一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法

摘要

本发明公开了一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法，包括如下步骤：当逆变器开关管出现开路故障后，先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构；通过PI控制器输出给定转矩；利用“电流法”估算定子磁链；通过给定转矩和估算转矩的差值得到负载角的变化量dδ，由最大转矩电流比控制给出参考定子磁链，并由此计算给定参考电压矢量。通过剩余的开关管进行改进式空间电压矢量脉宽调制重构，输出开关频率固定的双逆变器PWM控制信号给逆变器，在开关管开路故障下，保证故障下系统的安全、稳定运行，使系统具有良好的稳态和动态性能。

说明书

技术领域

本发明涉及三相永磁同步电机控制技术，具体是一种三相永磁同步电机基于改进式SVPWM的开绕组容错直接转矩控制(DTC)方法，适用于航空航天器、工业生产和制造、新能源汽车等领域。

背景技术

在人们工业生产及日常生活中，经常用到将电能转换成机械能的装置，既交流电机伺服系统。随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术已经具备了宽调速范围，高稳态精度，高转矩输出，快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，将交流电机伺服控制广泛应用于航空航天器，各种机器人及生活用电器的生产和制造中。

交流伺服系统的研究中，永磁同步电动机(PMSM)具有结构简单、运行稳定、损耗小、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等优点。和异步电动机相比，它由于是永磁体励磁，无需无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，定子电流和定子电阻损耗减小；与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，效率提高，实现了无刷化。加上我国丰富的稀土资源，稀土永磁材料的产量和性能以及生产工艺都已经处于国际先进水平，这为永磁同步电动机的发展提供了良好的基础条件。

永磁同步电机的控制理论研究，是多国竞相研究的重点问题。永磁同步电动机最初常用的控制方式是矢量控制。矢量控制可以实现交流电动机的解耦控制使交流电机获得与直流电机一样的控制性能，但是矢量控制引入了大量的解耦计算，使系统变得复杂。因此，在完善矢量控制的基础之上，迫切地希望能找到另外一种控制电机的方法，使得控制更为方便。

直接转矩控制(DTC)是继矢量控制之后发展起来的新一代高性能控制方法，具有动态响应快、结构简单、鲁棒性强以及无需转子位置信号和复杂的坐标变换等优点。传统DFC对磁链和转矩的控制采用滞环调节器，类似于bang-bang控制，一个周期只能作用单一的电压矢量，存在磁链和转矩脉动大和逆变器开关频率不固定等问题。

针对上述传统DTFC存在的弊端，国内外学者做了大量的研究，包括模型预测控制，模糊控制，占空比调制、滑膜控制等，上述方法均提升了系统正常下的运行性能，但在系统逆变器开关管故障下的性能是未知的。现有对永磁电机的直接转矩控制研究主要集中在系统正常下的运行性能，针对系统逆变器开关管故障的研究较少。开绕组是一种新颖的控制拓扑，由双逆变器组成，具有天然的硬件冗余性和容错性，非常适合容错控制。

针对DTC系统逆变器开关管开路故障的问题，本发明提出了一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法。在开关管开路故障下，通过先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构。并通过剩余的开关管进行改进式空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)重构，实施直接转矩控制，输出开关频率固定的双逆变器PWM控制信号给逆变器，在开关管开路故障下，保证直流母线电压利用率为正常运行下的75％，保证故障下系统的安全、稳定运行，使系统具有良好的稳态和动态性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于永磁同步电机的直接转矩控制方法，用以解决永磁同步电机系统在逆变器开关管开路故障下稳定运行的问题。

本发明采用的技术方案是：当逆变器开关管出现开路故障后，先先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构；利用“电流法”估算定子磁链；通过估算转矩和给定值的差值得到Δδ，由最大转矩电流比控制(MTPA)算出给定参考定子磁链，并由此计算给定参考电压矢量；由双逆变器PWM模块输出开关频率固定的PWM控制信号给逆变器，对电机进行控制。根据多次仿真，本发明在开关管开路故障下，保证直流母线电压利用率为正常运行下的75％，保证故障下系统的安全、稳定运行，使系统具有良好的稳态和动态性能。

一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法，包括如下步骤：

第一步，当逆变器开关管出现开路故障后，先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构；

第二步，三相定子电流i_a、i_b、i_c由电流霍尔传感器采集后，经克拉克3r/2s坐标变换后得到两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β；

第三步，利用光电编码器计算出三相永磁电机转子的位置θ_r和实际转速n，实际转速n与给定速度n^*作差经过PI控制器得到给定参考转矩T_e^*；根据给定参考转矩T_e^*，由最大转矩电流比控制法求得给定参考定子磁链|ψ_s|^*；

第四步，通过第二步得到的电流分量i_α、i_β以第三步的得到的θ_r，利用“电流法”估算定子磁链ψ_s；在两相静止坐标系下，利用磁链分量ψ_α和ψ_β以及i_α和i_β计算出本次实时估测的电磁转矩T_e；

第五步，利用估测的电磁转矩T_e与给定转矩通过PI控制器计算负载角的变化量Δδ，再通过磁链分量ψ_α、ψ_β进行三角反正切计算得到定子磁链位置角θ_s；再并结合第三步计算所得的|ψ_s|^*，算出给定参考电压矢量u_α、u_β；

第六步，将第五步得到的给定参考电压矢量分量u_α、u_β输入双逆变器PWM调制模块，发出开关频率固定的PWM控制信号给双逆变器，在开关管开路故障下，保证系统的安全、稳定运行。

进一步，所述第三步由最大转矩电流比控制法求得给定参考定子磁链|ψ_s|^*具体公式为：

式中，L_q为q轴电感，P_n为电机极对数,ψ_f为永磁体磁链。

进一步，所述电磁转矩T_e具体表达式为：

式中，P_n为电机极对数。

进一步，所述给定参考电压矢量u_α、u_β具体计算公式为：

式中，T_s为控制周期，R_s为定子电阻，θ_s为定子磁链位置角，ψ_sα、ψ_sβ为定子绕组α、β轴的磁链，i_sα、i_sβ为定子绕组α、β电流分量。

进一步，所述第六步开关管开路故障下，根据给定合成参考电压矢量U_s＝U_s1-U_s2，其中U_s1是逆变器1电压矢量，U_s2是逆变器2电压矢量，共可合成32个基本电压矢量，其中包括：6个长矢量，4个中矢量，4个小矢量；选用重构后的中矢量和大矢量，可将其分为10个扇区；由给定电压矢量根据扇区判断表进行扇区判断；容错后，系统依然具有灵活的电压矢量选择，因此SVPWM调制方式为相邻两矢量调制方式；根据伏秒平衡原理对不同扇区下的基本电压矢量作用时间进行分配，由于基本矢量中没有零电压矢量，选择基本矢量中大小相同方向相反的两个小矢量V_00'、V_72'各作用的时间，两者作用相互抵消，相当于零矢量作用了t₀时间，从而实现固定的开关频率，并输出对称的PWM波。

本发明具有以下有益效果：

1)在开关管开路故障下，通过先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构。并通过剩余的开关管进行改进式空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)重构，在开关管开路故障下，保证直流母线电压利用率为正常运行下的75％。

2)在开关管开路故障下，改进式空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)重构，输出开关频率固定的双逆变器PWM控制信号给逆变器，保证故障下系统的安全、稳定运行，使系统具有良好的稳态和动态性能。

3)本发明同样适用于其它普通永磁同步电机。

附图说明

图1为本发明的基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错DTC控制框图；

图2为表贴式永磁同步电机电机截面图；

图3为开关管开路故障示意图；

图4为容错重构示意图；

图5为“电流法”示意图；

图6为容错后双逆变器电压矢量示意图；其中，图6(a)为逆变器1电压矢量；

图6(b)为逆变器2电压矢量；图6(c)为双逆变器电压矢量；

图7为第一扇区合成电压矢量示意图；

图8为第一扇区开关顺序示意图；

图9为开关管故障下从正常模式切换到容错模式仿真图；

图10为容错切换局部放大仿真图；

图11为容错模式运行下转矩动态响应仿真图；

图12为容错模式运行下转速动态响应仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明是一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机的开绕组容错直接转矩控制方法，具体的控制框图，如图1所示。当逆变器开关管出现开路故障后，先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构；通过PI控制器输出给定转矩；利用“电流法”估算定子磁链；通过给定转矩和估算转矩的差值得到负载角的变化量Δδ，由最大转矩电流比控制(MTPA)给出参考定子磁链，并由此计算给定参考电压矢量。通过剩余的开关管进行改进式空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)重构，输出开关频率固定的双逆变器PWM控制信号给逆变器，在开关管开路故障下，保证直流母线电压利用率为正常运行下的75％，保证故障下系统的安全、稳定运行，使系统保持良好的稳态和动态性能。

图2为表贴式永磁同步电机的截面图。由图2可知，电机的定子部分定子铁心和三相电枢绕组组成，转子侧仅在表面安装着永磁体，电机为隐极式电机，具有较高的机械强度和功率因数、转矩密度高，易于维护，非常适合航空航天器、工业生产和制造、新能源汽车等领域。

具体实施方案包括以下步骤：

1、当逆变器开关管出现开路故障时，例如,逆变器2的VT₂₁开路故障时如图3所示。先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构，如图4所示。

2、三相定子电流i_a、i_b、i_c由电流霍尔传感器采集后，经克拉克3r/2s坐标变换后得到两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β的表达式为

3、利用光电编码器获得三相永磁电机位置角θ_r，并由此计算出电机的实际转速n(见式2)，与给定转速n^*作差经过PI控制器得到给定参考转矩T_e^*。

4、根据给定转矩T_e^*，通过MTPA法求得给定定子磁链|ψ_s|^*，具体表达式为：

式中，L_q为q轴电感，P_n为电机极对数。

5、通过此前计算得到的i_α、i_β，利用“电流法”进行磁链估算，由图4可知，具体推算过程为：

6、通过此前换算得到的磁链分量Ψ_α、Ψ_β进行三角反正切计算得到定子磁链位置角θ_s的表达式为：

θ_s＝arctan(ψ_β/ψ_α)>

7、在两相静止坐标系下，利用Ψ_α、Ψ_β以及i_α和i_β估测电磁转矩T_e，具体表达式为：

8、利用估算转矩与给定转矩通过PI控制器计算Δδ，再通过磁链分量ψ_α、ψ_β进行三角反正切计算得到定子磁链位置角θ_s，再并结合之前计算所得的|ψ_s|^*，算出给定参考电压矢量u_α、u_β，具体计算公式为：

式中，T_s为控制周期，R_s为定子电阻。

9、利用所需的给定参考电压矢量，通过双逆变器SVPWM，最终求得故障情况下双逆变器的开关状态，以达到容错运行的目的，具体方法如下：

(1)容错电压空间矢量

容错重构后，逆变器1仍有8种开关状态，分别表示为V₀、V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆、V₇，对应桥臂的开关函数S_a1，S_b1，S_c1分别为000、100、110、010、011、001、101、111八种开关状态，如图6(a)所示。逆变器2还有两相桥臂继续工作，共有4中开关状态，分别表示为V_0’、V_1’、V_2’、V_3’，对应桥臂开关函数S_b2，S_c2分别为00、10、11、01四种开关状态，如图6(b)所示。

根据公式U_s＝U_s1-U_s2，可以得到如图6(c)所示的容错后双逆变器合成基本电压矢量。从图中可以看出，容错后共有32个基本电压矢量，其中包括：6个长矢量，4个中矢量，4个小矢量。分为10个扇区，SVPWM调制方式为相邻两矢量调制方式。容错后电压矢量表示方式为，V₂₃′代表逆变器1开关状态为V₂，逆变器2开关状态为V₃。

如图5所示，正常状态下最大电压矢量圆的半径为容错之后最大电压矢量圆的半径为容错后直流电压利用率为正常状态下的75％。表1为容错后基本电压矢量的幅值。

(2)扇区判断

如图6所示，根据基本电压矢量将扇区分为10个扇区，定义变量b₀、b₁、b₂、b₃、b₄，扇区判断公式如下：

如果b₀>0，则s₀＝1，否则s₀＝0，b₁>0，则s₁＝1，否则s₁＝0，b₂>0，则s₂＝1，否则s₂＝0，b₃>0，则s₃＝1，否则s₃＝0，b₄>0，则s₄＝1，否则s₄＝0。扇区判断值N＝s₀+2*s₁+3*s₂+4*s₃+5*s₄。表1为扇区判断表。

表1容错后扇区判断表

(3)矢量选择与时间分配

容错后，依然具有灵活的电压矢量选择，以扇区Ⅰ为例，选择V_12'和V_13'作为合成矢量，根据伏秒平衡原理，矢量时间分配公式如下：

计算上式可得矢量作用时间如下：

由于容错后，基本电压矢量没有零矢量，本文选择矢量V_00'和V_72'各作用的时间，两者作用相互抵消，相当于零矢量作用了t₀时间。第一扇区电压矢量作用如图7所示。其开关顺序如图8所示。

表2为各个扇区的容错电压矢量的时间分配。

表2容错后电压矢量作用时间分配表

8、为了说明本发明的基于改进式SVPWM的永磁同步电机的开绕组容错直接转矩控制方法，可在保持系统正常运行的基础上，保证系统在逆变器开路故障下的稳定运行能力，提高系统容错性能，提高系统的稳定性和鲁棒性，现给出仿真结果进行详细分析。

仿真中所用永磁同步电机参数如下：额定电压U_N＝220V；额定电流I_N＝5A；直轴电感L_d＝5mH；交轴电感L_q＝5mH；极对数P_n＝4；定子电阻R_s＝1.12Ω；永磁体磁链Ψ_f＝0.15Wb；转动惯量：J＝0.0004kg·m²，采样周期为50μs。

A相开关管故障下从正常模式切换到容错模式仿真图，如图9所示。在0s时,给定转速n^*＝200rpm，给定转速T_e^*＝1.2N.m,在t＝0.05s内电机转速上升到给定值，电机转矩、定子磁链、定子电流波形均处于稳定状态。图10为容错切换局部放大仿真图，由图10可以看出在t₁＝0.465s时,开关管件出现开路故障，此时，A相电流为零，B相和C相电流波形失控，电机转矩脉动为2.4N.m，磁链也出现较大脉动，电机速度下降到175rpm。在t₂＝0.505s的时候，电机进入容错控制模式，此时，电机电流逐渐恢复正常，电机速度也开始跟随给定速度。在容错状态下，进入稳态后，定子电流正弦度依然很高，电机推力脉动与正常模式基本相同，表明容错模式下，系统仍能够稳定运行，具有较好的稳态性能。

图11为容错模式运行下转矩动态响应仿真图。由图可知，在t＝1s时，负载转矩由1.2N.m突增为1.8N.m，阶跃时间为1.5ms；在t＝1.4s时，负载转矩由1.8N.m突减为1.2N.m，阶跃时间为1.3ms.由于给定参考定子磁链采用MTPA方法，故I_d在负载转矩突增(减)时始终为0，以上仿真结果表明容错模式下系统保持了较好的转矩动态性能。

图12为容错模式运行下转速动态响应仿真图。由图12可知，在t＝1.000s时给定转速n^*由200rpm突增到400rpm，经过0.032s,即t＝1.032s时，电机转速n达到400rpm,并在给定转速左右，稳定运行。在t＝1.200s时给定转速n^*由400rpm突增到600rpm，经过0.034s,即t＝1.234s时，电机转速n达到600rpm并保持稳定运行，以上仿真结果表明容错模式下系统保持了较好的转速动态性能。

从以上所述可以得知，本发明提出的基于改进式SVPWM的永磁同步电机的开绕组容错直接转矩控制方法，在开关管开路故障下，能保持较好的稳态和动态性能，且直流母线电压利用率能够保持在正常情况下的75％，从而提高系统容错运行能力，提高系统的稳定性和鲁棒性。

应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。