CN104362923B - 一种基于解耦svpwm的开绕组pmsm驱动***容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于解耦SVPWM的开绕组PMSM驱动***容错控制方法，在双逆变器某一桥臂发生开路故障后，导通故障桥臂连接的电机相端点与直流侧滤波电容中点之间的双向晶闸管，实现拓扑结构的重构；对重构后的拓扑结构基于解耦SVPWM进行容错控制，对故障侧逆变器基于90度坐标系进行SVPWM控制，对正常侧逆变器基于a、b、c三相坐标系进行SVPWM控制。与现有技术相比，本发明大大简化容错后的程序，参考电压矢量根据正常侧与故障侧的逆变器的最大输出电压有效矢量成比例分配，实现逆变器直流侧电压利用率最大化。

Description

一种基于解耦SVPWM的开绕组PMSM驱动***容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相开绕组PMSM双逆变器驱动***单桥臂开路后的容错控制，属于永磁同步电机的控制领域。

背景技术

近年来，双逆变器拓扑结构成功运用于航天、电动汽车等大功率驱动***中，对于驱动***，逆变器中的开关管故障在所有故障中占有很大部分，因此双逆变器拓扑结构的可靠性及稳定性关乎着整个驱动***的可靠稳定，因而很有必要对双逆变器拓扑结构的容错控制进行研究。

已经有文献对基于双逆变器拓扑结构的PMSM驱动***容错控制进行了研究，这些文献主要针对单管开路故障、单桥臂开路故障、缺相故障等的容错研究。当单开关管故障后，通过对开关管驱动信号的控制实现自身实时重构，进而在此基础上对控制算法进行改变，达到容错目的，但是此时双逆变器的最大有效电压矢量为正常时的一半，这会使得PMSM在额定电流运行条件下，最大速度达不到额定速度，不得不通过提高双逆变器直流侧电压等级来进行补偿因重构而降低的电压值。对于单桥臂开路故障，通过改变双逆变器的供电方式，即由双电源供电方式到单电源供电方式进行切换，实现电机的两相容错运行，但是这样会使得PMSM在额定电流运行下的输出转矩为额定转矩的倍，这样会降低PMSM的带载能力，降低电机效率。

正常运行工况下的三相开绕组PMSM驱动***是基于整体SVPWM控制，通过基于a、b、c三相坐标系的SVPWM控制大大简化了整体的控制程序。对于容错后的SVPWM则基于90度坐标系，分区控制，整体上调制方法与传统的SVPWM控制趋于一致，但由于故障重构后的拓扑结构的特殊性，整个容错控制***程序复杂。

对于三相开绕组PMSM驱动***，出现单桥臂开路故障后，需保持PMSM的输出转矩能力，最大化提高容错后的转速输出能力，正常运行工况下基于a、b、c三相坐标系的SVPWM控制不能适用于故障侧逆变器的控制。由于故障重构后两个逆变器的电压有效矢量输出能力不对等，因此最大化利用双逆变器直流侧电压成为容错运行的重点。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明目的是提出一种基于解耦SVPWM的开绕组PMSM驱动***容错控制方法，使得容错后的双逆变器驱动***输出电压能力大、容错控制程序简化，同时也要兼顾双逆变器驱动***最大化利用。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于解耦SVPWM的开绕组PMSM驱动***容错控制方法，包括：

在双逆变器某一桥臂发生开路故障后，导通故障桥臂连接的电机相端点与直流侧滤波电容中点之间的双向晶闸管，实现拓扑结构的重构；

对重构后的拓扑结构基于解耦SVPWM进行容错控制，对故障侧逆变器基于90度坐标系进行SVPWM控制，对正常侧逆变器基于a、b、c三相坐标系进行SVPWM控制。

所述对重构后的拓扑结构基于解耦SVPWM进行控制的具体步骤包括：

(1)将PMSM输出的三相电流进行CLARK和PARK坐标变换，使三相静止坐标系转化为两相旋转坐标系，得到电流id和iq；

(2)给定转速与电机转速反馈经过转速环PI调节得到q轴参考电流；

(3)q轴参考电流与iq反馈经过q轴电流环PI调节得到q轴参考电压，0参考电流与id反馈进过d轴电流环PI调节得到d轴参考电压，将d轴电压和q轴电压经过Park逆变换得到参考电压v_ref；

(4)将v_ref按照两逆变器的电压输出能力比进行分配，得到故障侧逆变器参考电压v_ref1和正常侧逆变器参考电压v_ref2；

(5)根据v_ref1对故障侧逆变器基于90度坐标系进行SVPWM控制得到故障逆变器的开关信号，根据v_ref2对正常侧逆变器基于a、b、c三相坐标系进行SVPWM控制得到正常逆变器的开关信号。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：1)当双逆变器中某一桥臂发生开路故障后，通过对相应的双向可控晶闸管施加对应的导通信号，能够实现单桥臂开路故障拓扑重构。2)故障重构后的驱动***的最大输出电压有效矢量为正常时的0.75倍。3)故障后的容错控制算法无需扇区判断，简单易行。4)故障后的容错控制程序可以实现双逆变器直流侧电压利用率最大化。

附图说明

图1是本发明方法中的双电源供电的开绕组三相PMSM驱动***结构图；

图2是双电源供电的开绕组三相PMSM驱动***电压矢量图；

图3是双电源供电的开绕组三相PMSM驱动***单臂故障重构图；

图4是双电源供电的开绕组三相PMSM驱动***单臂故障重构后输出电压矢量图：

(a)故障侧逆变器电压矢量图，(b)正常侧逆变器电压矢量图；

图5是基于解耦SVPWM的开绕组PMSM驱动***容错控制结构图；

图6是解耦SVPWM的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

为便于理解本发明的技术方案，首先介绍一下三相开绕组PMSM双逆变器驱动***正常运行输出的有效电压矢量。图1为双电源供电的开绕组三相PMSM驱动***结构图，双逆变器的供电电压DC1、DC2都为E。

双逆变器***的每相桥臂存在两种开关状态，当上桥臂开关管导通时，开关状态记为“1”；当下桥臂开关管导通时，开关状态记为“0”，由此，双逆变器***的开关状态S_k可表示为：

(公式1)

其中，k为a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂。

双逆变器***产生的电压矢量v_r可以看做两个两电平逆变器单独作用所得电压空间矢量的叠加，即满足v_r＝v_s1-v_s2，其中v_s1、v_s2为每个逆变器相对应的电压空间矢量。每个逆变器有八种空间状态，依次为1、2、3、4、5、6、7、8，对应的开关组合为[100]、[110]、[010]、[011]、[001]、[101]、[000]和[111]。每个逆变器的输出有效最大电压矢量为2E/3，双逆变器的输出有效最大电压矢量为4E/3，如图2所示。

本发明实施例公开的一种基于解耦SVPWM的开绕组PMSM驱动***容错控制方法，包括双逆变器一桥臂开路故障后的拓扑结构重构，以及基于解耦SVPWM进行容错控制。

如图1所示，本发明基于的PMSM驱动***相对与传统的双电源开绕组驱动***，增加了6个双向晶闸管，分别位于逆变器每相桥臂中点与对应逆变器的供电电源中点之间，当检测到任一桥臂的开关管发生开路故障后，让对应的双向可控晶闸管导通，实现拓扑的重构。以逆变器1的a相桥臂为例，三相开绕组PMSM双逆变器驱动***单桥臂开路后重构图如图3所示，对于逆变器1，故障桥臂的中点相对于1点的电压为直流侧电压的一半，此时合成的电压空间矢量如图4所示，对应的电压矢量分别为v_1-1、v_1-2、v_1-3、v_1-4，幅值分别为E/3、E/3、正常侧逆变器输出的有效电压矢量v_2-1、v_2-2、v_2-3、v_2-4、v_2-5、v_2-6，幅值为2E/3。从图4可以看出故障侧逆变器输出的有效电压矢量圆的半径与正常侧逆变器输出的有效电压矢量园半径的值比为0.5，记为p。

图5-6为基于解耦SVPWM的开绕组PMSM驱动***容错控制结构示意图，本发明应用于此控制结构的基于解耦SVPWM的开绕组PMSM驱动***容错控制方法主要包括以下步骤：

步骤(1)：将传统的三相坐标系进行CLARK坐标变换，使三相静止坐标系转化为两相旋转坐标系。

步骤(2)：给定转速与电机转速反馈形成转速闭环。

步骤(3)：电流环采用id＝0控制方式，转速环经过PI调节后与坐标变换后的iq电流形成电流闭环，给定id与坐标变换后的id电流形成电流闭环，两者经过PI调节后形成d轴电压Ud和q轴电压Uq。根据d轴电压Ud和q轴电压Uq，经过Park逆变换形成参考电压v_ref。

步骤(4)：将v_ref按照两逆变器的电压输出能力比进行分配，得到故障侧逆变器参考电压v_ref1和正常侧逆变器参考电压v_ref2。

具体地，本发明通过解耦的SVPWM容错控制，即：

v_ref＝v_ref1—v_ref2 (公式2)

其中v_ref输入的参考电压，v_ref1、v_ref2分别为故障侧逆变器与正常侧逆变器的参考电压矢量。

我们可知v_ref的模必小于等于v_ref1、v_ref2的模值之和，因此要让两逆变器输出更大的有效电压矢量圆，我们可以把v_ref分解为两个角度互差180度的电压矢量，实现解耦控制。此外，结合图4中的两个逆变器的电压矢量图我们可以看出只有v_1-1、v_2-1，v_1-3、v_2-4这两对电压矢量的角度相等，因此由两逆变器输出的电压矢量组成的整体电压矢量图的半径必小于两个逆变器输出的电压矢量圆半径之和。因此根据解耦控制，两个逆变器得到的电压矢量圆的半径值大于整体矢量控制时的值。

故v_ref按照两逆变器的电压输出能力比进行分配，故障侧逆变器与正常侧逆变器的输出参考电压比为p，即v_ref1为v_ref/3，v_ref2为-2v_ref/3。

步骤(5)：根据v_ref1对故障侧逆变器基于90度坐标系进行SVPWM控制得到故障逆变器的开关信号，根据v_ref2对正常侧逆变器基于a、b、c三相坐标系进行SVPWM控制得到正常逆变器的开关信号。

重构后的驱动***双逆变器故障侧逆变器采用基于90度坐标系的SVPWM矢量控制调制策略如下：

由图4可知，故障侧逆变器的输出电压矢量图分为4个区间，记为1-1、1-2、1-3、1-4，相邻扇区互差90度。

①对故障侧合成电压矢量作用时间进行计算

当v_ref1落入1-1区间时，由v_1-1、v_1-2合成，作用时间分别为t_1-1、t_1-2，t_s为开关管导通周期。根据伏秒特性，可得出：

v_1-1×t_1-1+v_1-2×t_1-2＝v_ref1×t_s (公式3)

v_ref1＝v_α1+jv_β1 (公式4)

其中v_α1与v_β1为v_ref1在α、β坐标系下的投影分量。

令m＝3v_α1×t_s/E， $n=\sqrt{3}{v}_{\mathrm{\β}1}\×t_s/E$

可以求出逆变器每相的导通时间：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Tsb}1=0.5\×(t_s+n-m)\\ \mathrm{Tsc}1=0.5\×(t_s-n-m)\end{array}\right.$ (公式5)

其中Tsb1，Tsc1为开关管b、c两相的导通时间。

根据1-1扇区的计算方法，同样可其余三个扇区两开关管的导通时间。通过计算，四个扇区的开关管的导通时间都为公式5。

②故障侧合成电压矢量的开通序列

为了降低开关管的开断次数，每次开关序列的变更只改变一个开关管的导通与关断。由于此时的开关组合没有零矢量，因此通过v_1-2，v_1-4的作用时间相等，合成零矢量。因此S_b1S_c1的开通方式为五段码，即开通序列为00-10-11-10-00。

重构后的驱动***双逆变器正常侧的逆变器采用基于a、b、c三相坐标系的SVPWM矢量控制调制策略如下：

由图4可知，该逆变器的输出电压矢量图分为6个区间，记为2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6，相邻扇区互差60度。

①对正常侧合成电压矢量作用时间进行计算

当v_ref2落入2-1区间时，由v_2-1、v_2-2合成，根据伏秒特性，可得出：

v_ref2×t_s＝v_2-1×t_2-1+v_2-2×t_2-2 (公式6)

根据公式5，可得α、β坐标系下的投影展开可得v₂-₁、v₂-₂的作用时间t_2-1、t_2-2：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{2-1}=(\frac{3}{2}{v}_{\mathrm{\α}2}-\frac{\sqrt{3}}{2}{v}_{\mathrm{\β}2})\×t_s/E\\ t_{2-2}=\frac{\sqrt{3}}{2}{v}_{\mathrm{\β}2}\×t_s/E\end{array}\right.$ (公式7)

其中v_α2与v_β2为v_ref2在α、β坐标系下的投影分量。

根据坐标变换：

$\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right]=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 1/\sqrt{2}\\ -0.5& \sqrt{3}/2& 1/\sqrt{2}\\ -0.5& -\sqrt{3}/2& 1/\sqrt{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}2}\\ v_{\mathrm{\β}2}\end{array}\right]$ (公式8)

可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{2-1}=(v_a-v_b)\×t_s/E\\ t_{2-2}=(v_b-v_c)t_s/E\end{array}\right.$ (公式9)

$\left\{\begin{array}{c}a=v_a\×t_s/E\\ b=v_b\×t_s/E\\ c=v_c\×t_s/E\end{array}\right.$ (公式10)

可以求出逆变器每相的导通时间：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Tsa}2=a+\frac{t_s}{2}-\frac{1}{2}(a+c)\\ \mathrm{Tsb}2=b+\frac{t_s}{2}-\frac{1}{2}(a+c)\\ \mathrm{Tsc}2=c+\frac{t_s}{2}-\frac{1}{2}(a+c)\end{array}\right.$ (公式11)

其中Tsa2,Tsb2，Tsc2为开关管a、b、c三相的导通时间。

设a、b、c中的最大值为x，最小值为y

在第一扇区内，a、b、c的最大值为a，最小值为c，所以代入公式10可得

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Tsa}2=a+\frac{t_s}{2}-\frac{1}{2}(x+y)\\ \mathrm{Tsb}2=b+\frac{t_s}{2}-\frac{1}{2}(x+y)\\ \mathrm{Tsc}2=c+\frac{t_s}{2}-\frac{1}{2}(x+y)\end{array}\right.$ (公式12)

以同样的方法计算出其余5个扇区各开关管的导通时间，且各个区间内各相开关管导通时间均为公式11所述。

②正常侧合成电压矢量的开通序列

为了降低开关管的开断次数，每次开关序列的变更只改变一个开关管的导通与关断。S_a2S_b2S_c2的开通方式为五段码，即开通序列为000-100-110-111-110-100-000。

Claims (4)

1.一种基于解耦SVPWM的开绕组PMSM驱动***容错控制方法，其特征在于包括：

在双逆变器某一桥臂发生开路故障后，导通故障桥臂连接的电机相端点与直流侧滤波电容中点之间的双向晶闸管，实现拓扑结构的重构；

对重构后的拓扑结构基于解耦SVPWM进行容错控制，对故障侧逆变器基于90度坐标系进行SVPWM控制，对正常侧逆变器基于a、b、c三相坐标系进行SVPWM控制；

所述对重构后的拓扑结构基于解耦SVPWM进行控制的具体步骤包括：

(1)将PMSM输出的三相电流进行CLARK和PARK坐标变换，使三相静止坐标系转化为两相旋转坐标系，得到电流id和iq；

(2)给定转速与电机转速反馈经过转速环PI调节得到q轴参考电流；

(3)q轴参考电流与iq反馈经过q轴电流环PI调节得到q轴参考电压，0参考电流与id反馈进过d轴电流环PI调节得到d轴参考电压，将d轴电压和q轴电压经过Park逆变换得到参考电压v_ref；

(4)将v_ref按照两逆变器的电压输出能力比进行分配，得到故障侧逆变器参考电压v_ref1为v_ref/3和正常侧逆变器参考电压v_ref2为-2v_ref/3；

(5)根据v_ref1对故障侧逆变器基于90度坐标系进行SVPWM控制得到故障逆变器的开关信号，根据v_ref2对正常侧逆变器基于a、b、c三相坐标系进行SVPWM控制得到正常逆变器的开关信号；

所述步骤(5)中基于90度坐标系进行SVPWM控制时对故障侧合成电压矢量作用时间的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}Tsb1=0.5\×(t_s+n-m)\\ Tsc1=0.5\×(t_s-n-m)\end{array}\right.$

其中，设a相开路，Tsb1，Tsc1为开关管b、c两相的导通时间，m＝3v_α1×t_s/E，t_s为开关管导通周期，v_α1与v_β1为v_ref1在α、β坐标系下的投影分量，E为逆变器的供电电压。

2.根据权利要求1所述的基于解耦SVPWM的开绕组PMSM驱动***容错控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中基于90度坐标系进行SVPWM控制时故障侧合成电压矢量的S_b1S_c1的开通方式为五段码，即开通序列为00-10-11-10-00，1表示每相上桥臂导通，0表示每相下桥臂导通。

3.根据权利要求1所述的基于解耦SVPWM的开绕组PMSM驱动***容错控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中基于a、b、c三相坐标系进行SVPWM控制时对正常侧合成电压矢量作用时间的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}Tsa2=a+\frac{t_s}{2}-\frac{1}{2}(x+y)\\ Tsb2=b+\frac{t_s}{2}-\frac{1}{2}(x+y)\\ Tsc2=c+\frac{t_s}{2}-\frac{1}{2}(x+y)\end{array}\right.$

其中，

$\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right]=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 1/\sqrt{2}\\ -0.5& \sqrt{3}/2& 1/\sqrt{2}\\ -0.5& -\sqrt{3}/2& 1/\sqrt{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}2}\\ v_{\mathrm{\β}2}\end{array}\right]$

其中Tsa2,Tsb2，Tsc2为开关管a、b、c两相的导通时间，x为a、b、c中的最大值，y为a、b、c中的最小值，t_s为开关管导通周期，v_α2与v_β2为v_ref2在α、β坐标系下的投影分量，E为逆变器的供电电压。

4.根据权利要求1所述的基于解耦SVPWM的开绕组PMSM驱动***容错控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中基于a、b、c三相坐标系进行SVPWM控制时正常侧合成电压矢量的S_a2S_b2S_c2的开通方式为七段码，即开通序列为000-100-110-111-110-100-000，1表示每相上桥臂导通，0表示每相下桥臂导通。