一种PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法

技术领域

本说明书涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法。

背景技术

在PMSM驱动系统诸多故障模式中，因匝间绝缘退化引起的定子绕组匝间短路故障是最常见的故障模式之一。匝间短路属于渐变性故障，但在未施加合适的容错控制时，故障回路的短路环流也会在短时间内升高，进而损坏电机，威胁系统和人员的安全。

在一般的电机驱动应用场合，在检测到定子匝间短路故障之后可以通过直接停机消除故障带来的不利影响。但是在安全性要求高的场合，电机驱动系统突然停机可能会引发严重事故，因此即使电机发生定子匝间短路故障，也必须保证电机可以输出转矩，至少也要维持到可以安全停机。目前PMSM定子匝间短路故障容错控制研究主要集中在多相电机以及具有复杂逆变器结构的三相电机驱动系统，其故障容错控制方法或容错运行方法并不适用于传统的三相PMSM驱动系统。另外，在安全性要求较高的场合，为了尽可能保证电机输出转矩，应该考虑匝间短路故障严重度对容错运行点的影响，以最大化维持电机故障后运行性能，降低系统事故风险。

因此，有必要提供一种适用于传统的三相PMSM驱动系统的短路故障状态下的容错运行方法。

发明内容

本说明书实施例提供一种PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法，以提供一种适用于传统的三相PMSM驱动系统的短路故障状态下的容错运行方法。

为解决上述技术问题，本说明书实施例是这样实现的：

本说明书实施例提供的一种PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法，包括：

在同步旋转坐标系中建立PMSM在匝间短路故障状态下的短路环流模型和电磁转矩模型；

基于所述短路环流模型和所述电磁转矩模型，以控制短路环流不超过预定允许值且在输出转矩不超过故障前水平下最大化输出转矩为约束条件，得到所述PMSM匝间短路故障后在dq电流平面上的若干类容错运行点；

基于匝间短路故障状态下的PMSM的电压信息、电流信息和转速信息，得到匝间短路故障时的短路匝数N

根据所述短路匝数N

优选的，所述短路环流模型的建立方法具体包括：

记所述PMSM在健康状态下相电阻为r

记所述PMSM在健康状态下a相自感为L

根据匝间短路环路电压方程：

其中，i

将公式(4)按短路环流i

借助电流空间向量表示为：

其中，I

其中，

电流空间向量在dq轴的表达为：

将式(9)带入式(7)和(8)，求得短路环流的有效值为：

其中，

由式(10)可知恒短路环流有效值在dq电流平面上的特性为圆，称为短路环流圆；

利用下述公式(12)求解所述短路环流圆的圆心坐标：

优选的，对于面装式PMSM，所述电磁转矩模型的建立方法具体包括：

利用下述公式(13)求解健康状态下所述PMSM在dq电流平面内的电磁转矩特性为平行与d轴的直线，

利用下述公式(14)求解匝间短路时的电磁转矩公式T

其中，n

将公式(9)带入到公式(8)和(14)，得到所述PMSM在故障状态下的平均电磁转矩

其中，

公式(15)为包含i

优选的，所述求解所述PMSM匝间短路故障后在dq电流平面上的若干类容错运行点，具体包括：

在健康状态和匝间短路故障状态下，电机运行点需在以最大相电流I

在dq电流平面，以短路环流允许值CC

匝间短路故障使PMSM输出转矩降低，分别在PMSM故障前运行在额定转矩和低于额定转矩两种情况下确定容错运行点。

优选的，在故障前PMSM运行在额定转矩情况下确定故障后容错运行点，此时故障前转矩水平不能维持，根据匝间短路故障严重度，存在三类容错运行点，具体包括：

分别求解代表了故障后由I

故障容错运行点P的确定方法具体包括：

P点为故障后电机在dq电流平面可输出的最大转矩运行点，为I

其中，k

联立公式(18)和公式(19)，解得P点的坐标为：

将P点坐标带入公式(10)和(15)，分别得到PMSM在P点产生的短路环流有效值CC

故障容错运行点Q的确定方法具体包括：

联立公式(10)和(18)，其中公式(10)中i

其中，

PMSM在Q点产生的短路环流有效值为CC

故障容错运行点T的确定方法具体包括：

经过点T和短路环流圆圆心(i

联立公式(10)和(23)，其中公式(10)中i

其中，

PMSM在T点产生的短路环流有效值为CC

优选的，在故障前PMSM运行在低于额定转矩情况下确定故障后容错运行点，此时故障前转矩水平可以维持，根据匝间短路故障严重度，存在两类容错运行点，具体包括：

故障后PMSM产生的平均电磁转矩可以与故障前相同，记为

故障容错运行点H的确定方法具体包括：

经过点H和短路环流圆圆心(i

解得H点的坐标为：

将H点坐标带入公式(10)，得到PMSM在H点产生的短路环流有效值CC

故障容错运行点R的确定方法具体包括：

联立公式(15)和公式(18)，其中公式(15)中

其中，

将R点坐标带入公式(10)，得到PMSM在R点产生的短路环流有效值CC

本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本发明提出的容错运行点确定方法适用于由三相逆变器驱动的三相PMSM电机系统，同时也可拓展适用于多相电机以及具有复杂逆变器结构的三相电机驱动系统。本发明确定的故障容错运行点，基于同步旋转坐标系下的短路环流的模型和故障状态下的电磁转矩模型，可以控制短路环流不超过预定极限值同时最大化输出转矩(不超过故障前转矩水平)，充分考虑了故障前电机不同的运行转矩水平和故障后匝间不同的绝缘退化水平的影响，提高了电机驱动系统的可靠性和安全性。

附图说明

图1为本说明书实施例提供的PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法的流程图；

图2为本说明书实施例提供的PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法中PMSM定子匝间短路故障等效电路图的示意图；

图3为本说明书实施例提供的PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法中同步旋转坐标系电流空间向量的示意图；

图4为本说明书实施例提供的PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法中dq电流平面内短路环流圆的示意图；

图5为本说明书实施例提供的PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法中PMSM转矩直线的示意图；

图6为本说明书实施例提供的PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法中PMSM在T

图7为本说明书实施例提供的PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法中PMSM在T

图8为本说明书实施例提供的PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法中PMSM在T

图9为本说明书实施例提供的PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法中PMSM在T

图10为本说明书实施例提供的PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法中PMSM在T

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如前文陈述，在永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)驱动系统诸多故障模式中，因匝间绝缘退化引起的定子绕组匝间短路故障是最常见的故障模式之一。匝间短路属于渐变性故障，但在未施加合适的容错控制时，故障回路的短路环流也会在短时间内升高，进而损坏电机，威胁系统和人员的安全。

在一般的电机驱动应用场合，在检测到定子匝间短路故障之后可以通过直接停机消除故障带来的不利影响。但是在安全性要求高的场合，电机驱动系统突然停机可能会引发严重事故，因此即使电机发生定子匝间短路故障，也必须保证电机可以输出转矩，至少也要维持到可以安全停机。目前PMSM定子匝间短路故障容错控制研究主要集中在多相电机以及具有复杂逆变器结构的三相电机驱动系统，其故障容错控制方法或容错运行方法并不适用于传统的三相PMSM驱动系统。另外，在安全性要求较高的场合，为了尽可能保证电机输出转矩，应该考虑匝间短路故障严重度对容错运行点的影响，以最大化维持电机故障后运行性能，降低系统事故风险。

本发明提供一种PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法，如图1所示，此方法包括：首先在同步旋转坐标系中建立PMSM在匝间短路故障状态下的短路环流模型和电磁转矩模型；基于所述短路环流模型和所述电磁转矩模型，以控制短路环流不超过预定允许值且在输出转矩不超过故障前水平下最大化输出转矩为约束条件，得到所述PMSM匝间短路故障后在dq电流平面上的若干类容错运行点。

在实际情况下，当监测到PMSM出现匝间短路故障后，基于匝间短路故障状态下的PMSM的电压信息、电流信息和转速信息，得到匝间短路故障状态下的PMSM的短路匝数N

根据所述短路匝数N

将所选取的故障容错运行点对应的d轴电流、q轴电流作为参考电流赋值于电流调节器，控制所述匝间短路故障状态下的PMSM运行在所述对应的故障容错运行点。

下面基于图2至图10对本发明技术方案进行具体说明，下面先对本发明技术方案中定子匝间短路故障下短路环流模型进行推导，如图2所示，图2为本说明书实施例提供的PMSM匝间短路故障状态下的容错运行方法中PMSM定子匝间短路故障等效电路图的示意图，记电机健康状态下相电阻为r

电机健康状态下a相自感为L

根据图2中匝间短路环路电压方程可以表示为：

其中，i

在理想电流调节器或者增加负序电流调节器的作用下，即使在匝间短路条件下，三相电流也可以认为是三相平衡电流，且可以借助电流空间向量表示为：

其中，I

其中，

根据图3所示，通过同步旋转坐标系变换，可以将电流空间向量在dq轴的表达为：

将公式(9)带入公式(7)和(8)，可以求得短路环流的有效值为：

其中，

因此，恒短路环流有效值在dq电流平面上的特性为圆。将这些圆的半径乘m，就可以在dq电流平面得到短路环流圆(Circulating current circle，CC circle)。短路环流圆拥有相同的圆心，其坐标为：

由r

以表1所示相关电机参数为例，短路环流圆及其圆心如图4所示。圆上的数字表示圆的半径，也代表当电机运行在圆上某点(i

表1联合仿真和试验样机参数

下面对定子匝间短路故障下电磁转矩模型的推导进行阐述，匝间短路故障后，通过调节dq电流平面内电机运行点(i

健康状态下PMSM在dq电流平面内的电磁转矩特性为平行与d轴的直线，计算公式为：

匝间短路时，现有技术中的文献指出此时的电磁转矩公式为：

其中，n

其中，

公式(15)为包含i

匝间短路故障状态下PMSM平均电磁转矩为斜率不为零的直线，根据公式(14)和公式(15)，可在dq电流平面内分别绘制PMSM在健康状态和匝间短路故障状态下的转矩直线(Torque lines)，以表1所示相关电机参数为例，短路匝数为15匝、短路电阻为r

下文对PMSM匝间短路故障后在dq电流平面上的容错运行方法进行阐述，电机在健康状态时通常以最大转矩电流比(MTPA)控制方式运行。而由图5可知，当电机运行在MTPA(q轴)上时，匝间短路故障后相同运行点上转矩会降低。

无论是在健康状态还是在匝间短路故障状态，电机运行点都应该在以最大相电流I

另外，在dq电流平面，以短路环流允许值确定了一个短路环流圆(称为CC

定子匝间短路故障容错运行点的确定一方面取决于故障严重度，同时也应参考故障前的转矩水平，因此，在故障前PMSM运行在额定转矩和低于额定转矩两种情况下确定容错运行点。

下文对故障前电机运行在额定转矩的情况下容错运行方法进行说明，在健康状态下，PMSM以MTPA方式运行在q轴最大电流I

故障容错运行点P的确定方法：匝间短路通常始于r

由于P为I

其中，k为转矩直线的斜率，参考式(17)，联立式(18)和(19)，即可解得P点的坐标为：

将P点坐标带入式(10)和(15)，即可分别得到CC

故障容错运行点Q的确定方法：CC

其中，

将Q点坐标带入式(15)，即可得到

运行点Q的容错性能可通过图7说明，其中电机参数参考表1。在相同电机运行条件、相同短路匝数下，当r

故障容错运行点T的确定方法：当r

CC

联立式(10)和(23)，其中式(10)中i

其中，

将T点坐标带入式(15)，即可得到和

运行点T的容错性能可通过图8说明，其中电机参数参考表1。在相同电机运行条件、相同短路匝数下，当r

在r

下文对故障前电机运行转矩低于额定转矩的情况下容错运行方法进行说明。

在健康状态下，PMSM以MTPA方式运行在q轴低于I

故障容错运行点H：在T

由于H为转矩直线

联立式(15)和(26)，其中式(15)中

其中，A

运行点H的容错性能可通过图9说明，其中电机参数参考表1。PMSM在健康状态时运行在A(0，23.75A)点，运行转矩为T

故障容错运行点R的确定方法：随着r

由于R点为转矩直线

其中，

将R点坐标带入式(10)，即可得到CC

运行点R的容错性能可通过图10说明，其中电机参数参考表1。在相同电机运行条件、相同短路匝数下，当r

电机在健康状态下运行转矩低于额定转矩时，在匝间短路故障初期，可以将电机运行在容错控制点H和R，以维持故障前转矩水平，同时最小化短路环流。随着绝缘进一步退化、r

电机在健康状态下运行转矩为额定转矩时，由于I

在实际情况下，当监测到PMSM出现匝间短路故障后，基于匝间短路故障状态下的PMSM的电压信息、电流信息和转速信息，得到匝间短路故障状态下的PMSM的短路匝数N

根据所述短路匝数N

将所选取的故障容错运行点对应的d轴电流、q轴电流做为参考电流赋值于电流调节器，控制所述匝间短路故障状态下的PMSM运行在所述对应的故障容错运行点。

本发明提出的容错运行点确定方法适用于由三相逆变器驱动的三相PMSM电机系统，同时也可拓展适用于多相电机以及具有复杂逆变器结构的三相电机驱动系统。本发明技术方案确定的故障容错运行点，基于同步旋转坐标系下的短路环流的模型和故障状态下的电磁转矩模型，可以控制短路环流不超过预定极限值同时最大化输出转矩(不超过故障前转矩水平)，从而充分考虑了故障前电机不同的运行转矩水平和故障后匝间不同的绝缘退化水平的影响，提高了电机驱动系统的可靠性和安全性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。