁链给定值|ψ_s^*|、转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e和磁链滞环控制单元的滞环宽度ψ_Q，其中转速给定值ω_r^*一般取值为500-3000r/min，磁链给定值一般取值为0.39Wb，转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e一般取值为0.1，磁链滞环控制单元的滞环宽度ψ_Q一般取值为0.001。

如表1所示，根据所存储的定子磁链角θ与扇区的映射关系并利用计算出来的定子磁链角θ确定出定子磁链所在扇区，如计算出的定子磁链角θ为100°，则定子磁链所在扇区为三扇区，如图4所示为电压空间矢量与扇区划分的分布示意图，其中将定子磁链圆轨迹划分为第一扇区、第二扇区、第三扇区、第四扇区、第五扇区和第六扇区共六个扇区，随着定子磁链角θ的不断变化，定子磁链的扇区位置也随之变化，开关电压空间矢量的分布具体为：零点位置的开关电压空间矢量为V0(0 0 0)、V25(1 1 1)和V26(-1 -1 -1)，最外圈的电压空间矢量逆时针依次为V1(1 -1 -1)、V7(1 0 -1)、V2(1 1 -1)、V8(0 1 -1)、V3(-1 1 -1)、V9(-1 1 0)、V4(-1 1 1)、V10(-1 0 1)、V5(-1 -1 1)、V11(0 -11)、V6(1 -1 1)和V12(1 -1 0)；内圈的电压空间矢量逆时针依次为V13(1 0 0)和V14(0 -1 -1)、V15(1 1 0)和V16(0 0 -1)、V17(0 1 0)和V18(-1 0 -1)、V19(0 1 1)和V20(-1 0 0)、V21(0 0 1)和V22(-1 -1 0)、V23(1 0 1)和V24(0-1 0)；

表1定子磁链角θ与扇区的映射关系表。

θ扇区-30°≤θ＜30°一30°≤θ＜90°二90°≤θ＜150°三150°≤θ＜210°四210°≤θ＜270°五270°≤θ＜330°六

表2永磁容错电机正常工作状态下的开关电压空间矢量表。

表3永磁容错电机A相开路故障状态下的开关电压空间矢量表。

表4永磁容错电机B相开路故障状态下的开关电压空间矢量表。

表5永磁容错电机C相开路故障状态下的开关电压空间矢量表

表中，ψ_Q=0表示需要减小磁链，ψ_Q=1表示需要增大磁链；T_Q=-1表示需要减小转矩，T_Q=0表示需要保持转矩，T_Q=1表示需要增大转矩，双余度结构中的两个永磁容错电机具有如表2、表3、表4和表5相同的开关电压空间矢量表；当永磁容错电机处于正常工作状态时，串联式双余度结构的每一永磁容错电机各自承担50%的负载，即正常工作状态下转矩分配单元将两个永磁容错电机的转矩分配系数均设定为0.5，转矩分配单元根据0.5的转矩分配系数计算出来的转矩给定值T_e^*，比较单元进而根据得到的转矩给定值T_e^*和计算出来的电磁转矩T_e利用公式ε_T＝T_e^*-T_e得到转矩误差ε_T，转矩滞环控制单元根据得到的转矩误差ε_T和设定的转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e利用公式$>T_Q=\left(\begin{array}{cc}1& {ϵ}_T>\Delta T_e\\ 0& -\Delta T_e\le {ϵ}_T\le \Delta T_e\\ -1& {ϵ}_T<-\Delta T_e\end{array}\right)$>进行转矩滞环控制得到转矩误差信号T_Q，磁链滞环控制单元计算出磁链误差信号ψ_Q，电压矢量确定单元根据存储的如表2所示的永磁容错电机正常工作状态下的开关电压空间矢量表并结合转矩误差信号T_Q、磁链误差信号ψ_Q和确定出的定子磁链所在扇区来确定出一个对应的电压空间矢量V_m,V_m可以为表2中的V0、V1、V2、V3、V4、V5或V6，根据该电压空间矢量V_m控制逆变器调节永磁容错电机转矩；运行时实时检测永磁容错电机的三相定子电流i_a、i_b、i_c，并根据每相定子电流一定时间内是否为零来判断该相是否发生开路故障，参考图5所示的任一相开路故障后的定子电流变化曲线图，设定在t₀时刻该相电机绕组发生了开路故障，同时正弦变化的电流变为零，则此时可以在一定时间Ts内判断电流值是否一直在给定的零电流环宽内，若是，则可以认为该相绕组开路故障，若A相发生开路故障，则电压矢量确定单元选择表3所示的永磁容错电机A相开路故障状态下的开关电压空间矢量表，若B相发生开路故障，则当电压矢量确定单元选择如表4所示的永磁容错电机B相开路故障状态下的开关电压空间矢量表，若C相发生开路故障，则电压矢量确定单元选择表5所示的永磁容错电机C相开路故障状态下的开关电压空间矢量表；永磁容错电机处于任一相开路故障时，其承担的负载由正常的50%降低为30%，则另一永磁容错电机承担的负载由正常的50%转换为70%，具体原理是电机转动的本质是产生圆形或近似圆形的旋转磁场，即所谓的旋转磁动势，当电机发生一相开路故障时，可以通过控制另外两相的电流来保持磁动势不变，进而使输出的电磁转矩不变，正常情况下A、B、C三相产生的圆形旋转磁场如图6所示，此时的旋转磁动势为三相磁动势的矢量和，设定三相电流由下式表示：其中i_a,i_b,i_c分别为A相、B相和C相的瞬时电流，I_m为每相电流的幅值，ω_e为电角频率，为A相电流初始相位角，进一步地，三相合成总磁动势为：MMF＝MMF_a+MMF_b+MMF_c＝Ni_a+αNi_b+α²Ni_c，得出其中N为电机每相绕组的匝数，F=Ni,MMF为正常时总合成磁动势，MMF_a MMF_b MMF_c分别为正常时A、B、C三相各自所产生的磁动势,α＝e^j120°，当A相发生开路故障时总磁动势为MMF'＝MMF_b'+MMF_c'＝αNi_b'+α²Ni_c'，其中MMF'为A相开路故障时总合成磁动势，MMF_b',MMF_c'分别为A相故障时B、C两相各自所产生的磁动势，i_b'和i_c'分别为故障后B、C两相的电流。

令正常时总合成磁动势MMF与A相开路故障时总合成磁动势的MMF'相等，可以得出$>\left(\begin{array}{c}{i_b}^{\prime }=\sqrt{3}I\cos (\theta -5\pi /6)\\ {i_c}^{\prime }=\sqrt{3}I\cos (\theta +5\pi /6)\end{array}\right),$>从该式中得知为了保证故障前后电机的圆形旋转磁场保持不变，故障后将剩余两相B、C的电流幅值控制为正常相电流的倍，相位分别滞后和超前正常时的相位30度，正常时三相电流为i_a、i_b、i_c，A相开路故障后，B、C两相电流为i_b'、i_c'，参考图7所示为A相开路故障前后的电流相位关系示意图，故由上述分析得知，当其中一台电机发生一相开路故障时，若要保持该电机故障前后输出转矩不变的话，故障后两相电流的幅值是三相正常时电流幅值的倍，电机输出转矩与电流幅值是呈线性关系的，则若要保持故障前后电流幅值不变的话，电机故障后的输出转矩应为故障前的倍，也就意味着正常时承担50%的负载，即转矩分配系数为0.5，故障后则承担的负载，同时考虑到永磁容错电机的容量在设计时一般都会有一定的裕量，最终一相开路故障后，将故障电机输出转矩的比例设为30%，即转矩分配系数为0.3，因此当双余度系统其中一台电机发生一相开路故障时，为了防止故障电机剩下的两相电流过大，进而发热烧毁电机，应降低故障电机的转矩输出比例，由正常时承担50%的负载降低为30%，剩余的70%负载则分配给另一台正常电机，根据上述内容，将两个永磁容错电机均处于正常工作状态时，转矩分配系数各为0.5，当其中一个永磁容错电机发生一相开路故障时，故障判断单元根据检测到的定子电流在一定时间内为零，该一定时间一般取值为M个采样周期，M通常取值为5，判断永磁容错电机发生了一相开路故障，转矩分配单元根据该判断结果设定转矩分配系数为0.3，由于两个永磁容错电机具有结构相同的直接转矩控制系统，且每一直接转矩控制系统均具有一与故障判断单元相连接的通信单元，该通信单元与另一永磁容错电机的直接转矩控制系统的转矩分配单元相连接，故同时另一永磁容错电机的直接转矩控制系统的转矩分配单元接收到了发生一相开路故障的直接转矩控制系统发送过去的相应的永磁容错电机工作状态，另一永磁容错电机的直接转矩控制系统相应地将转矩分配系数设定为0.7，当利用公式T_e'＝K_pe_ω+K_i∫e_ωdt得到转矩值T_e'后，转矩分配单元根据是否发生任一相开路故障的判断结果设定相应的转矩分配系数得到转矩给定值T_e^*。

三相永磁容错电机共有19种不同相位和幅值的电压空间电压矢量，其中包括18种非零空间电压矢量和1种零空间电压矢量，具体分布情况参考图4所示，其中有4个不同长度，分别为：0、1、1.732和2。

为了达到良好的控制效果和提高绕组的利用率，直接转矩控制开关表中的电压矢量长度应该是最长的，并且相等的。最终系统正常状态下选用六个相对长度为2的非零电压矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6和一个零电压矢量V0制作正常状态时直接转矩控制中的矢量开关表，对于故障时的矢量开关表，假设永磁容错电机A相发生开路故障，由于A相的开路，此时只能选择第一位是0的电压空间矢量，依据上面选择电压空间矢量的原则，电机故障状态下选用六个相对长度为1的非零电压矢量V14、V16、V17、V19、V21、V24和一个零电压矢量V0制作A相开路故障状态时直接转矩控制中的矢量开关表，当其他相发生开路故障时，采用相同的分析方法选择电压空间矢量制作开关表。

另外，检测单元还包括连接故障判断单元，用于检测两个直接转矩控制系统分别具有的DSP之间通信状态的通信检测模块（图中未示出）；所述故障判断单元根据通信检测模块所检测的DSP之间通信状态判断两个直接转矩控制系统分别具有的DSP是否发生故障，系统正常运行时，两个DSP所具有的通信检测模块相互通信，可以在一定采样周期Y内交换一次事先设定好的正常运行校验码，采样周期Y通常取值为5，当其中一DSP发生故障后，另一DSP的通信检测模块则接收不到发生故障的DSP具有的通信检测模块发出的正常运行校验码，则另一DSP所具有的故障判断单元可以判断出双余度结构中与之通信的DSP发生故障，具体实现可以为设定正常运行校验码为二进制数10101010，两个DSP所具有的通信检测模块在一定采样周期内向对方发送一次此校验码，当通信检测模块接到此校验码无误后即可认为对方工作正常；当在一定采样周期内没有接受到对方发送来的正常运行校验码或者接收的是错误的校验码时，则判断对方DSP发生故障，根据故障判断单元产生的对方DSP故障，则转矩分配单元可以设定转矩分配系数为1，将处于正常运行的DSP的负载调整为100，进而实现当任一直接转矩控制系统具有的DSP发生故障时，系统也可以继续稳定运行。

本发明提供的双余度永磁容错电机直接转矩控制系统及方法，充分利用双余度技术，其包括两个结构相同的分别对应于一永磁容错电机的直接转矩控制系统，且每一直接转矩控制系统均包括输入单元；由电流检测模块、电压检测模块、编码器和通信检测模块组成的检测单元；由坐标变换单元、磁链计算单元、转矩计算单元、存储单元、比较单元、转矩滞环控制单元、磁链滞环控制单元、PI调节单元、转矩分配单元、故障判断单元、通信单元、故障判断单元和电压矢量确定单元构成的DSP；以及逆变器控制单元；充分结合双余度技术和容错技术，提高了系统的可靠性，且有效利用永磁容错电机丰富的电压空间矢量，并根据不同的永磁容错电机工作状态设定转矩分配系数，并结合正常工作状态下和任一相开路故障状态下所对应的开关电压空间矢量表，保证其中一个永磁容错电机在发生一相开路故障后可以继续稳定运行，由于其可靠稳定、方便实用，不仅便于生产，而且成本非常低廉适于广泛推广。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。