一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法

1.本发明涉及电机控制技术领域，尤其是涉及一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法。


背景技术：

2.目前，在越来越多的应用中，电气系统正在取代传统的执行器，包括航空航天、舰船推进和新能源汽车等，这些应用对高可靠性和安全性的要求很高。事实上，一旦传统的三相电机中产生故障，则需要迅速诊断和解决。而在运行中往往不能保证故障排除的及时性，从而造成无法挽回的损失。因此，可以保证在一相或两相出现故障时，只改变控制算法不增加额外电力电子器件的五相电机越来越受关注。由于比传统的三相机器有更多的自由度，优质的五相电机的容错控制方法可以补偿故障的影响，实现平稳的扭矩，并且不需要其他额外的硬件冗余。
3.当单相绕组发生短路时，由于转子上永磁体的存在，在短路相会产生一个无法被控制和消除的短路电流，这对电机运行的稳定性及转矩脉动产生很大的影响。针对单相短路电流的影响，目前的方法主要是关断该相对应的开关管并使用降阶解耦矩阵对其余四相进行控制；但是，目前的该种控制方法只关注于通过基波电流抵消短路电流的转矩脉动，而忽视了在抵消短路电流的转矩脉动的同时，会增加恒定的转矩，从而增加了铜损，这使得故障后的电机带载能力大大减少。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于解耦矩阵不变、能够降低铜损、提高故障后的电机的带载能力，并保证电机稳定性的低铜耗五相电机单相短路容错控制方法。
5.本发明所采用的技术方案是，一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法，该方法包括下列步骤：
6.s1、采用旋转变压器或光电编码器采集当前时刻电机的机械角度θm，将电机的机械角度θm转换为电机的机械速度ωm；将电机的机械速度ωm与预设的电机参考速度相比较得到电机转速误差er，根据转速误差er采用pi控制器计算出五相电机q轴的电流参考值
7.s2、五相电机d轴的电流为给定电流，且五相电机d轴的电流参考值为0，通过五相电机在健康状态下的解耦矩阵t
park
将电机在dq轴的参考电流转换成在αβ轴上的参考电流
8.s3、将短路相视为单相开路故障和单相短路故障的叠加，根据单相开路故障确定出电机的容错系数，结合容错系数确定出单相开路故障后电流在αβ轴上的参考电流
9.s4、根据单相短路故障的短路电流计算出短路电流产生的转矩t
sc
；
10.s5、注入额外的三次谐波电流来消除步骤s4中得到的转矩t
sc
，从而得到电机在αβ轴上新的参考电流
11.s6、结合电机在健康状态下的解耦矩阵t
clarke
，将步骤s5得到的新的参考电流转换成剩余相参考电流
12.s7、计算相参考电流与相电流传感器测量值(ia,ib,ic,id,ie)的差值，将得到的差值输入到比例谐振控制器中，由比例谐振控制器计算出相电压值；
13.s8、将步骤s7得到的相电压值与短路相的反电动势相加得到最优短路容错相电压参考值；
14.s9、将步骤s8得到的最优短路容错相电压参考值输入cpwm模块中，得到剩余相的开关信号；随后将得到的剩余相的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现五相电机的短路容错控制。
15.本发明的有益效果是：采用上述一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法，该方法不需要改变解耦矩阵，直接使用健康状态下的解耦矩阵和容错系数来对单相短路进行容错控制，降低了控制过程的复杂性，简化了控制过程；通过注入额外的三次谐波电流来抵消短路电流的转矩脉动，降低了铜损，也提高了故障后的电机的带载能力；并且该方法关注了电机额外自由度，使用比例谐振控制器使故障前后转矩保持不变的容错因子来补偿断路和短路电流造成的影响，从而实现电机在单相短路故障下的无扰容错运行，提高了电机的稳定性。
16.作为优选，在步骤s2中，所述的五相电机在健康状态下的解耦矩阵t
park
的表达式为：
17.作为优选，在步骤s3中，所述的单相开路故障后电流在αβ轴上的参考电流的表达式为：其中，k
α3,α1
、k
α3,β1
、k
β3,α1
、k
β3,β1
表示电机的容错系数，k
α3,α1
＝-1,k
α3,β1
＝0，而k
β3,α1
和k
β3,β1
的取值是根据额外的自由度得到的限制来确定，所述的限制是指幅值相等或铜损最小；如果额外的自由度得到的限制为铜损最小，则k
β3,α1
和k
β3,β1
的取值为k
β3,α1
＝0,k
β3,β1
＝0；如果额外的自由度得到的限制为幅值相等，则k
β3,α1
和k
β3,β1
的取值为k
β3,α1
＝0,k
β3,β1
＝0.236。
18.作为优选，在步骤s4中，根据短路电流计算出短路电流产生的转矩t
sc
的具体过程为：设定短路相的阻抗不变，在短路回路中，由电阻r和电感l组成的阻抗za表示为：其中，ωe表示电速度，表示阻抗矢量图中的合成阻抗与电阻之间的角度，j表示为虚数单位，|z|表示电阻的模量；结合短路相的反电动势，短路电流就表
示为：其中，a表示短路电流中的振幅，b是短路电流中的振幅，ea表示短路相的反电动势，那么短路电流造成的转矩t
sc
就为：其中，ψm表示电机转子的磁动势磁链。
19.作为优选，在步骤s5中，所述的注入额外的三次谐波电流来消除步骤s4中得到的转矩具体过程为：将三次谐波电流分别注入到电机的α1轴的参考电流以及β1轴的参考电流中，同时，为了保证磁动势一致，将该三次谐波电流分别注入到电机的α3轴的参考电流以及β3轴的参考电流和中，由注入的三次谐波电流产生的转矩t
c2
来抵消步骤s4得到的转矩t
sc
，即t
c2
＝-t
sc
，所述的转矩t
c2
的表达式为：其中，i
3add
表示注入三次谐波的幅值，p表示极对数，k
1s
和k
2s
表示补偿在参考电流上的补偿系数，k
3s
和k
4s
表示补偿在参考电流上的补偿系数，ψm表示电机转子的磁动势磁链；所述的k
1s
、k
2s
、k
3s
和k
4s
的取值需要满足两个限制，其中一个限制为：t
c2
＝-t
sc
；另一个限制为：k
1s
、k
2s
、k
3s
和k
4s
共同作用使四次谐波转矩脉动为零，即
20.作为优选，在步骤s6中，电机在健康状态下的解耦矩阵t
clarke
的表达式为：
21.附图说明
22.图1为本发明一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法的流程图；
23.图2为本发明一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法所对应的控制结构图；
24.图3为五相电机在健康状态下和故障状态下的电流和转矩对比图；
25.图4为故障状态时使用本发明方法后得到的电流和转矩图；
26.图5为故障状态时应用幅值相等限制下的本发明方法后突增转矩时的电流和转矩图；
27.图6为故障状态时应用幅值相等限制下的本发明方法后突增转速时的电流和转矩图；
28.图7为采用本发明方法和传统方法得到的相电流的对比图；
29.图8为采用本发明方法和传统方法得到的最大转矩和最大降额系数的对比图。
具体实施方式
30.以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
31.本发明涉及一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法，如图1所示，该方法包括下列步骤：
32.s1、采用旋转变压器或光电编码器采集当前时刻电机的机械角度θm，将电机的机械角度θm转换为电机的机械速度ωm；将电机的机械速度ωm与预设的电机参考速度相比较得到电机转速误差er，根据转速误差er采用pi控制器计算出五相电机q轴的电流参考值
33.s2、五相电机d轴的电流为给定电流，且五相电机d轴的电流参考值为0，通过五相电机在健康状态下的解耦矩阵t
park
将电机在dq轴的参考电流转换成在αβ轴上的参考电流所述的五相电机在健康状态下的解耦矩阵t
park
为五相电机在健康状态下的park变换矩阵，其表达式为：
34.s3、由于短路相对应的开关管会被全部关断，所以将短路相视为单相开路故障和单相短路故障的叠加，根据单相开路故障确定出电机的容错系数，结合容错系数确定出单相开路故障后电流在αβ轴上的参考电流参考电流的表达式为：其中，k
α3,α1
、k
α3,β1
、k
β3,α1
、k
β3,β1
表示电机的容错系数，为了保证故障前后磁动势的一致性，容错系数k
α3,α1
和k
α3,β1
的取值被确定为：k
α3,α1
＝-1,k
α3,β1
＝0，而k
β3,α1
和k
β3,β1
的取值是根据额外的自由度得到的限制来确定，所述的限制是指幅值相等或铜损最小；如果额外的自由度得到的限制为铜损最小，则k
β3,α1
和k
β3,β1
的取值为k
β3,α1
＝0,k
β3,β1
＝0；如果额外的自由度得到的限制为幅值相等，则k
β3,α1
和k
β3,β1
的取值为k
β3,α1
＝0,k
β3,β1
＝0.236；
35.s4、根据单相短路故障的短路电流计算出短路电流产生的转矩t
sc
；
36.虽然通过开路的方式来隔离故障相，但是这并不能切断故障相的短路电流，所以短路电流仍然对电机的运行有影响，所以，设定短路相的阻抗不变，在短路回路中，由电阻r和电感l组成的阻抗za表示为：其中，ωe表示电速度，表示阻抗矢量图中的合成阻抗与电阻之间的角度，j表示为虚数单位，|z|表示电阻的模量；结合短路
相的反电动势，短路电流就表示为：其中，a表示短路电流中的振幅，b是短路电流中的振幅，那么短路电流造成的转矩t
sc
就为：其中，ψm表示电机转子的磁动势磁链；
37.s5、注入额外的三次谐波电流来消除步骤s4中得到的转矩，得到电机在αβ轴上新的参考电流注入额外的三次谐波电流来消除步骤s4中得到的转矩的具体过程为：
38.将三次谐波电流分别注入到电机的α1轴的参考电流以及β1轴的参考电流中，同时，为了保证磁动势一致，将该三次谐波电流分别注入到电机的α3轴的参考电流以及β3轴的参考电流和中，由注入的三次谐波电流产生的转矩t
c2
来抵消步骤s4得到的转矩t
sc
，即t
c2
＝-t
sc
，所述的转矩t
c2
的表达式为：其中，i
3add
表示注入三次谐波的幅值，p表示极对数，k
1s
和k
2s
表示补偿在参考电流上的补偿系数，k
3s
和k
4s
表示补偿在参考电流上的补偿系数，ψm表示电机转子的磁动势磁链；所述的k
1s
、k
2s
、k
3s
和k
4s
的取值需要满足两个限制，其中一个限制为：t
c2
＝-t
sc
；另一个限制为：k
1s
、k
2s
、k
3s
和k
4s
共同作用使四次谐波转矩脉动为零，即
39.s6、结合电机在健康状态下的解耦矩阵t
clarke
，将步骤s5得到的新的参考电流转换成剩余相参考电流
40.s7、计算相参考电流与相电流传感器测量值(ia,ib,ic,id,ie)的差值，将得到的差值输入到比例谐振控制器中，由比例谐振控制器计算出相电压值；
41.用于准比例谐振调节的比例谐振控制器的传递函数为：其中，k
p
表示比例谐振控制器的比例系数，kr表示比例谐振控制器的谐振系数，ωc表示谐振频率；
42.s8、将步骤s7得到的相电压值与短路相的反电动势相加得到最优短路容错相电压参考值；
43.s9、将步骤s8得到的最优短路容错相电压参考值输入cpwm模块中，得到剩余相的开关信号；随后将得到的剩余相的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现五相电机的短路容错控制。
44.采用上述一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法，在单相短路后应用该算
法，使得故障后的转矩脉动与健康状态下的转矩脉动相一致，达到无扰运行；并利用额外自由度，可以分别得到铜损最小和相电流幅值相等两种限制下的控制性能；在该容错控制方法下，如图5和图6所示，分别尝试了突增转矩和改变速度来验证该控制系统的动态性能，实验验证该方法动态性能良好；该发明方法注入三次谐波不会再产生恒定转矩，通过实验验证，铜损与传统方法相比减少了15％；如图8所示，由于该方法的特性，该故障状态下能达到的最大转矩可以被计算出来，实验值跟理论值的差距小于4.2％；该算法可以作为指导意见应用于多种工程应用。

技术特征：
1.一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：s1、采用旋转变压器或光电编码器采集当前时刻电机的机械角度θ
m
，将电机的机械角度θ
m
转换为电机的机械速度ω
m
；将电机的机械速度ω
m
与预设的电机参考速度相比较得到电机转速误差e
r
，根据转速误差e
r
采用pi控制器计算出五相电机q轴的电流参考值s2、五相电机d轴的电流为给定电流，且五相电机d轴的电流参考值为0，通过五相电机在健康状态下的解耦矩阵t
park
将电机在dq轴的参考电流转换成在αβ轴上的参考电流s3、将短路相视为单相开路故障和单相短路故障的叠加，根据单相开路故障确定出电机的容错系数，结合容错系数确定出单相开路故障后电流在αβ轴上的参考电流s4、根据单相短路故障的短路电流计算出短路电流产生的转矩t
sc
；s5、注入额外的三次谐波电流来消除步骤s4中得到的转矩t
sc
，得到电机在αβ轴上新的参考电流s6、结合电机在健康状态下的解耦矩阵t
clarke
，将步骤s5得到的新的参考电流转换成剩余相参考电流s7、计算剩余相参考电流与相电流传感器测量值(i
a
,i
b
,i
c
,i
d
,i
e
)的差值，将得到的差值输入到比例谐振控制器中，由比例谐振控制器计算出相电压值；s8、将步骤s7得到的相电压值与短路相的反电动势相加得到最优短路容错相电压参考值；s9、将步骤s8得到的最优短路容错相电压参考值输入cpwm模块中，得到剩余相的开关信号；随后将得到的剩余相的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现五相电机的短路容错控制。2.根据权利要求1所述的一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法，其特征在于：在步骤s2中，所述的五相电机在健康状态下的解耦矩阵t
park
的表达式为：3.根据权利要求2所述的一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法，其特征在于：在步骤s3中，所述的单相开路故障后电流在αβ轴上的参考电流的表达式为：其中，k
α3,α1
、k
α3,β1
、k
β3,α1
、k
β3,β1
表示电机的容错系数，k
α3,α1
＝-1,k
α3,β1
＝0，而k
β3,α1
和k
β3,β1
的取值是根据额外的自由度得到的限制来确定，所述的限制是指
幅值相等或铜损最小；如果额外的自由度得到的限制为铜损最小，则k
β3,α1
和k
β3,β1
的取值为k
β3,α1
＝0,k
β3,β1
＝0；如果额外的自由度得到的限制为幅值相等，则k
β3,α1
和k
β3,β1
的取值为k
β3,α1
＝0,k
β3,β1
＝0.236。4.根据权利要求3所述的一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法，其特征在于：在步骤s4中，根据短路电流计算出短路电流产生的转矩t
sc
的具体过程为：设定短路相的阻抗不变，在短路回路中，由电阻r和电感l组成的阻抗z
a
表示为：其中，ω
e
表示电速度，表示阻抗矢量图中的合成阻抗与电阻之间的角度，j表示为虚数单位，|z|表示电阻的模量；结合短路相的反电动势，短路电流就表示为：其中，a表示短路电流中的振幅，b是短路电流中的振幅，e
a
表示短路相的反电动势，那么短路电流造成的转矩t
sc
就为：其中，ψ
m
表示电机转子的磁动势磁链。5.根据权利要求4所述的一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法，其特征在于：在步骤s5中，所述的注入额外的三次谐波电流来消除步骤s4中得到的转矩具体过程为：将三次谐波电流分别注入到电机的α1轴的参考电流以及β1轴的参考电流中，将该三次谐波电流分别注入到电机的α3轴的参考电流以及β3轴的参考电流和中，由注入的三次谐波电流产生的转矩t
c2
来抵消步骤s4得到的转矩t
sc
，即t
c2
＝-t
sc
，所述的二次谐波转t
c2
的表达式为：其中，i
3add
表示注入三次谐波的幅值，p表示极对数，k
1s
和k
2s
表示补偿在参考电流上的补偿系数，k
3s
和k
4s
表示补偿在参考电流上的补偿系数，ψ
m
表示电机转子的磁动势磁链；所述的k
1s
、k
2s
、k
3s
和k
4s
的取值需要满足两个限制，其中一个限制为：t
c2
＝-t
sc
；另一个限制为：k
1s
、k
2s
、k
3s
和k
4s
共同作用使四次谐波转矩脉动为零，即6.根据权利要求1所述的一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法，其特征在于：在步骤s6中，电机在健康状态下的解耦矩阵t
clarke
的表达式为：

技术总结
本发明涉及一种低铜耗五相电机单相短路容错控制方法，包括：根据转速误差采用PI控制器计算出五相电机q轴的电流参考值；通过五相电机在健康状态下的解耦矩阵将电机在dq轴的参考电流转换成在αβ轴上的参考电流；结合容错系数确定出单相开路故障后电流在αβ轴上的参考电流；计算出短路电流产生的二次谐波转矩脉动，注入额外的三次谐波电流来消除得到的二次谐波转矩脉动；该方法不需要改变解耦矩阵，直接使用健康状态下的解耦矩阵和容错系数来对单相短路进行容错控制，降低了控制过程的复杂性，通过注入额外的三次谐波电流来抵消短路电流的转矩脉动，降低了铜损，也提高了故障后的电机的带载能力，提高了电机的稳定性。提高了电机的稳定性。提高了电机的稳定性。


技术研发人员：王焕然 顾春阳 王硕 赵伟铎 姜保罗 张晓晨 张何
受保护的技术使用者：宁波诺丁汉大学
技术研发日：2022.07.29
技术公布日：2023/9/11