一种计及多自由度的多相电机断相容错运行方法

1.本发明涉及多相电机控制技术领域，具体涉及一种计及多自由度的多相电机断相容错运行方法。


背景技术：

2.多相电机具有高可靠性，高功率密度，控制资源丰富以及可以通过分配功率到每一相从而实现低压大功率的特性，特别适用于可靠性要求苛刻的舰船，多电飞机，电动汽车等场合。三相电机在不增加额外硬件的条件下发生断相故障无法正常运行，而多相电机发生断相故障后可以通过重构相电流而保证电机平稳运行，因此多相电机一个显著优势是增加了电机系统的可靠性。
3.在多相电机发生故障后，可以采用降阶clarke解耦矩阵，然而计算相对复杂，无法推广到任意相数的多相电机。另一种容错策略采用直接重构故障后的给定相电流的策略。由于多相电机的谐波平面对转矩做出的贡献相对较小，通过在谐波平面注入电流来维持基波磁动势不变，进而可以保证电机故障后继续平稳运行。
4.在满足磁动势不变的约束下，系统仍是欠定状态，常规约束有三种：最大输出转矩约束，最小铜损约束，最小转矩脉动约束。然而上述三种约束仅仅针对某一个特定指标进行优化，没有从全局角度进行取舍。随着多相电机相数的增多，剩余自由度的也逐步增加，除了目前上述三种常规的思路外，仍然具有可进一步探索的空间，从而均衡满足各项指标。同时，故障后由于不对称性，电流同时包含正负序分量，此时，采用基于对称分量法正负序解耦双pi控制器可以有效跟踪给定的谐波平面电流，在保证动态性能的同时保证良好的跟踪特性。


技术实现要素：

5.针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种计及多自由度的多相电机断相容错运行方法，通过充分挖掘谐波平面剩余自由度来重构容错电流，并将参考电流与反馈电流的差作为正负序解耦的控制器的输入量，达到对容错电流的无静差跟踪目标，实现了综合指标最优的容错运行特性。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种计及多自由度多相电机断相容错运行方法，包括计及多自由度多平面多相电机断相容错电流计算方法与多平面容错电流控制方法；
8.所述的计及多自由度多平面多相电机断相容错电流计算方法，基于故障前后磁动势不变原则，三次谐波平面磁场轨迹保持圆形，解除剩余高次谐波平面约束；其中，三次谐波平面矢量的幅值待定，与剩余谐波平面的自由度联合进行最小化铜损优化求解，求得容错参考电流；
9.所述的多平面容错电流控制方法利用多相电机多平面对称分量法，分为基波平面控制与谐波平面控制，所述的基波平面仍保留正常运行控制策略，谐波平面通过坐标变换
映射在多组不同d
‑
q坐标系下进行控制。
10.进一步的，所述的多平面容错电流控制方法，具体为：
11.(1)利用多相电机矢量空间解耦方法将采集到的多相电机电流进行clarke变换，得到对应多个α
‑
β子空间中的电流矢量，包括谐波平面的电流矢量和基波平面的电流矢量；
12.(2)利用基于对称分量法的双向坐标变换，将谐波平面的电流矢量转换至正负序d
‑
q平面下，得到反馈电流谐波分量，基波平面的电流矢量不做处理；
13.(3)对于谐波平面电流，根据计及多自由度多平面多相电机断相容错电流计算方法得出的容错参考电流与步骤(2)对称分量法分解后的反馈电流谐波分量做差，做差结果经过pi控制器和反双向变换后得到各相pwm逆变器电压给定；对于基波平面电流，直接与容错参考电流做差，并经过pi控制器和反双向变换后得到pwm逆变器电压给定。
14.本发明的有益技术效果如下：
15.(1)本发明提出了一种充分利用多自由度特性的容错电流推导计算方式，三次谐波平面电流轨迹为圆形以降低转矩脉动，并将三次谐波平面矢量幅值与五次谐波平面的自由度来进行最小铜损约束，不同于现有策略，该谐波参考电流能均衡满足最大转矩输出，最小转矩脉动以及最小铜损等多项技术指标。
16.(2)本发明提出的不同平面不同的控制策略，电流控制器在不同d
‑
q平面结构不同，基波平面仍采用正序控制方法，谐波平面采用基于对称分量法的双向解耦控制策略，生成两组序列控制器，极大得抑制故障后不对称电流的跟踪误差的同时，简化了故障后容错算法。
17.(3)本发明以七相电机为例进行策略说明，但具有可推广性，悉本领域技术的人员可以容易地对此策略做出修改，并把在此说明的一般原理应用到其他相数的电机中而不必经过创造性的劳动。
附图说明
18.图1为本发明适用的电机系统框图(以七相电机为例)。
19.图2为本发明提出的多相电机容错运行控制框图。
20.图3为本发明基于对称分量双向解耦电流跟踪模块的结构框图(以七相电机为例)。
具体实施方式
21.为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
22.本发明提出的一种计及多自由度多相电机断相容错运行方法，包括了计及多自由度多平面多相电机断相容错电流计算方法与多平面容错电流控制方法；
23.所述的计及多自由度多平面多相电机断相容错电流计算方法，基于故障前后磁动势不变原则，三次谐波平面磁场轨迹保持圆形，解除剩余高次谐波平面约束；其中，三次谐波平面矢量的幅值待定，与剩余谐波平面的自由度联合进行最小化铜损优化求解，求得容错参考电流；
24.所述的多平面容错电流控制方法利用多相电机多平面对称分量法，分为基波平面
控制与谐波平面控制，所述的基波平面仍保留正常运行控制策略，谐波平面通过坐标变换映射在多组不同d
‑
q坐标系下进行控制。
25.以七相电机为例，如图1所示的是本发明涉及到的七相感应电机系统，包含直流母线电容(电压为v
dc
)，七组两电平电压源逆变器，空间分布角为θ＝2π/7的典型星形连接七相感应电机等。如图1所示，在不失一般性的前提下，本实施例假设开路故障发生在a相，将各项电流分别记为(i
a i
b i
c i
d i
e i
f i
g
)。
26.如图2示的是本发明多相电机断相容错运行的控制框图，其中v
dc
是母线电压，i
ph
为相电流，ω
r
为反馈角速度，为参考角速度，具体实施过程如下：
27.(1)利用七相电机矢量空间解耦方法将采集到的多相电机电流进行clarke变换，得到对应三个α
‑
β子空间中的电流矢量，包括谐波平面的电流矢量和基波平面的电流矢量。
28.上述具体的转换过程如下：
[0029][0030]
其中，(i
α1 i
β1 i
α3 i
β3 i
α5 i
β5 i0)为映射在基波平面和谐波平面的电流分量，(i
a i
b i
c i
d i
e i
f i
g
)为各相电流；
[0031]
(2)以步骤(1)获得的谐波平面的电流矢量，利用基于对称分量法的双向坐标变换将电流矢量转换至正负序d
‑
q平面下。
[0032]
其中，正序变换如下：
[0033][0034]
负序变换如下：
[0035][0036]
其中，t＝3,5；θ为基波电流矢量的位置角。为第t个谐波平面中的正序电流；为第t个谐波平面中的负序电流。
[0037]
通过上述变换，每个谐波d
‑
q平面将产生四个电流分量记为反馈电流谐波分量。
[0038]
(3)计算基于多自由度的容错策略给定电流，具体说明如下：
[0039]
本发明所提策略基于故障前后磁动势不变原则，即剩余的正常相电流必须在基波平面上产生一个不变的平滑旋转磁动势轨迹，即应满足下式：
[0040]
i
s1
＝i1×
e
jwt
[0041]
其中，i1是故障前基波平面电流幅值，i
s1
是剩余相电流在基波平面的矢量，即
[0042][0043]
α1＝e
j(2π/7)
[0044]
其中，e
j(2π/7)
＝cos(2π/7)+jsin(2π/7)；
[0045]
由于中性点没有中性线引出，需要添加一个等式来约束剩余电流之和为零，即
[0046]
i
b
+i
c
+i
d
+i
e
+i
f
+i
g
＝0
[0047]
此外，不同的策略利用其他不同的约束条件。本发明采用三次谐波平面磁场轨迹保持圆形，用于降低转矩脉动，利用五次平面的自由度对铜损做出优化，即
[0048]
i
s3
＝ki1×
e
jwt
[0049]
其中，i
s3
为三次谐波电流矢量，k为待定系数，w为电流矢量旋转角速度，t为时间。
[0050]
三次谐波平面矢量的幅值待定，与五次平面的自由度联合进行最小化铜损优化求解容错参考电流，目标函数表达如下：
[0051][0052]
其中，i
k
为剩余正常相电流的幅值。
[0053]
可求得新型容错参考电流如下：
[0054][0055]
(4)为了应用所提出的故障电流控制方案，需要定义新的谐波系数。
[0056]
基波d
‑
q平面的电流表示如下：
[0057]
i
d1_ref
＝cosθ0[0058]
i
q1_ref
＝
‑
sinθ0[0059]
其他平面的电流向量的一般表达式为：
[0060][0061][0062][0063][0064]
根据步骤(2)，(3)，可以得到谐波d
‑
q平面正负序参考容错电流如下所示：
[0065][0066][0067]
[0068][0069]
其中，i
d1_ref
、i
q1_ref
分别为基波平面电流参考值；为第t个谐波d
‑
q平面参考电流分量，t＝3,5。
[0070]
(5)根据步骤(4)得出的谐波d
‑
q平面参考电流分量与步骤(2)对称分量法分解后的反馈电流谐波分量做差，做差结果经过pi控制器并经过反双向变换；并且本发明基波平面电流不需进行对称分量法分解，直接做差并经过pi控制器，节约计算资源。最后根据各个平面的输出情况确定pwm逆变器电压给定。电流控制器如图3所示。其中(p3)和(p5)分别是三次与五次谐波平面正序pi控制器，(n3)和(n5)分别是三次与五次谐波平面负序pi控制器，(1)为基波平面电流pi控制器。
[0071]
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。