專利名稱：一種四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的控制方法，適用于航空航天、軍事裝備等對(duì)可靠 性有很高要求的特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，屬于電力傳動(dòng)控制的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電動(dòng)作動(dòng)器系統(tǒng)是飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵組成部分，它能否可靠工作直接決 定飛行器是否能安全飛行，因此，高可靠電動(dòng)作動(dòng)器的研究受到了航空航天領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。 可靠性技術(shù)的發(fā)展正經(jīng)歷從初級(jí)的余度技術(shù)發(fā)展到高級(jí)的容錯(cuò)技術(shù)。四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)因 具有高可靠性和容錯(cuò)性已在國外航空航天領(lǐng)域開始受到廣泛關(guān)注。2004年，Mecrow教授將 研制的四相永磁容錯(cuò)電機(jī)成功應(yīng)用于飛機(jī)的燃油泵系統(tǒng)中，取得了很好的容錯(cuò)效果，大大地提 高了燃油泵系統(tǒng)的可靠性，從而顯示了四相永磁容錯(cuò)電機(jī)在航空系統(tǒng)中具有強(qiáng)大生命力。但 國內(nèi)對(duì)四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究很少。針對(duì)四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的控制，目前主要有査表法和最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制法兩種方案。兩者 相同之處在于都是通過電流控制器發(fā)生PWM波，實(shí)現(xiàn)電樞電流跟蹤參考電流。不同之處在 于二者參考電流的獲得方法不一樣。前者是在采樣轉(zhuǎn)子的位置和直流母線電壓的基礎(chǔ)上在電 動(dòng)機(jī)的特性表上查表而得，后者是通過設(shè)定以銅耗最小為目標(biāo)、零脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩為約束條件的一 個(gè)價(jià)值函數(shù)而得到各相電流的解析式。査表法雖然簡單易行但電動(dòng)機(jī)的非線性、強(qiáng)耦合和局 部飽和等因素大大降低了電動(dòng)機(jī)特性曲線的精度，特別是在有故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)參數(shù)將發(fā)生變 化，從而使該控制方案的調(diào)速性較差。最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制雖然理論上可以實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但其 對(duì)故障信號(hào)的辨識(shí)精度及數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算和處理速度要求很高，因此在工程上很難實(shí)現(xiàn)。矢量控制通過空間矢量旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電流、磁鏈、轉(zhuǎn)矩的解耦，使交流電機(jī)獲得 了同直流電機(jī)一樣好的調(diào)速性能。特別地電壓空間矢量控制(SVPWM)是一種適合同步電動(dòng)機(jī) 運(yùn)行機(jī)理、滿足圓形氣隙磁場(chǎng)要求的高性能控制方法，其具有便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)、開關(guān)損耗小、 逆變器輸出電壓利用率高、諧波成分少及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小等突出優(yōu)點(diǎn)，是各種應(yīng)用于變頻傳動(dòng) PWM方法中最好的 一種。但是，當(dāng)缺相故障發(fā)生時(shí)，逆變器每一個(gè)開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)電機(jī)空間電壓矢量與電機(jī)參數(shù)和 電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)相關(guān)，所以采用SVPWM方法實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)制是十分復(fù)雜的，即使通過補(bǔ)償后， 空間電壓矢量在空間中的分布規(guī)律也不強(qiáng)，通過計(jì)算矢量作用時(shí)間來實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制十分困難。因此，在正常條件下具有優(yōu)越調(diào)速性能的SVPWM控制在故障條件下并不可行。正是由于SVPWM不適合于故障條件下的系統(tǒng)控制，所以目前的容錯(cuò)控制系統(tǒng)為了容錯(cuò) 控制的方便而采用電流調(diào)節(jié)PWM來實(shí)現(xiàn)電流的跟蹤。在缺相故障條件下采用電流調(diào)節(jié)PWM 方法是一個(gè)權(quán)宜之計(jì)，但這種方法工作在正常模式時(shí)卻不可避免地表現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)性能較差、轉(zhuǎn) 矩波動(dòng)大、逆變器開關(guān)頻率不固定且功率器件不能充分利用等不足，于是目前的容錯(cuò)控制系 統(tǒng)雖然兼顧了容錯(cuò)控制的方便但犧牲了正常工作時(shí)系統(tǒng)的性能。因此設(shè)計(jì)一種控制方案，既 能充分發(fā)揮SVPWM控制在電機(jī)正常工作時(shí)的優(yōu)越性能，又能夠方便實(shí)現(xiàn)故障條件下的電流 跟蹤是容錯(cuò)控制系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題之一。對(duì)SVPWM方法的研究目前主要集中于三相電機(jī)系統(tǒng)，也有學(xué)者提出了五相電機(jī)和六相 電機(jī)的SVPWM策略，但從目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)看還沒有四相電機(jī)的SVPWM控制策略，因 此研究四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的SVPWM控制，不僅可服務(wù)于四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的高性能控 制，而且可以直接用于其他四相電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)。綜上所述，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，在考慮可行性的前提下整合各種先進(jìn)的控制方法和手 段，設(shè)計(jì)出一種新的適用于四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的容錯(cuò)控制方法以實(shí)現(xiàn)其高可靠和高精度控 制是非常重要和必要的。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)的容錯(cuò)控制系統(tǒng)為了容錯(cuò)控制的方便而采用電流調(diào)節(jié)PWM 來實(shí)現(xiàn)電流跟蹤而犧牲電動(dòng)機(jī)正常情況下的穩(wěn)態(tài)性能的不足，提出一種應(yīng)用于四相永磁容錯(cuò) 電動(dòng)機(jī)的容錯(cuò)雙?？刂品椒▽?shí)現(xiàn)其在正常和缺相故障條件下的高性能運(yùn)行；本發(fā)明的進(jìn)一步 的目的還在于，針對(duì)現(xiàn)有四相永磁容錯(cuò)電機(jī)在高精度和高可靠性控制方面的不足，提出一種 不同于傳統(tǒng)三相系統(tǒng)的SVPWM策略，將其應(yīng)用于四相永磁容錯(cuò)電機(jī)的控制系統(tǒng)；基于現(xiàn)有 四相永磁容錯(cuò)電機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算過分復(fù)雜而難于工程實(shí)現(xiàn)的不足，提出一種容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制策 略，方便地實(shí)現(xiàn)其在故障條件下的無擾運(yùn)行且最大限度地提高其在故障條件下的負(fù)載能力。本發(fā)明的技術(shù)解決方案提出一種應(yīng)用于四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的容錯(cuò)雙?？刂品椒▽?shí)現(xiàn) 其在正常和缺相故障條件下的高性能運(yùn)行；提出了一種四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的空間電壓矢量 脈寬調(diào)制(SVPWM)策略，并巧妙設(shè)計(jì)了零矢量的插入順序和重合矢量的選擇順序，方便 了DSP的數(shù)字實(shí)現(xiàn)；提出一種新穎的容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制策略，以形成圓形磁場(chǎng)為目標(biāo)、以銅耗最小 和最大轉(zhuǎn)矩輸出為約束條件來計(jì)算故障條件下各相電流的解析式，再通過電流跟蹤實(shí)現(xiàn)其在 故障條件下的無擾運(yùn)行。本發(fā)明的具體解決方案可通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(1諏控制周期T值，根據(jù)當(dāng)前速度的給定值^和當(dāng)前速度值，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷；(2) 當(dāng)系統(tǒng)處于正常模態(tài)時(shí)采用SVPWM策略；(3) 當(dāng)系統(tǒng)處于缺相故障模態(tài)時(shí)采用容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制策略，且根據(jù)不同的缺相故障類型采用 的不同的容錯(cuò)控制方案。本發(fā)明的原理是(1) 本發(fā)明通過故障診斷智能地選擇不同的控制模態(tài)，這樣既保證了電機(jī)在正常條件下采 用SVPWM控制的優(yōu)越的穩(wěn)態(tài)性能又實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在缺相故障條件下的電流跟蹤而實(shí)現(xiàn)其無擾 運(yùn)行。(2) 四相永磁容錯(cuò)電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性且強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，借助于空間矢量坐標(biāo) 變換可以簡化其數(shù)學(xué)模型，為實(shí)現(xiàn)矢量解耦控制創(chuàng)造條件。假設(shè)電機(jī)四相繞組對(duì)稱分布；氣隙磁場(chǎng)為正弦波；鐵磁部分磁路線性；轉(zhuǎn)子無阻尼繞 組，永磁體沒有阻尼作用；相間互感為零(由于各相實(shí)現(xiàn)了電、磁隔離，因此這種假設(shè)是合 理的)。則在四相靜止坐標(biāo)系中的電壓方程可表示為<formula>formula see original document page 7</formula>(1)其中^為定子電樞相繞組；",、^、(x-。，6,c，c/)分別為定子繞組各相的電壓、電流和磁鏈；p為微分算子。磁鏈方程用矩陣表示為<formula>formula see original document page 7</formula>(2)其中，丄 為定子繞組自感系數(shù)且有4^=丄；^為永磁體磁鏈；《為轉(zhuǎn)子軸線與定子^相 繞組軸線夾角的電角度。定義 為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)，則轉(zhuǎn)矩方程為一sin《 一cos《 sin《 cos ft(3)如圖2所示，定義永磁體基波磁場(chǎng)方向J軸，順著旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90度方向?yàn)橄档妮S 為g軸；四相靜止坐標(biāo)系的軸為^、 5、 C、 Z)， 二相靜止坐標(biāo)系的軸為a、 y9。 四相瞬時(shí)磁勢(shì)在二相靜止坐標(biāo)系的a、 /9軸上的投影變換為，<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 8</formula>(4)即有，<formula>formula see original document page 8</formula>(5)二相靜止磁勢(shì)在二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的rf、《軸上的投影變換為，<formula>formula see original document page 8</formula>(6)于是可得，<formula>formula see original document page 8</formula> (7)令式(7)中的變換陣擴(kuò)充為單位正交矩陣并記為C有，<formula>formula see original document page 8</formula>(8)C即為從四相靜止坐標(biāo)系到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣。于是，對(duì)式(l)、 (2)、 (3)分別進(jìn) 行坐標(biāo)變換即可得四相永磁容錯(cuò)電機(jī)在二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為磁鏈方程為 轉(zhuǎn)矩方程為另外，轉(zhuǎn)矩平衡方程可表示為；<formula>formula see original document page 8</formula>(9)<formula>formula see original document page 8</formula>(10)<formula>formula see original document page 8</formula>(11)(<formula>formula see original document page 8</formula>12)式中<formula>formula see original document page 8</formula>、分別為定子磁鏈、電流和電感在rf、 g軸上的分量， /為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，？l為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，5為阻尼系數(shù)。對(duì)比式(l)、 (2)、 (3)和(9)、 (10)、 (ll)可以看出，通過坐標(biāo)變換，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型得到了簡化，實(shí)現(xiàn)了四相永磁容錯(cuò)電磁轉(zhuǎn)矩的解耦。(3) 采用可逆PWM控制的基于H全橋的逆變器共有16種開關(guān)信號(hào)的組合，從而構(gòu)成16個(gè)基 本電壓空間矢量，其中有4個(gè)零矢量，4對(duì)重合矢量。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)零矢量的插入順序和重 合矢量的選擇順序?qū)崿F(xiàn)了功率開關(guān)次數(shù)最少。同時(shí)，為了使得磁鏈的運(yùn)動(dòng)速度平滑，零矢量 不是集中地加入，而是將其平均分成幾點(diǎn)，多點(diǎn)地插入到磁鏈軌跡中去，保證作用時(shí)間仍為f。，這樣以便減少電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)。另外，為了方便DSP的數(shù)字實(shí)現(xiàn)，在選擇零矢量和基本電壓空 間矢量時(shí)還應(yīng)做到任意一次電壓空間矢量的變化只有一個(gè)橋臂的開關(guān)動(dòng)作。(4) 容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制器以形成圓形磁場(chǎng)為目標(biāo)，以銅耗最小和輸出轉(zhuǎn)矩最大為約束條件，這 樣消除了缺相條件下電機(jī)的原理性轉(zhuǎn)矩形脈動(dòng)且盡可能提高了電機(jī)在故障條件下的負(fù)載能 力。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于-(1) 針對(duì)正常模式和故障模式分別實(shí)施兩種不同方案的控制策略，克服了傳統(tǒng)采用單一的 電流控制模式而使系統(tǒng)在正常工作時(shí)不便采用更優(yōu)越的控制方法的不足。(2) 正常工作模式下采用的SVPWM控制策略不僅實(shí)現(xiàn)了電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦，而且 還減小了輸出轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)和輸出電流的諧波成分，并且還提高了電壓的利用率。(3) 本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于H橋的五段式電壓空間PWM波形實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)最 少，滿足了任意一次電壓空間矢量的變化只有一個(gè)橋臂的開關(guān)動(dòng)作，做到了零矢量的分別插 入，并且各基本電壓空間矢量的作用時(shí)間相同，從而輸出脈動(dòng)很小的電流且方便了DSP的數(shù) 字實(shí)現(xiàn)，成功地將傳統(tǒng)的三相SVPWM技術(shù)用于四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。(4) 本發(fā)明設(shè)計(jì)的容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制器的各相電流的解算以形成圓形磁場(chǎng)為目標(biāo)，以銅耗最小 和最大轉(zhuǎn)矩輸出為約束條件實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在缺相故障條件下的無擾運(yùn)行，且方便了工程實(shí)現(xiàn)并 盡可能提高了系統(tǒng)在故障條件下的負(fù)載能力。


圖l是本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變化圖；圖3是本發(fā)明方法的總流程圖；圖4是本發(fā)明中系統(tǒng)處于正常模態(tài)時(shí)的工作流程圖；圖5是本發(fā)明中系統(tǒng)處于缺相故障模態(tài)時(shí)的工作流程圖；圖6是四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)基本的電壓空間矢量及其選擇順序圖；圖7是五段式的四相PWM波形在扇區(qū)0、 1、 2、 3中的信號(hào)圖；圖8是采用本發(fā)明在正常條件下的轉(zhuǎn)矩輸出波形圖；圖9是采用本發(fā)明在電機(jī)缺相條件下的轉(zhuǎn)矩輸出波形圖； 圖10是采用本發(fā)明的速度輸出波形圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明的在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，利用雙?？刂破鲗?shí)現(xiàn)容錯(cuò)永磁電動(dòng)機(jī)的容錯(cuò)控制， 當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)采用SVPWM控制，當(dāng)系統(tǒng)缺相故障下采用容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制方式。具體步驟 如圖3所示(1) 初始化控制系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，取控制周期T值，通過上位機(jī)獲取當(dāng)前速度的給定值^ ;(2) 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷；(3) 當(dāng)故障檢測(cè)到系統(tǒng)無故障時(shí)系統(tǒng)采用SVPWM控制；(4) 當(dāng)故障檢測(cè)到系統(tǒng)有故障時(shí)系統(tǒng)采用容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制。如圖4所示，當(dāng)故障檢測(cè)到系統(tǒng)無故障時(shí)系統(tǒng)采用SVPWM控制，其步驟為① 給定轉(zhuǎn)速^與實(shí)際反饋W作差，得到轉(zhuǎn)速誤差A(yù)W;② AW經(jīng)過轉(zhuǎn)速控制器，得到《軸給定電流值^，同時(shí)給定6/軸電流值^=0;③ 々坐標(biāo)系中d軸與g軸給定電流分別與其反饋電流作差，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相電流誤差； d軸與《軸電流誤差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器得到兩坐標(biāo)系兩相電壓4和K,;⑤根據(jù)下列公式(13)，計(jì)算由兩相電壓^、 ^結(jié)合轉(zhuǎn)子位置角反饋e經(jīng)兩/a-坐標(biāo)變換得到坐標(biāo)系下的兩相電壓、 ;卞-cos《一sin《《力,-sin《cos《(13)⑥ ^re/、 JV《作為期望電壓矢量進(jìn)行SVPWM調(diào)制，發(fā)出發(fā)脈沖輸入四相H全橋逆變 器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)；⑦ 根據(jù)下列公式(14)，四相定子電流/。、 4、 4、 G經(jīng)過W^/c^坐標(biāo)變換得到/a、 ^4 (14)⑧ 根據(jù)下列公式(15)，兩相電流^、 ^結(jié)合轉(zhuǎn)子位置反饋角e經(jīng)過c^/^坐標(biāo)變得到^、 /。，作為下一周期電流比較的根據(jù)，反饋到第③步；V-1 0-l 0陽V-0—10 1<formula>formula see original document page 11</formula>(15)◎轉(zhuǎn)子位置角反饋到第⑤步和第⑧步，轉(zhuǎn)速w反饋到第①步。 其中，Kre/、 JV-作為期望電壓矢量進(jìn)行SVPWM調(diào)制，其步驟為① 如圖6所示，根據(jù)J^w、 ^^的值判斷所在的扇區(qū)并選擇相應(yīng)的零矢量和基本空間電壓矢量，即在0扇區(qū)，R=C/。， ",±45="45;在1扇區(qū)，"，="9。， R±45="45，其余依次類 推。同時(shí)，在不同的扇區(qū)插入不同的零矢量。具體地說，在0、 l扇區(qū)插入Ouu，在2、 3扇 區(qū)插入O卿o，在4、 5扇區(qū)插入<90101，在6、 7扇區(qū)插入(91010。② 根據(jù)公式(16)計(jì)算零矢量和基本空間電壓矢量在周期T內(nèi)的作用時(shí)間。 敘敘<formula>formula see original document page 11</formula>(16)在此基礎(chǔ)上得出了五段式的空間電壓矢量PWM波形在O、 1、 2、 3扇區(qū)如閣7所表示。 由圖7可以看出，這種設(shè)計(jì)具有如下的特點(diǎn) ■達(dá)到了功率開關(guān)次數(shù)最少；■任意一次空間電壓矢量的變化只有一個(gè)橋被臂的開關(guān)動(dòng)作；■在不同的扇區(qū)插入了不同的零矢量，且各零矢量的作用時(shí)間相同；■電機(jī)正反轉(zhuǎn)每個(gè)扇區(qū)的兩個(gè)相臨基本矢量^和^±45的選擇順序不變，也就是說電機(jī)的正反轉(zhuǎn)只與扇區(qū)的選擇順序有關(guān)。正轉(zhuǎn)時(shí)(磁鏈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))，扇區(qū)的順序是0-1-2-3-4-5-6-7-0; 反轉(zhuǎn)時(shí)，扇區(qū)的順序是7-6-5-4-3-2-1-0-7。如圖5所示，當(dāng)故障檢測(cè)到系統(tǒng)有故障時(shí)系統(tǒng)采用容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制器，其步驟為① 給定轉(zhuǎn)速w^與實(shí)際反饋0作差，得到轉(zhuǎn)速誤差A(yù)w;② Aw經(jīng)過轉(zhuǎn)速控制器，得到容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制器的電流幅值參考值/^;③ 根據(jù)故障判別結(jié)果進(jìn)行容錯(cuò)控制，其具體的方法為以保持故障前的圓形磁場(chǎng)為目標(biāo)， 以銅耗最小和最大轉(zhuǎn)矩輸出為約束條件，在仍保持電流正弦波輸出的條件下求解各相電流的 解析式，當(dāng)A、 B、 C、 D相分別開路時(shí)，各相電流解析式分別由下列公式(17)、 (18)、 (19)、 (20)確定W =2C cos(6>e-;r/2) .W cos(《-;r)z肌/ =/附cos(《+;r/2) W = oW=C cos(6>e-W2) >re/ =2/mr cos(《—;r)C2/附cos(《+W2) W = o.W =/附cos(《-;r)cos(《+W2) W =2/mr cos(《) "/=乙，cos(《—W2) 、W = o(17)(18)(19)(20)(21)其中《為轉(zhuǎn)子電角度，且有《="/， "p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。C、 D相分別開路的情況可依次類 推。同時(shí)，當(dāng)任意相臨的兩相缺相時(shí)，電機(jī)仍可以調(diào)整剩余兩相的幅值來實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)運(yùn)行， 如在當(dāng)電機(jī)在A、 B相缺相運(yùn)行時(shí)的各相期望電流由公式(21)所決定，W = o W = o 'W=2/mrcos(《-;r/2)_W =2CC0S(《-7)B、 C相開路時(shí)的各相期望電流由公式(22)所決定， W=2C cos(《+W2)W = o_W =2C COS(《-7T)C、 D相開路時(shí)的各相期望電流由公式(23)所決定， W ^2/肌cos(《+;r/2) W =2/mrcos(<9e)D、 A相開路時(shí)的各相期望電流由公式(24)所決定；<formula>formula see original document page 13</formula> 四相電流給定值L、 l、 L、 ^分別與四相電流實(shí)際反饋值/。、 z;、 /e 四相電流誤差給電流滯環(huán)比較器；⑤電流滯環(huán)比較器根據(jù)四相電流誤差決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，發(fā)觸發(fā)脈沖◎觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)逆變器給四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)供電，轉(zhuǎn)速W反饋到第①步 饋到第③步。本實(shí)施例中系統(tǒng)參數(shù)選擇如下定子繞組電阻^ =0.125Q ，各相自感 Zx=1.116wi/(Z = AAC,Z))，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J二2.5xl04ATg.w2，極對(duì)數(shù)為3，相數(shù)為4， 轉(zhuǎn)子磁鏈^-0.09『6 ，額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩？！-2iV.m ，額定電流為IOA。電機(jī)給定速度=3000r/m ，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI控制且限幅為10，滯環(huán)環(huán)寬為0.06， SVPWM的電流環(huán) 采用PI控制(、^0.4， &=1)。在空載時(shí)啟動(dòng)到給定速度，在&0.5s時(shí)候突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩7;:1.2iV.m，在電機(jī)正常情況 采用SVPWM控制和A相開路時(shí)候采用容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制的輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比仿真波形分別如圖8、 圖9所示。從圖中可以看出，采用本發(fā)明的雙?？刂品桨缚蓪?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的跟蹤，同時(shí)可以看出， 正常模態(tài)下采用SVPWM控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，而采用基于電流調(diào)節(jié)PWM的控制方式轉(zhuǎn) 矩波動(dòng)稍大，這一方面證明了 SVPWM控制的優(yōu)越性，同時(shí)也說明了容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制的可行性。圖IO是采用本發(fā)明的速度響應(yīng)圖，橫坐標(biāo)表時(shí)間，單位為秒，縱坐標(biāo)表轉(zhuǎn)子速度，單位 為Ww。在額定轉(zhuǎn)矩下啟動(dòng)，在,-4《時(shí)系統(tǒng)發(fā)生B相開路故障，圖10中上面的矩形脈沖表 速度給定，下邊的曲線表采用本發(fā)明的速度響應(yīng)。從響應(yīng)曲線可以看出，在系統(tǒng)發(fā)生故障前， 采用SVPWM控制系統(tǒng)響應(yīng)快速，有很好的動(dòng)、靜態(tài)特性，在系統(tǒng)發(fā)生B相開路故障后，采 用容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制基本上實(shí)現(xiàn)了速度的跟蹤，只是與SVPWM控制相比表現(xiàn)出較大的波動(dòng)，這 正是電流調(diào)節(jié)PWM與電壓調(diào)節(jié)的SVPWM相比所固有的不足之處。從以上仿真波形可以看出，本發(fā)明的基于SVPWM和容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制的雙模控制策略不僅實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在正常工作時(shí)的高性能控制，而且實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在故障條件下的無擾運(yùn)行，從而彌 補(bǔ)了傳統(tǒng)容錯(cuò)系統(tǒng)因考慮容錯(cuò)控制的需要采用單一的電流調(diào)節(jié)PWM控制而犧牲正常情況下 的穩(wěn)態(tài)性能的不足，同時(shí)證明了本發(fā)明提出的四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的SVPWM控制策略的正 確性和優(yōu)越，也證明了本發(fā)明提出的容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制的正確和行性，從而為四相永磁容錯(cuò)電動(dòng) 實(shí)現(xiàn)高精度和高可靠性控制提供了理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。(24)、^比較得到 ，轉(zhuǎn)子位置反
權(quán)利要求
1、一種四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的控制方法，其特征在于根據(jù)系統(tǒng)故障診斷情況選擇控制模態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)處于正常狀況時(shí)，采用SVPWM控制，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生缺相故障時(shí)，采用容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制，且根據(jù)不同的缺相故障類型采用的不同的容錯(cuò)控制方案。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的一種高性能控制方法，其特征在于，所 述當(dāng)系統(tǒng)處于正常狀況時(shí)，采用SVPWM控制，其步驟進(jìn)一步為① 給定轉(zhuǎn)速^與實(shí)際反饋w作差，得到轉(zhuǎn)速誤差A(yù)0;② AW經(jīng)過轉(zhuǎn)速控制器，得到《軸給定電流值^，同時(shí)給定^軸電流值^=0;③ ^坐標(biāo)系中c/軸與《軸給定電流分別與其反饋電流作差，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相電 流誤差；④ J軸與《軸電流誤差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器得到^坐標(biāo)系兩相電壓^和^ ;⑤ 根據(jù)下列公式(l)，計(jì)算由兩相電壓^、 ^結(jié)合轉(zhuǎn)子位置角反饋^經(jīng)^/ / 坐標(biāo)變換得到a々坐標(biāo)系下的兩相電壓、 ;<formula>formula see original document page 2</formula>(1)⑥ Kre/、 ^w作為期望電壓矢量進(jìn)行SVPWM調(diào)制，發(fā)觸發(fā)脈沖輸入四相H全橋逆變 器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)；⑦ 根據(jù)下列公式(2)，四相定子電流/。、 4、 z:、 G經(jīng)過a6"/a"坐標(biāo)變換得到L、 ^z"，(2)<formula>formula see original document page 2</formula>⑧根據(jù)下列公式(3)，兩相電流^、 G結(jié)合轉(zhuǎn)子位置反饋角e經(jīng)過a"/兩坐標(biāo)變得到G、 作為下一周期電流比較的根據(jù)，反饋到第③步；(3)⑨轉(zhuǎn)子位置角反饋到第⑤步和第⑧步，轉(zhuǎn)速w反饋到第①步。
3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的一種高性能控制方法，其特征在于，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生缺相故障時(shí)，采用容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制器，其步驟進(jìn)一步為① 給定轉(zhuǎn)速CV與實(shí)際反饋W作差，得到轉(zhuǎn)速誤差A(yù)W;② Aw經(jīng)過轉(zhuǎn)速控制器，得到容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制器的電流幅值參考值/^;③ 根據(jù)故障判別結(jié)果進(jìn)行容錯(cuò)控制，其具體的方法為以保持故障前的圓形磁場(chǎng)為目標(biāo)， 以銅耗最小和最大轉(zhuǎn)矩輸出為約束條件，在仍保持電流正弦波輸出的條件下求解各相電流的解析式，<formula>formula see original document page 3</formula>(4)(5)(6)(7)以上式中《為轉(zhuǎn)子電角度，且有《= 6， 為電機(jī)極對(duì)數(shù)。同時(shí)，當(dāng)任意相臨的兩相缺 相時(shí)，電機(jī)仍可以調(diào)整剩余兩相的幅值和相位來滿足圓形磁場(chǎng)條件而實(shí)現(xiàn)其無擾運(yùn)行，如在 當(dāng)電機(jī)A、 B相缺相運(yùn)行時(shí)的各相期望電流由公式(8)所決定，其余情況可依此類推；W = o_W =2乙COS(《-7T) 四相電流給定值^、 l、 ^分別與四相電流實(shí)際反饋值/。、 4、 /￡、 ^比較得到四相電流誤差給電流滯環(huán)比較器； 電流滯環(huán)比較器根據(jù)四相電流誤差發(fā)觸發(fā)脈沖以決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)；⑥觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)逆變器給四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)供電，轉(zhuǎn)速W反饋到第①步，轉(zhuǎn)子位置反 饋到第③步。
4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的一種高性能控制方法，其特征在于所述 步驟⑥中，&re/、 ^^作為期望電壓矢量進(jìn)行SVPWM調(diào)制，其步驟為①根據(jù)巳^、 ^^的值判斷定子磁勢(shì)所在的扇區(qū)并選擇相應(yīng)的零矢量和基本空間電壓矢②根據(jù)公式(9)計(jì)算基本空間電壓矢量和零矢量在周期T內(nèi)的作用時(shí)間。<formula>formula see original document page 4</formula>(9)
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的一種高性能控制方法，其特征在于所述 步驟③中，根據(jù)故障判別結(jié)果計(jì)算各相參考電流，其特征為① 故障發(fā)生后的磁勢(shì)與故障前一樣，即以形成圓形磁場(chǎng)為目標(biāo)；② 故障發(fā)生后相電流以銅耗最小為約束條件之一；③ 故障發(fā)生后相電流以最大轉(zhuǎn)矩輸出為約束條件之二，即使故障發(fā)生后的定子磁勢(shì)垂直 于轉(zhuǎn)子磁勢(shì)^^且沿著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向超前90。。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的一種高性能控制方法，其特征在于所述 步驟①中，根據(jù)J^《、&<的值判斷定子磁勢(shì)所在的扇區(qū)并選擇相應(yīng)的零矢量和基本空間電 壓矢量，其特征為① 功率開關(guān)次數(shù)達(dá)到最少；② 任意一次空間電壓矢量的變化只有一個(gè)橋臂的開關(guān)動(dòng)作；◎在不同的扇區(qū)插入了不同的零矢量并選擇不同的重合矢量，且各零矢量的作用時(shí)間相 同，且磁鏈旋轉(zhuǎn)一周16個(gè)矢量都被利用到； 電機(jī)正反轉(zhuǎn)每個(gè)扇區(qū)的兩個(gè)相臨基本矢量^和^±45的選擇順序不變，也就是說電機(jī) 的正反轉(zhuǎn)只與扇區(qū)的選擇順序有關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)的控制方法，根據(jù)系統(tǒng)故障診斷情況自動(dòng)決定控制模態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)處于正常狀況時(shí)，采用SVPWM控制，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生缺相故障時(shí)，采用容錯(cuò)轉(zhuǎn)矩控制，且根據(jù)不同的缺相故障類型采用的不同的容錯(cuò)控制方案。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)在正常和缺相故障條件下的高性能運(yùn)行，克服了傳統(tǒng)的容錯(cuò)控制系統(tǒng)為了容錯(cuò)控制的方便而采用電流調(diào)節(jié)PWM來實(shí)現(xiàn)電流跟蹤而降低系統(tǒng)正常工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)性能的不足，建立了四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，成功地將SVPWM策略應(yīng)用于四相永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)，提高了永磁容錯(cuò)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能及其可靠性。
文檔編號(hào)H02P27/06GK101335499SQ20081002270
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日
發(fā)明者元 任, 吉敬華, 孫玉坤, 朱紀(jì)洪 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)