一种三相永磁同步电机驱动系统开路故障容错控制方法

技术领域

本发明属于同步电机容错控制技术领域，具体为一种三相永磁同步电机驱动系统开路故障容错控制方法。

背景技术

缺相故障和开关管开路故障是电机中常见的电气故障，当电机发生缺相故障和开关管开路故障后，电机并不会立即停机，但是电机会产生一系列的电机故障特征，例如转矩脉动、电机过热等，如果不进行故障后处理甚至会导致二次故障，最终导致电机驱动系统崩溃。

为了提高电机容错控制性能，一些辅助电路设施被用于三相电机驱动系统中，通过改变电机驱动系统的拓扑结构使得电流流通路径增加来提高容错控制性能。同时，开绕组设施也被广泛使用，这使得电机的每相电流都能被独立控制，极大的增强了三相电机的容错控制性能。

为了减小转矩和磁链控制误差，现有研究通过分析电机故障后特征，建立了缺相故障后电机数学模型，并且提出了一种预测控制方法去控制故障后电机，这极大的提高了电机容错控制性能，减小了电机转矩输出和磁链控制误差。

然而，现有技术仍然存在不足之处，第一，这些辅助电路设施和开绕组设施仍有可能发生故障并且增加了系统成本和复杂度，不利于方法的推广和使用；第二，目前的研究主要集中于缺相故障和开关管开路故障的某一种故障容错控制方法研究，并且这些方法并没有考虑到电机故障后铜损的因素，可能在使用上述容错控制方法会增大电机铜损，降低故障下电机运行效率。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种三相永磁同步电机驱动系统开路故障容错控制方法，通过重构故障后电机驱动系统的参考电流来完成对缺相故障和开关管开路故障的容错控制。在缺相故障下，通过电机转矩指令和电机转矩公式确定缺相故障下的参考电流，再对一个电流基波周期的电机平均铜损进行求解，进而求解出新的考虑电流换向、电机铜损的参考电流，通过这种容错控制方法可以减小电机转矩脉动和电流跟踪误差，以及将电机平均铜损限制在目标值以下。对于开关管开路故障，在缺相故障的容错控制基础上，在正常运行时，电流参考值不变，在故障运行时，电机容错控制运行的电流参考值与缺相故障容错控制运行时的电流参考值相同。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种三相永磁同步电机驱动系统开路故障容错控制方法，包括：

三相永磁同步电机驱动系统开路故障指的是缺相故障和开关管开路故障，基于缺相故障运行时dq轴电流表达式、表贴式永磁同步电机的转矩公式、电流抑制要求和电机转矩指令

考虑电流换向不能瞬间完成，通过计算最小电流换向所需时间来计算出电流换向所需角度，得到满足电流换向的电流参考值，代入相电流参考值中，得到新的缺相故障容错运行情况下考虑电流换向的相电流参考值；

通过计算平均铜损功率和机械功率，得到铜损因子的表达式，铜损因子与平均铜损正相关，再利用转矩公式和铜损公式即可得到考虑铜损的相电流参考值，通过改变铜损因子改变相电流参考值进而改变平均铜损，将其与转矩指令

通过结合电流换向角，可得到考虑电流换向的铜损因子的表达式，将此表达式作为考虑铜损大小的缺相故障容错运行情况下的相电流参考值的初始值，那么该相电流参考值即成为考虑电流换向、铜损大小的缺相故障容错运行情况下的相电流参考值的初始值；

考虑到电机的铜损最大上限，因此引入一个PI控制器来计算最优铜损因子，该铜损因子的最大值即为考虑电流换向的铜损因子，当平均铜损超过其上限值，铜损因子将会减小以降低平均铜损，直至等于平均铜损上限，此时铜损因子即为最优铜损因子，将其带入到考虑电流换向、铜损大小的缺相故障容错运行情况下的相电流参考值中，即可得到最优的考虑电流换向、铜损大小的缺相故障容错运行情况下的相电流参考值；

对于开关管开路故障，基于缺相故障容错运行时的相电流参考值，对开关管开路故障实施两模容错控制方法来实现容错控制。

进一步地，基于缺相故障运行时所述dq轴电流表达式、表贴式永磁同步电机的转矩公式具体为：

进一步地，基于缺相故障运行时dq轴电流表达式、表贴式永磁同步电机的转矩公式、电流抑制要求和电机转矩指令

进一步地，所述电流换向最小所需时间具体为：

进一步地，所述电流换向角具体为：θ

进一步地，所述的考虑电流换向的相电流参考值具体为：

其中

进一步地，通过平均铜损功率和机械功率，得到铜损因子的表达式，具体为：

进一步地，所述的考虑铜损、电流换向的缺相故障容错运行情况下的相电流参考值，具体为：

进一步地，所述的缺相故障容错运行下的平均铜损具体为：

进一步地，所述的铜损因子初始值具体为：

在缺相故障容错控制运行时，引入一个PI控制器来计算最优铜损因子，该铜损因子的最大值即为考虑电流换向的铜损因子，当平均铜损超过其上限值，铜损因子将会减小以降低平均铜损，直至等于平均铜损上限，此时铜损因子即为最优铜损因子；

所述的开关管开路故障两模容错控制方法；假设发生了A相上管故障，在正常运行模态，电流参考值不变，在故障运行模态，电流参考值与缺相故障容错电流参考值相等，具体为：

对于开关管故障而言：在容错运行时，平均铜损不会超过其阈值，因此最优铜损因子等于铜损因子初始值。

本发明原理在于：一方面，提供了一种三相永磁同步电机驱动系统开路故障容错控制方法，包括：

缺相故障后dq轴电流表达式：

缺相故障后电机转矩表达式：

通过电机转矩指令获得故障容错运行的相电流参考值：

考虑电流换向最小时间：

考虑电流换向最小角度：θ

考虑电流换向的相电流参考值：

电机平均铜损功率和机械功率：

电机铜损因子：

只考虑铜损的相电流参考值：

考虑铜损、电流换向的缺相故障容错运行情况下的相电流参考值：

缺相故障容错运行下的平均铜损：

铜损因子初始值：

最优铜损因子求解：铜损因子初始值作为铜损因子的最大值，当求解出的平均铜损小于规定值，则最优铜损因子等于铜损因子初始值；当求解出的平均铜损大于规定值，铜损因子应当被减小。为了求解最优铜损因子：引入一个PI控制器对最优铜损因子进行求解，其输出最大值为铜损因子初始值。当平均铜损小于规定值，则PI控制器输出铜损因子初始值作为最优值，当求解出的平均铜损大于规定值，PI控制器输出铜损因子逐渐减小，直至平均铜损等于规定值。

开关管开路故障两模容错控制：

本发明具有以下有益效果：

提出的电流参考值重构的三相永磁同步电机驱动系统开路故障容错控制方法，仅通过更改电机驱动系统的电流参考值即可完成容错控制，在正常运行情况下的电机驱动控制系统的控制框架仍能用于故障容错运行。提出的故障容错控制方法没有使用任何辅助电路设施，降低了经济成本。提出的故障容错控制方法可以减小由于电流换向不能立即完成所带来的电流跟踪误差；通过引入铜损因子可以约束电机故障容错运行时的铜损，可以使得电机故障容错运行不会超过所设定的最大铜损上限。通过引入PI控制器实时优化电机容错控制时的参考电流提高了电机容错运行的稳定性。采用所优化后的故障容错参考电流，可以满足电流换向的要求，使得电流跟踪误差减小，消除负转矩，同时使得电机的铜损和电机输出转矩达到一个良好的平衡。

附图说明

图1是所采用的三相电机驱动控制系统示意图。

图2是本发明一种永磁同步电机驱动系统开路故障容错控制方法流程图。

图3是基于转矩指令

图4是缺相故障容错运行时使用考虑电流换向的相电流参考值图。

图5是缺相故障容错运行时使用不同铜损因子的相电流参考值的容错性能图。

图6是开关管开路故障运行时两模容错控制方法的容错性能图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本实施例涉及一种三相永磁同步电机驱动系统，包括：电流指令发生单元、参考电压生成单元、信号产生单元、功率驱动单元、电流检测变换单元、位置速度检测单元，其中：电流指令发生单元根据转矩指令

如图2所示，为本实施例基于上述系统的三相永磁同步电机驱动系统开路故障容错控制方法，具体包括：

S1：假设在A相发生了缺相故障，在故障容错运行下，基于转矩指令

如图3所示，基于转矩指令

S2：基于转矩指令

如图4所示：与基于转矩指令

S3：通过引入铜损和机械功率：

如图5所示：通过改变铜损因子，电机故障容错运行时的相电流参考值被改变，与此同时，通过改变铜损因子电流换向也能够被完成。通过改变铜损因子，电机的平均铜损能够改变，当铜损因子越小时，电机的平均铜损也就越小。

S4：通过计算一个电流基波周期的平均铜损：

再引入一个PI控制器求解最优的铜损因子。将电机铜损的上限作为PI控制器的参考值，并且将能满足电流换向的铜损因子初始值：/>

S5：将得到的最优铜损因子带入到

S6：将得到缺相故障下运行的最优容错控制相电流参考值经过坐标变换即可得到缺相故障下运行的最优容错控制dq轴电流参考值，将最优容错控制dq轴电流参考值代入控制系统中即可完成容错控制运行。

对于开关管开路故障，采取两模容错控制方法：

如图6所示，开关管开路故障的电流参考值仅在故障运行时被改变，通过这种容错控制方法，剩余的健康开关管被充分的利用去控制电机。

在上述步骤中，电机故障容错运行时的转矩脉动、电流跟踪精度以及电机铜损因素均在所提出的故障容错控制被考虑，提出的三相永磁同步电机驱动系统的开路故障容错控制方法能够有效的减小故障容错运行时的电机转矩脉动、电流跟踪精度误差以及电机平均铜损，提高了系统的安全性以及可靠性。