一种均衡调制波幅值的三相串绕组拓扑断路故障容错方法与流程

本发明属于电机控制领域，更具体地，涉及一种均衡调制波幅值的三相串绕组拓扑断路故障容错方法。
背景技术：
：电驱动系统应用领域的逐步扩展，对电机系统的性能提出了越来越严苛的要求。作为核心之一的电机驱动系统需要在功率密度、电压利用率、可靠性、功率等级等方面进行一系列改进。开绕组式的逆变器拓扑结构由于较高的电压利用率、更多的控制自由度而得到了广泛应用，若将中性点打开的相绕组按照顺序进行串联，可获得与开绕组h桥结构相同的直流电压利用率，且开关器件数量减少近一半，因此该结构具有广阔的应用前景。为提高系统的可靠性，就必须考虑运行过程中可能出现的故障情况并进行针对性的控制，以遏制故障发生后带来的人身安全隐患及财产损失。对于电机系统，最常出现的便是逆变器或绕组上发生的断路或短路故障。断路故障，指发生故障的开关管或电机绕组保持断路，此时对应相绕组不再工作，流通电流大小始终为零。短路故障，指发生故障的开关管或电机绕组保持短路，若不加以控制，将引起严重的电流过冲，导致系统有过热风险，一般通过系统上安装的保险丝将发生的短路故障转化为断路故障等效处理。若采用传统的三相半桥结构驱动三相电机，故障发生后理论上便无法在满足无低次转矩脉动的要求下降容运行，串绕组结构由于更多的控制自由度及可用的零序通路使其具有了断路容错的可能。技术实现要素：针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种均衡调制波幅值的三相串绕组拓扑断路故障容错方法，旨在解决三相串绕组拓扑在断路故障后，由于负序电流存在带来的低次转矩脉动及抑制过程中带来的调制波幅值不均衡问题。为实现上述目的，本发明提供了一种均衡调制波幅值的三相串绕组拓扑断路故障容错方法，包括以下步骤：相绕组电压经第一旋转变换矩阵得到相绕组电压在旋转平面上的分量vd+、vq+；当故障发生后，对负序电流加以抑制，通过第二旋转变换矩阵提取负序电流分量id-、iq-，通过pi控制计算得到抑制负序电流所需的负序电压分量vd-、vq-；由故障发生前的正序电压vd+、vq+与抑制负序电流所需的负序电压vd-、vq-计算决定相绕组电压幅值、相位的系数；对相绕组电压进行新约束分配使对应桥臂电压幅值相等，求解得到决定桥臂调制波幅值、相位的系数，即得到故障发生后各个桥臂参考调制波大小，实现均衡调制波幅值的三相串绕组拓扑断路故障容错。该发明可用于下述的断路故障情况：三相串绕组拓扑的四个桥臂输出电压分别为v1～v4，可由下式表示：v1＝p1cosθ+q1sinθv2＝p2cosθ+q2sinθv3＝p3cosθ+q3sinθv4＝p4cosθ+q4sinθ其中，θ为转子磁链位置角，p1～p4、q1～q4为决定桥臂调制波幅值、相位的系数。相绕组电压与桥臂电压关系满足：va＝v1-v2vb＝v2-v3vc＝v3-v4故障发生前，将上述相绕组电压经第一旋转变换矩阵计算，得到相绕组上电压在旋转平面上成分vd+、vq+，反变换回静止坐标系依次分别为va+～vc+，直流电源电压稳定为vdc，第一旋转变换矩阵为：故障发生后，按照某相绕组电流为零为分类标准，共有三种断路情况：a相断路、b相断路、c相断路。无论故障发生在哪相，均需对负序电流加以抑制，第二旋转变换矩阵为：提取出负序电流分量id-、iq-，通过pi控制计算得到抑制负序电流所需的负序电压分量vd-、vq-，其经过反变换后对应各相绕组上负序电压指令为va-～vc-，表达式为：va＝va++va-＝vd+cos(θ)-vq+sin(θ)+vd-cos(-θ)-vq-sin(-θ)＝(vd++vd-)cosθ+(-vq++vq-)sinθ＝a1cosθ+b1sinθ其中，vd+、vq+为相绕组电压在旋转平面上的分量，vd-、vq-为抑制负序电流所需的负序电压分量，a1～a3、b1～b3为决定相绕组电压幅值、相位的系数，由故障发生前的正序电压vd+、vq+与抑制负序电流所需的负序电压vd-、vq-代入式中计算得到。只要相绕组上电压满足电压指令，电机即可在无低次转矩脉动情况下容错运行。进一步的，对上述得到的a～c相绕组电压进行新约束分配使对应桥臂电压幅值相等，求解方程：px-px+1＝axqx-qx+1＝bxpy-py+1＝ayqy-qy+1＝bypx2+qx2＝px+12+qx+12py2+qy2＝py+12+qy+12该方程有且仅有唯一解，a相断路故障时x＝2，y＝3；c相发生断路故障时，x＝1，y＝2；b相发生故障时，x＝1，y＝3，p2＝p3，q2＝q3。求解得到p1～p4、q1～q4后即可得到故障发生后各个桥臂参考调制波大小。此调制波既满足断路故障下电机无低次转矩脉动的容错运行，又平衡了桥臂调制波幅值。通过本发明所构思的以上技术方案，与现有控制技术导致故障发生后电机剧烈转矩脉动无法正常工作相比，本发明利用三相串绕组结构的冗余自由度及零序通路，提出了一种三相串绕组拓扑断路故障容错控制及调制波均衡方法，该方法能够用于三相串绕组拓扑中一相发生断路故障后的容错控制，保证故障前后电机始终输出平滑转矩，可使转矩脉动、振动噪声保持在较低水平，并通过将叠加后的调制波以新约束重新分配，保持故障前后各桥臂调制波幅值始终均衡，确保每个桥臂的输出电压同时到达输出上限，充分利用桥臂输出能力，有效提升电机故障后的最大运行转速。附图说明图1为本发明提供的三相串绕组拓扑断路故障示意图；图2(a)为断路故障发生时不采用本发明提出的断路容错及调制波均衡方法，系统的输出转矩示意图；图2(b)为断路故障发生时不采用本发明提出的断路容错及调制波均衡方法，系统的桥臂电压调制波波形图；图3(a)为断路故障发生时采用本发明提出的断路容错及调制波均衡方法，系统的输出转矩示意图；图3(b)为断路故障发生时采用本发明提出的断路容错及调制波均衡方法，系统的桥臂电压调制波波形图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。本发明提供了一种均衡调制波幅值的三相串绕组拓扑断路故障容错方法，包括以下步骤：相绕组电压经第一旋转变换矩阵得到相绕组电压在旋转平面上的分量vd+、vq+；当故障发生后，对负序电流加以抑制，通过第二旋转变换矩阵提取负序电流分量id-、iq-，通过pi控制计算得到抑制负序电流所需的负序电压分量vd-、vq-；由故障发生前的正序电压vd+、vq+与抑制负序电流所需的负序电压vd-、vq-计算决定相绕组电压幅值、相位的系数；对相绕组电压进行新约束分配使对应桥臂电压幅值相等，求解得到决定桥臂调制波幅值、相位的系数，即得到故障发生后各个桥臂参考调制波大小，实现均衡调制波幅值的三相串绕组拓扑断路故障容错。该发明可用于下述的断路故障情况：三相串绕组拓扑的四个桥臂输出电压分别为v1～v4，可由下式表示：v1＝p1cosθ+q1sinθv2＝p2cosθ+q2sinθv3＝p3cosθ+q3sinθv4＝p4cosθ+q4sinθ其中，θ为转子磁链位置角，p1～p4、q1～q4为决定桥臂调制波幅值、相位的系数。相绕组电压与桥臂电压关系满足：va＝v1-v2vb＝v2-v3vc＝v3-v4故障发生前，将上述相绕组电压经第一旋转变换矩阵计算，得到相绕组上电压在旋转平面上成分vd+、vq+，反变换回静止坐标系依次分别为va+～vc+，直流电源电压稳定为vdc，第一旋转变换矩阵为：故障发生后，按照某相绕组电流为零为分类标准，共有三种断路情况：a相断路、b相断路、c相断路。其中a相断路发生位置对应于图1中的故障点1、2。b相断路发生位置对应于图1中的故障点3。c相断路发生位置对应于图1中的故障点4、5。等效为故障点阻抗无穷大，流通电流为0。无论故障发生在哪相，均需对负序电流加以抑制，第二旋转变换矩阵为：提取出负序电流分量id-、iq-，通过pi控制计算得到抑制负序电流所需的负序电压分量vd-、vq-，其经过反变换后对应各相绕组上负序电压指令为va-～vc-，表达式为：va＝va++va-＝vd+cos(θ)-vq+sin(θ)+vd-cos(-θ)-vq-sin(-θ)＝(vd++vd-)cosθ+(-vq++vq-)sinθ＝a1cosθ+b1sinθ其中，vd+、vq+为相绕组电压在旋转平面上的分量，vd-、vq-为抑制负序电流所需的负序电压分量，a1～a3、b1～b3为决定相绕组电压幅值、相位的系数，由故障发生前的正序电压vd+、vq+与抑制负序电流所需的负序电压vd-、vq-代入式中计算得到。只要相绕组上电压满足电压指令，电机即可在无低次转矩脉动情况下容错运行。进一步的，对上述得到的a～c相绕组电压进行新约束分配使对应桥臂电压幅值相等，求解方程：px-px+1＝axqx-qx+1＝bxpy-py+1＝ayqy-qy+1＝bypx2+qx2＝px+12+qx+12py2+qy2＝py+12+qy+12该方程有且仅有唯一解，a相断路故障时x＝2，y＝3；c相发生断路故障时，x＝1，y＝2；b相发生故障时，x＝1，y＝3，p2＝p3，q2＝q3。求解得到p1～p4、q1～q4后即可得到故障发生后各个桥臂参考调制波大小。此调制波既满足断路故障下电机无低次转矩脉动的容错运行，又平衡了桥臂调制波幅值。为验证上述方法的有效性，在三相异步电机上进行了短路故障容错方法的仿真验证。三相电机为分布式绕组的电机，电机的参数如表1所示。其中rs为定子电阻，rr为转子电阻，lm为定转子互感，lls为定子漏感，llr为转子漏感，pn为磁极对数。表1rsrrlmllsllrpn0.853ω0.512ω40.1mh3.5mh3.5mh2将三相电机转速指令值设置为600r/min，基频为50hz，直流电源电压为540v。断路故障发生在t＝1.7s。由图2(a)所示，断路故障发生后若无对应的容错控制策略，系统输出转矩将出现明显的脉动，控制系统也一直处于不稳定的动态调节过程，图2(b)所示调制波幅值不均衡明显，根据直流电压基值与波形中标幺化数据可知桥臂2、3、4调制波幅值依次为20.86v、16.04v、21.88v。若定义不均衡度：则在不采用容错控制时调制波不均衡度达26.69％。使用了本发明提出的容错及调制波电压均衡方法后，图3(a)中系统输出转矩中的低次脉动成分得到了明显的抑制，控制系统基本稳定。图3(b)中桥臂电压调制波幅值依次为20.16v、20.38v、20.03v，不均衡度为1.72％，较未采用时有了明显程度的改善。由以上仿真结果可知，三相串绕组拓扑断路故障容错及调制波均衡方法具有良好的有效性。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12