基于不对称双三相永磁同步电机统一模型的容错控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机控制领域，涉及一种基于不对称双三相永磁同步电机统一模型的 容错控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子技术和控制理论的发展，多相电机变频调速系统的优势得到充分发 挥。与传统三相电机系统相比，多相电机变频调速系统可以采用低压器件实现大功率驱动， 在减小转矩脉动的同时具有较好的容错性。其突出特点能很好满足大功率电力传动系统， 如电动汽车、航天和核电站冷却系统等方面的特殊要求。双三相永磁同步电机是多相电机 系统中的一个重要分支，结合了多相和永磁电机的优点，是目前多相电机领域的研究热点。
[0003] 对于逆变器供电的多相电机调速系统，其常见的故障是由功率器件或电机定子绕 组断路造成多相系统的不对称运行，从而导致输出转矩出现波动。国内外学者对此进行了 大量研究，基于总磁势不变的控制策略，通过重新分配缺相后各相电流的幅值与相位得 到和缺相前相同的旋转磁场，维持电机正常运行，但该策略的电流控制采用滞环比较的方 式，电流滞环控制的固有缺点使之很难应用于大功率场合；杨金波、刘剑等学者采用矢量 空间解耦的建模方法，根据故障状态下四种不同的中线连接方式建立了不对称双三相永磁 同步电机的数学模型，并以此推导出四种情况下的控制策略，但仅分析了一相及两相故障 情况，对于其它情况还需重新分析，不具有通用性。在各相电流能够独立控制的情况下， R. Alcharea等基于空间矢量解耦建立了不对称双三相感应电机的统一数学模型，并以此提 出了相应的矢量控制策略，但是以上分析基于双三相感应电机，并未对双三相永磁同步电 机进行详细分析。因此，在双三相永磁电机容错研究中，十分有必要建立d、q坐标系下双三 相永磁同步电机各种缺相情况下的统一模型，引入2次旋转变换解决d-q子平面中电压方 程不解耦问题。并以此推导出相应的矢量控制方法，减少电磁转矩脉动，实现不对称双三相 永磁同步电机的解耦控制。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有双三相永磁同步电机（DTP-PMSM)容错控制方法不具 有通用性，提供一种基于不对称双三相永磁同步电机统一模型的容错控制方法。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于不对称双三相永磁同步电 机统一模型的容错控制方法，针对双三相永磁同步电机各种缺相情况下的不对称性，所述 不对称双三相永磁同步电机由两套常规的三相绕组ABC和DEF组成，每套绕组均为Y型连 接，相应的内部绕组在空间上互差120°，两套三相绕组对应相之间的夹角为30°，两套Y 形绕组的中性点相连且连接到母线电压的中点电位上，各相电流相互独立；该方法包括以 下步骤：
[0006] (1)在d、q子平面建立不对称双三相永磁同步电机统一模型，统一模型如下式所 示： CN 105119546 A 说明书 2/11 页
[0007]
[0008] 式中1^、11(]、;[(1、;[(]分别为(1轴电压、9轴电压、(1电流分量、9电流分量 ；1?；3、1^分别 为定子电阻、互感；Φ f为电机永磁体磁链幅值；Θ s为电机转子位置信号；ω为电机转速； I α I |、I I β I I分别为矢量[α]、[β]的范数；ρ为微分算子d/dt;
[0009] 其中矢量[α ]、[ β ]根据如下原则确定：
[0010] 根据断相情况去掉[α 1]、[β 1]向量中的对应项并选择％使得[α ] [β ]τ= 〇， 得到[α]、[β]。
[0011]
[0012] 式中将（i = A, 'F)表示定子电流相位角；
[0013] (2)基于以上统一模型提出以定子铜耗最小或定子电流幅值最小为目标的控制方 法，包括以下步骤：
[0014] (2. 1)当F相缺相时，利用电流传感器采集定子侧AB⑶E相绕组电流isABeDE，利用单 相电压传感器采集直流母线电压信号V d。；
[0015] (2. 2)利用增量型光电编码器采集转子转动脉冲信号，并经过DSP的QEP模块处 理，计算得到电机的转子位置信号Gs和电机转速ω ^
[0016] (2. 3)定子电流isABmE经过静止坐标变换，得到α -β子平面定子电流i sjP i sP， zl-z2-z3子平面定子电流iszl、isz2和i sz3，如式（3)所示；
[0017]
[0018] 式中静止坐标变换阵[TJ如下所示： CN 105119546 A 3/11 贝
[0019]
[0020] (2. 4)通过旋转变换[T2s2J，将α -β子平面定子电流isa和i s{!变换到同步坐标 系下的d、q轴电流isd和i sq，其计算公式如式（5)所示；
[0021]
[0022] 式中，9s为电机的转子位置信号；
[0023] (2. 5)设定电机转速给定值4，电机转速给定值4与步骤2. 2得到的电机转速 作减法运算，得到转速误差信号△ ω y即，将转速误差信号△ CoiJt入转 速PI调节器进行调节，得到参考电流信号
[0024] (2. 6)将d轴电流给定值匕设为0,即ζ广0 ;将&与步骤4得到的d轴电流 isd作减法运算，得到d轴电流误差彳目号Δ i sd，即Afirf=L 将步骤5得到的q轴参考 电流信号与步骤4得到的q轴电流isq作减法运算，得到q轴电流误差信号Δ i sq，即
[0025] (2. 7)将电流误差信号Δ isd和Δ i sq分别送入电流PI控制器进行调节，得到参考 电压信号 <和<;
[0026] (2. 8)将参考电压和<送入二次旋转变换M( Θ s)，得到参考电压信号％和^
[0027]
[0028] (2. 9)根据不同的控制目标对zl-z2_z3子平面的iszl、isz2、isz3进行调节，得到 Zl-z2-z3子平面电压参考信号142和;
[0029] (2. 10)将步骤2.8得到的同步坐标系下的d、q轴参考电压·^和f作反同步坐标 变换，得到两相静止坐标系下的电压参考信号?ζ;:和$，即：
[0030]
[0031] (2. 11)将步骤2. 10和步骤2.9分别得到的电压参考信号<"、%、V^、 和送入到静止坐标反变换[TJ \即可产生所需要的脉冲信号SABe和Sdef，将脉冲信号进 行处理，用于驱动双三相永磁同步电机的功率开关器件；开关器件可以是IGBT，但不限于 此；
[0032] (12)针对其它缺相情况，均可按照步骤2. 1-2. 11实现不对称双三相永磁同步电 机的容错控制。
[0033] 进一步地，所述步骤2. 9包括以下子步骤：
[0034] (2. 9. 1)若以定子铜耗最小为控制目标，将z 1-ζ2-ζ3子空间的电流给定设为零， 即L:= i sz/= i m/= 0 ;若以定子电流幅值最小为控制目标，zl-z2-z3子空间必有电流 注入，基于总磁势不变原理计算出各相电流的表达式，再将各相电流表达式乘以静止坐标 变换矩阵[TJ得到相应的zl-z2- Z3子空间的参考电流iszl' isz/和i sz3%
[0035] (2. 9. 2)将步骤 2. 9. 1 得到的 iszl' isz/和 i sz/与步骤 2. 4 得到的 i szl、isz2 和isz；3分别进行减法运算，得到zl_z2_z3轴电流误差彳目号Δ i szl、Δ isz2和Δ i sz3，即
[0036] (2· 9· 3)将步骤2· 9· 2所获得的电流误差信号Δ iszl、Δ isz2和Δ i sz3分别送入PI 调节器进行调节，得到zl-z2-z3子平面电压参考信号、V；；2和。
[0037] 本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明在d-q子平面提出了双三相永 磁同步电机各种缺相情况下的统一模型，在此基础上引入2次旋转变换，实现d-q子平面电 压方程的解耦。基于统一模型提出以定子铜耗最小或定子电流最小为目标的容错控制方 法，能实现不对称电机的解耦控制，有效地减少故障下电磁转矩的脉动，稳定电机转速，从 而实现双三相永磁同步电机的容错控制，大大提高双三相永磁同步电机系统的可靠性。
【附图说明】
[0038] 图1为双三相永磁同步电机结构图；
[0039] 图2为双三相永磁同步电机驱动系统硬件图；
[0040] 图3为双三相永磁同步电机矢量控制框图；
[0041] 图4为双三相永磁同步电机F相断相正常矢量控制时五相电流波形图；
[0042] 图5为双三相永磁同步电机F相断相正常矢量控制时电磁转矩图；
[0043] 图6为双三相永磁同步电机F相断相正常矢量控制时转速图；
[0044] 图7为双三相永磁同步电机F相断相以定子电流幅值最小为控制目标时五相电流 波形图；
[0045] 图8为双三相永磁同步电机F相断相以定子电流幅值最小为控制目标时电磁转矩 图；
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