本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种永磁同步电机容错系统空间矢量控制方法。
背景技术：
两相永磁同步电机的定子一般采用二个绕组，两相绕组通常按照90电角度分开放置。两相永磁同步驱动通常使用相位互差90度的两相正弦波电压驱动，其驱动的方法比较简单并且有效降低驱动硬件成本。对于低成本应用领域，由于没有专门两相供电，所以一般使用单相电，通过在其中一相里串电容形成相位差，产生起动转矩，现在电冰箱、空调、洗衣机中较多使用的就是这种电机。
svpwm的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成pwm波形。
目前两相电机多采用四开关逆变器驱动技术、六开关逆变器驱动技术和八开关逆变器驱动技术等。较多采用的控制方法有矢量控制和直接转矩控制等。八开关逆变器拓扑结构在两相交流驱动技术中的输出功率最大，控制性能优异如图1所示。然而，在八开关逆变器两相永磁同步驱动中，逆变器的功率开关故障率较高。在使用较为频繁的场合，系统会经常出现功率开关短路或断路故障，制约了两相电机的推广。因此，有必要提出一种容错技术来解决这个难题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种永磁同步电机容错系统空间矢量控制方法，可以有效增强两相永磁同步电机控制系统的可靠性和安全性。
本发明采用以下技术方案：
一种永磁同步电机容错系统空间矢量控制方法，根据电机给定参考转速ω*得到转速偏差eω并经转速调节器生成参考交轴电流信号
具体的，参考交轴电流信号
其中，kp为比例常值系数，ki为积分常值系数，eω＝ω*-ω，ω为电机转速。
具体的，参考直轴电压
其中，kpd,kpq为比例常值系数，kid,kiq为积分常值系数。
具体的，利用参考直流电压
其中，θ为转子位置信号。
具体的，利用相电流iα,iβ计算得到逆变器故障信号fl，两相静止坐标系下的相电流iα,iβ计算如下：
其中，ia,ib为电流传感器检测的电枢绕组a和电枢绕组b的相电流。
具体的，逆变器故障信号fl定义如下：
进一步的，当fl＝0，系统工作在八开关逆变器svm工作模式，七段式pwm开关波形为：v0-vc1-vc2-v9-vc2-vc1-v0；参考电压vr和空间电压矢量vc1,vc2、零电压矢量v0(v9)的作用时间tc1,tc2,t0分别计算如下：
其中，参考电压
进一步的，当fl＝0，在任何时刻，svm容错控制模块得到驱动逆变器功率开关管工作的空间电压矢量vi，系统按照八开关逆变器svm工作模式正常工作，空间电压矢量vi为：
vi＝(sa,sx,sb,sy)
其中，i＝0,1,2,3,4,5,6,7,8,9，sa,sx,sb,sy分别代表着连接到逆变器开关桥臂la，lx，lb，ly上开关管的开关状态信号。
进一步的，当fl＞0，系统工作在六开关逆变器svm工作模式，七段式pwm开关波形为：v0’-vc1-vc2-v7’-vc2-vc1-v0’；参考电压vr和空间电压矢量vc1,vc2、零电压矢量v0'(v7')的作用时间t1,t2,t0分别计算如下：
其中，φ为参考电压矢量vr与相邻的电压矢量vc1之间的夹角，t为一个系统采样时间，||代表矢量的幅值。
进一步的，当fl＞0，四个逆变器开关桥臂la，lx，lb，ly中的一个桥臂因发生故障退出运行，svm容错控制模块按照之前的控制逻辑得到剩下的三个顺序桥臂开关管(sr1，sr2，sr3)工作的空间电压矢量vi如下：
其中，i＝0,1,2,3,4,5,6,7。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明公开了一种两相永磁同步电机容错系统空间矢量调制方法，利用参考两相电流与经过坐标转换后的电机两相检测电流经过svm容错控制模块生成控制用的空间电压矢量，再经过pwm生成模块就可以获取两相永磁同步电机容错逆变器的各个桥臂的开关触发信号，从而实现基于空间矢量调制控制的两相永磁同步电机容错控制，可以迅速实现系统中常规八开关逆变器切换为六开关逆变器的硬件重构方式，该方法简单有效，可以保证了系统在单相桥臂故障时保证系统的可持续工作能力。
进一步的，系统采用的矢量控制技术用空间矢量的控制方法，空间电压矢量调制技术(svpwm)是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。svpwm与传统的正弦pwm不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。svpwm技术与spwm相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。因此，利用该技术在两相永磁同步电机应用可以进一步优化系统控制性能。
进一步的，通过检测电机定子绕组的电流很容易判断出该相绕组可能发生的故障，比如电流超过系统设定的阀值，该相绕组可能短路故障；如果该相电流在一定的时间内为零值，该相绕组可能发生断路的故障。具体的故障诊断方法在很多文献中都可以容易查到。
综上所述，本发明的容错系统及其控制技术具有很强的实用性和通用性，它们也可以适用于多种不同类型的两相电机，如两相永磁同步电机、两相无刷直流电机、两相开关磁阻电机和两相步进电机等。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明两相永磁同步电机四相容错逆变器结构图；
图2为本发明两相永磁同步电机容错系统在健康模式下的空间电压矢量分布图；
图3为本发明两相永磁同步电机容错系统在故障模式下的空间电压矢量分布图；
图4为本发明两相永磁同步电机容错控制系统结构图；
图5为本发明两相永磁同步电机容错控制方法流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种两相永磁同步电机容错系统，如图1所示。包括四个逆变器桥臂、四个快速熔断保险丝以及两个双向晶闸管；四个逆变器桥臂并联后与公共直流电源相接；一个双向晶闸管的两端分别连接电枢绕组a和电枢绕组b的一个端口，另一个双向晶闸管的两端分别连接电枢绕组a和电枢绕组b的另一个端口，且电枢绕组a的两个端口分别通过快速熔断保险丝与两个逆变器桥臂中点相连，电枢绕组b的两个端口分别通过快速熔断保险丝与另外两个逆变器桥臂中点相连。当系统逆变器的任意一个桥臂发生故障的时候，利用提出的容错控制方法可以迅速实现系统中常规八开关逆变器切换为六开关逆变器的硬件重构方式，该方法简单有效，可以保证了系统在单相桥臂故障时保证系统的可持续工作能力。
请参阅图1，两相永磁同步电机容错系统包括逆变器桥臂la，逆变器桥臂lb，逆变器桥臂lx和逆变器桥臂ly，它们分别通过快速熔断保险丝fa，快速熔断保险丝fb，快速熔断保险丝fx和快速熔断保险丝fy连接到电枢绕组a和电枢绕组b的四个绕组终端，保证在任意一个桥臂发生故障后，由于故障导致该相绕组电流急剧增大，当超过所连接的保险丝额定电流值的时候，保险丝熔断。该故障桥臂将自动从控制系统中移除，保证了系统快速去除系统中故障源，为后面的容错控制的有效执行奠定基础。
逆变器桥臂la，逆变器桥臂lb，逆变器桥臂lx和逆变器桥臂ly的中点a，b，x，y分别连接到电枢绕组a和电枢绕组b的四个终端上；每个逆变器桥臂均由两个功率开关管串联而成，连接点为桥臂中点，串联后的功率开关两边分别连接点直流电源的正负极；
在电枢绕组a和电枢绕组b的四个终端上，与快速熔断保险丝fa，快速熔断保险丝fb连接的两个绕组终端中间连接有双向晶闸管tr1，与快速熔断保险丝fx，快速熔断保险丝fy连接的两个绕组终端中间连接有双向晶闸管tr2，双向晶闸管具有触发极使能后，通过该管的电流可以具有双向性，即正电流和负电流都可以顺利通过。采用双向晶闸管后，通过容错策略控制触发极的使能，这样可以使本发明的容错逆变器实现快速的结构重构，实现容错运行的基本功能。
逆变器桥臂la由功率开关管s1和功率开关管s2组成；逆变器桥臂lb由功率开关管s3和功率开关管s4组成；逆变器桥臂lx由功率开关管s7和功率开关管s8组成；第四逆变器桥臂ly由功率开关管s5和功率开关管s6组成，且功率开关管s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7，s8均采用igbt或mosfet功率器件。
在容错逆变器任意桥臂中，串联后的两个功率开关两边分别连接直流电源的正负极，这样做可以通过两个功率开关不同的导通状态，将直流电压的信号通过桥臂中点输出方波电压信号，该方波电压信号可以有效控制电机所连接的绕组电压。即通过两个功率开关这样的连接方式，再利用两个功率开关不同的导通状态，可以实现所连接的电枢绕组的频率和相位可调的交流电压。
电枢绕组a和电枢绕组b的两个端口处设置有两个电流传感器，它们分别与控制器相连；同时，控制器分别与双向晶闸管tr1，双向晶闸管tr2的控制极以及逆变器桥臂la，逆变器桥臂lb，逆变器桥臂lx和逆变器桥臂ly的八个功率开关的触发极相连，电流传感器可以反馈电机的绕组电流，并通过控制器实现闭环负反馈的控制方式，这样，可以有效的保证电机时刻处于有效的控制方式下并到达预期的控制指标。
如图2和表1所示，容错系统在健康工作条件下8个功率开关管s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7，s8的导通状态可以通过不同的开关状态组合，得到10个空间电压矢量vi，其中两个为零电压矢量v0和v9，剩余的8个为非零电压矢量。矢量在电压空间分布情况如图2所示。
表1正常逆变器输出的空间电压矢量
表1中，vi代表空间电压矢量，i＝0,1,2,3,4,5,6,7,8,9。空间电压矢量二进制表达形式为(sasxsbsy)，其中开关状态信号sa、sx、sb和sy分别代表四个逆变器桥臂la、lb、lx、ly上的第一、七、三、五功率开关管s1，s7，s3和s5的触发信号。它们与同一桥臂上的第二、八、四、六功率开关管s2，s8，s4和s6的出发信号是对称的。va和vb分别代表第一、二电枢绕组a，b的相电压。vs代表输出的电压矢量幅值，vdc代表系统直流母线电压幅值。
如图3和表2所示，容错系统在任意一相桥臂故障状态下，其逆变器将重构为六开关逆变器拓扑。通过不同的开关状态组合，逆变器输出空间电压矢量vi’有8个，其中2个为零电压矢量v0’和v7’，剩余的6个为非零电压矢量。在桥臂故障模式下的空间电压矢量空间分布如图3所示。
表2桥臂故障后重构逆变器输出的空间电压矢量
表2中，vj’代表空间电压矢量，j＝0,1,2,3,4,5,6,7。空间电压矢量二进制表达形式为(sr1sr2sr3)，其中开关状态信号sr1、sr2和sr3分别代表四个逆变器桥臂la、lb、lx、ly在其中一个桥臂故障后顺序剩下的三个桥臂上管的触发信号。
根据以上内容，本发明系统工作原理为：
当本发明容错系统处于正常工作状态时，本发明容错系统按照普通的八开关两相全桥逆变器工作方式运行；由于控制器与两个电流传感器相连，这四个电流传感器分别检测两个电枢绕组的四个端口的电流，控制器也同时与两个双向晶闸管触发极和逆变器八个功率开关管的控制极相连；当某一个桥臂发生故障，比如短路故障，与该桥臂相连的保险丝由于电流过大而熔断。
同时，电流传感器会检查到与该故障桥臂相连的电枢绕组的端口处的异常电流，并传给控制器，控制器将根据该信号作出故障原因故障判断后停止故障桥臂两个功率开关管的控制极信号，同时给故障桥臂相连的双向晶闸管控制极发出导通信号。
这样，故障桥臂停止工作并与相连的电枢绕组端口断开连接，同时该电枢绕组端口通过双向晶闸管连接到相邻桥臂的中点上，容错系统拓扑结构将会发生拓扑重构，系统利用剩下的正常开关桥臂构成新的逆变器拓扑结构继续驱动电机持续工作。
本发明两相永磁同步电机容错系统结构简单，使用方便，该拓扑结构仅在传统的八开关逆变器基础上增加了4个熔断丝和两个双向晶闸管，可以通过检测电枢绕组电流确定逆变器故障原因，根据容错策略控制双向晶闸管进行拓扑重构，从而有效的实现在逆变器发生开关故障的情况下实现系统的可持续运行。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，本发明一种两相永磁同步电机容错系统的空间矢量调制方法，包括一个转速调节器、二个电流调节器、一个park坐标转换单元、一个ipark坐标转换单元、一个svm容错控制单元、一个pwm生成单元、一个故障诊断模块、一个两相永磁同步电机和一个四桥臂容错逆变器。
两相永磁同步电机容错系统中电机的转子位置检测传感器信号可以计算得到电机转速ω和转子位置信号θ，两相永磁同步电机的给定参考转速ω*和计算转速ω通过数学运算得到转速偏差eω经转速调节器生成参考交轴电流信号
其中，利用检测的电机定子电流ia,ib可以通过故障诊断单元计算和判断得到系统逆变器的故障原因。同时，利用ia,ib通过park坐标变换可以得到两相旋转坐标系下的电流id,iq。
请参阅图3，两相永磁同步电机容错系统空间矢量调制方法的具体步骤如下：
s1、速度误差eω经转速pi调节器调节后生成参考转矩信号
速度误差eω计算如下：
eω＝ω*-ω
参考转矩信号
其中，kp为比例常值系数，ki为积分常值系数；
s2、将给定的参考直流电流信号
其中，kpd,kpq为比例常值系数，kid,kiq为积分常值系数；
s3、利用参考直轴电压
s4、利用电流传感器检测电枢绕组a和电枢绕组b的相电流ia,ib，计算两相静止坐标系下的相电流iα,iβ；
s5、利用相电流iα,iβ可以分析计算得到逆变器故障信号fl，该信号代表不同逆变器故障情况，定义如下：
s6、利用逆变器故障信号fl、参考直轴电压
当fl＝0，系统工作在八开关逆变器svm工作模式；
如图2所示，在电压矢量平面内，八个非零电压矢量v1(1000),v2(1010),v3(0010),v4(0110),v5(0100),v6(0101),v7(0001),v8(1001)和两个零电压矢量v0(0000),v9(1111)将平面分为八个扇区(i,ii,iii,iv,v,vi,vii,viii)，每个扇区占45度电角度，在一个系统采样时间t内，参考电压vr任何一个扇区内都可以由两个相邻的空间电压矢量vc1,vc2和零电压矢量v0(v9)等效合成。
参考电压vr和空间电压矢量vc1,vc2、零电压矢量v0(v9)的作用时间tc1,tc2,t0分别计算如下：
其中，参考电压
计算得到电压矢量作用时间tc1,tc2,t0后，根据在一个周期内最少开关次数的原则按照以下矢量顺序合成生成的七段式pwm开关波形为：v0-vc1-vc2-v9-vc2-vc1-v0。
当fl＞0，系统工作在六开关逆变器svm工作模式；
如图3所示，在电压矢量平面内，六个非零电压矢量v1’,v2’,v3’,v4’,v5’,v6’和两个零电压矢量v0’(000),v7’(111)将平面分为六个扇区(i,ii,iii,iv,v,vi)，除了扇区iii和扇区vi占90度电角度以外，其余四个扇区各占45度电角度，在一个系统采样时间t内，参考电压vr任何一个扇区内都可以由两个相邻的空间电压矢量vc1,vc2和零电压矢量v0'(v7')等效合成。
参考电压vr和空间电压矢量vc1,vc2、零电压矢量v0'(v7')的作用时间t1,t2,t0分别计算如下：
其中，参考电压vr也可以表示为
计算得到电压矢量作用时间tc1,tc2,t0后，根据在一个周期内最少开关次数的原则按照以下矢量顺序合成生成的七段式pwm开关波形为：v0’-vc1-vc2-v7’-vc2-vc1-v0’。
根据以上原则计算得到电压矢量作用时间tc1,tc2,t0后，经过斩波后可以得到控制逆变器的空间电压矢量为vi。
s7、利用逆变器故障信号fl、计算的空间电压矢量为vi送入pwm生成模块进行处理，具体处理步骤有：
当fl＝0，在任何时刻，svm容错控制模块按照以上逻辑得到驱动逆变器功率开关管工作的空间电压矢量vi，则系统按照八开关逆变器svm工作模式正常工作。
空间电压矢量vi为：
vi＝(sa,sx,sb,sy)
其中，i＝0,1,2,3,4,5,6,7,8,9，sa,sx,sb,sy分别代表着连接到逆变器开关桥臂la，lx，lb，ly上开关管的开关状态信号。
当fl＞0，四个逆变器开关桥臂la，lx，lb，ly中的一个桥臂因发生故障退出运行，svm容错控制模块按照之前的控制逻辑得到剩下的三个顺序桥臂开关管(sr1，sr2，sr3)工作的空间电压矢量vi为：
其中，i＝0,1,2,3,4,5,6,7。
根据以上步骤可以生成开关状态信号，它可以有效驱动电机保证逆变器在不同故障情况下系统的可持续工作能力。
本发明继承了两相永磁同步电机容错系统及其空间矢量调制方法具有的结构简单、鲁棒性强等优点，该方法可以有效提高系统控制精度、加快响应速度，降低了传统电机系统容错控制的复杂度，实现了对两相电机高精准、快响应控制，适用于各种两相电机系统。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。