CN105915122B - 基于直接转矩控制的五相逆变器双电机***容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直接转矩控制的五相逆变器双电机***容错控制方法，包括以下步骤：利用直接转矩控制求得两台电机各自所需的相开关状态；将4个独立相开关状态直接作为4个独立桥臂开关状态；定义权重函数，公共桥臂开关状态根据权重函数值的大小从两个相开关状态中选择，结合直接得到的4个独立桥臂的开关状态，可以得到五相逆变器的5个桥臂的开关状态，进而控制五相逆变器驱动两台3相电机。本发明涉及的容错控制方法具有成本低、可靠性高、简单易行等优点。

Description

基于直接转矩控制的五相逆变器双电机***容错控制方法

技术领域

本发明是一种基于直接转矩控制的五相逆变器双电机***容错控制方法，属于电机驱动与控制技术领域。

背景技术

由于具有高效率、高转矩密度、高功率密度等优点，近几年永磁同步电机(PMSM)备受关注。在永磁同步电机驱动***中，逆变器尤为关键，一般一台三相电机由一个三相逆变器驱动。据报道，在电机驱动***的所有故障中，电力电子器件故障所占比重超过50％。一旦电力电子器件故障，永磁电机牵引***将严重受损。

迄今为止，学术界已经提出了多种逆变器容错方案，但是，大多数容错方案都是针对单电机***的，而很多场合需要多电机驱动***，例如轨道交通和电动汽车。近年来，国外有学者提出了一种五相逆变器双电机***，具体而言，就是用一台五相逆变器控制两台三相电机，比正常两台三相逆变器少了一相桥臂。五相逆变器双电机***为多电机驱动***提供了一种容错方案：在多电机驱动***中，当一个三相逆变器的单相桥臂发生故障时，可以把故障相并入另一个正常三相逆变器的一个桥臂，从而形成五相逆变器双电机***。本发明针对五相逆变器双电机***提出了一种基于直接转矩控制的容错控制方法。目前，针对五相逆变器双电机***的容错控制方法大致可以分为以下三类：

1.基于模型预测控制的五相逆变器双电机***容错控制方法。

这一类方法利用模型预测对多个电压矢量的作用效果进行预测，定义损耗函数，将损耗函数值最小的电压矢量作为最优电压矢量，在下一个周期施加给电机。这类方法具有理论性强的优点，但是，其缺点也很明显，模型预测方法要对多个电压矢量进行预测，对于5桥臂***最原始有32种组合，简化后目前最少也有8种，大量的计算导致开关频率较低，对控制器计算速度要求高。

2.基于电流滞环控制的五相逆变器双电机***容错控制方法。

这一类方法先利用电流滞环方法求得两台电机各自所需的相开关状态，将4个独立相开关状态直接作为4个独立桥臂开关状态，公共桥臂开关状态通过两台电机的电流误差大小来选择。这类方法具有算法简单，对硬件电路要求低的优点。其缺点是公共桥臂开关状态选择只考虑了电流误差，而没有考虑转矩误差。

3.基于空间矢量脉宽调制的五相逆变器双电机***容错控制方法。

这一类方法首先按照一定规则选取公共桥臂，通过空间矢量脉宽调制方法分别求得两台电机所需的3相占空比，再根据线电压不变的原则以公共桥臂的占空比为基准计算4个独立桥臂的等效占空比。这类方法具有逻辑严谨，控制效果好等优点。但是必须使用脉宽调制技术，对控制器要求高。

发明内容

技术问题：本发明的目的就是提出一种基于直接转矩控制的五相逆变器双电机***容错控制方法，该方法适用于永磁同步电机，首先利用直接转矩控制求得两台电机各自所需的相开关状态，将4个独立相开关状态直接作为4个独立桥臂开关状态，公共桥臂开关状态通过权重函数来选择，简单易行，对硬件***要求低，提高控制***的可靠性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种基于直接转矩控制的五相逆变器双电机***容错控制方法，依次包含以下步骤：

第一步：用电流传感器测量得到永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c；

第二步：根据永磁同步电机三相电流i_a、i_b、i_c和转子位置θ，通过式(1)计算得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，所述d轴和q轴为dq坐标系的横轴和纵轴；

第三步：根据dq轴电流、永磁磁链ψ_f和dq轴电感L_d、L_q，通过式(2)计算得到d轴磁链ψ_d和q轴磁链ψ_q：

第四步：根据dq轴磁链，通过式(3)计算得到α轴磁链ψ_α和β轴磁链ψ_β，所述α轴和β轴为αβ坐标系的横轴和纵轴，且所述dq坐标系和αβ坐标系的原点重合，横轴之间相位角为θ；

第五步：根据αβ轴磁链，通过式(4)计算得到定子磁链幅值ψ和定子磁链角θ_ψ：

第六步：根据dq轴电流、dq轴电感、永磁磁链ψ_f和电机极对数P_n，通过式(5)计算得到电磁转矩T_e：

第七步：磁链参考值ψ^*设置为永磁磁链ψ_f,即ψ^*＝ψ_f；根据目标转速ω^*、实际转速ω、比例系数K_p和积分系数K_i，通过式(6)计算得到电磁转矩参考值T_e ^*：

T_e ^*＝K_p(ω^*-ω)+K_i∫(ω^*-ω)dt 式(6)

第八步：根据电磁转矩参考值T_e ^*、电磁转矩T_e和滞环带宽H_Te，通过式(7)计算得到σ_Te：

第九步：根据磁链参考值ψ^*、定子磁链ψ和滞环带宽H_ψ，通过式(8)计算得到σ_ψ：

第十步：根据定子磁链角θ_ψ查表1得到定子磁链角所在扇区，再结合σ_Te和σ_ψ的值通过通过查表2得到所需电压矢量；

表1扇区划分

表2电压矢量表

第十一步：在每一个控制周期Ts，通过第一步至第十步分别求得电机1和电机2所需的电压矢量(s_A1，s_B1，s_C1)和(s_A2，s_B2，s_C2)；

第十二步：s_A1，s_B1，s_A2和s_B2直接作为4个独立桥臂的开关状态s₁，s₂，s₅和s₄，如式(9)所示：

第十三步：根据电机1的电磁转矩T_e1、电机1电磁转矩参考值T_e1 ^*和电机2的电磁转矩T_e2、电机2电磁转矩参考值T_e2 ^*，通过式(10)计算得到转矩误差ΔT_e1和ΔT_e2：

第十四步：根据电机1的定子磁链ψ₁、电机1定子磁链参考值ψ₁ ^*和电机2的定子磁链ψ₂、电机2定子磁链参考值ψ₂ ^*，通过式(11)计算得到磁链误差Δψ₁和Δψ₂：

第十五步：根据两台电机的转矩误差和磁链误差，以及转矩误差系数K_Te和磁链误差系数K_ψ，通过式(12)计算得到权重函数值G₁和G₂：

第十六步：根据权重函数值G₁和G₂，通过式(13)得到公共桥臂开关状态s₃，结合第十二步中得到的4个独立桥臂开关状态，能够得到五相逆变器5个桥臂的开关状态(s₁,，s₂，s₃，s₄，s₅)，进而控制五相逆变器驱动两台3相电机。

有益效果

该五相逆变器双电机***容错控制方法利用直接转矩控制求得两台电机各自所需的相开关状态，将4个独立相开关状态直接作为逆变器的4个独立桥臂开关状态，公共桥臂开关状态通过权重函数来选择，简单易行。具体到本发明的技术方案，具有如下优点：

1.与现有的基于模型预测控制的五相逆变器双电机***容错控制方法相比，本发明方法计算量小，对控制器的要求低，开关频率高；

2.与现有的基于电流滞环控制的五相逆变器双电机***容错控制方法相比，本发明方法考虑了转矩误差和磁链误差，动态响应快；

3.与现有的基于空间矢量脉宽调制的五相逆变器双电机***容错控制方法相比，本发明方法简单易行，对硬件电路要求低。

附图说明

图1是五相逆变器双电机驱动***结构图；

图2是基于直接转矩控制的五相逆变器双电机***容错控制的结构图；

图3是dq坐标系和αβ坐标系；

图4是扇区划分及基本电压矢量；

图5(a)是转速实验结果；

图5(b)电机1的三相电流实验结果；

图5(c)电机1的电磁转矩实验结果；

图5(d)电机1的定子磁链实验结果；

图5(e)电机2的三相电流实验结果；

图5(f)电机2的电磁转矩实验结果；

图5(g)电机2的定子磁链实验结果。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的实施例进行说明。

本发明的实施例的驱动***结构如图1所示，包括：直流电压源、逆变电路、永磁同步电机、驱动电路、电压采样电路、电流采样电路、中央处理器。直流电压源给逆变电路提供直流母线电压，电压采样电路测量直流母线电压，电流采样电路测量电机三相电流。

本实施例中永磁同步电机的参数为：额定相电压U_N＝220V，极对数p_n＝4，定子相电阻R_s＝0.625Ω，直轴电感L_d＝8.5mH，交轴电感L_q＝8.5mH，永磁磁链ψ_f＝0.442Wb，额定转速n_N＝1500r/min。具体实验条件为：母线电压300V，开关频率20kHz，两台电机轴连。

如图2所示，实施例包含的具体步骤如下：

第一步：用电流传感器测量得到电机的三相电流i_a、i_b、i_c；

第二步：根据永磁同步电机三相电流i_a、i_b、i_c和转子位置θ，通过式(1)计算得到d轴电流i_d和q轴电流i_q：

第三步：根据dq轴电流、永磁磁链ψ_f和dq轴电感L_d、L_q，通过式(2)计算得到d轴磁链ψ_d和q轴磁链ψ_q：

第四步：根据dq轴磁链，通过式(3)计算得到α轴磁链ψ_α和β轴磁链ψ_β：

第五步：根据αβ轴磁链，通过式(4)计算得到定子磁链幅值ψ和定子磁链角θ_ψ：

第六步：根据dq轴电流、dq轴电感、永磁磁链ψ_f和电机极对数P_n，通过式(5)计算得到电磁转矩T_e：

第七步：磁链参考值ψ^*设置为永磁磁链ψ_f,即ψ^*＝ψ_f；根据目标转速ω^*、实际转速ω、比例系数K_p和积分系数K_i，通过式(6)计算得到电磁转矩参考值T_e ^*：

T_e ^*＝K_p(ω^*-ω)+K_i∫(ω^*-ω)dt 式(6)

第八步：根据电磁转矩参考值T_e ^*、电磁转矩T_e和滞环带宽H_Te，通过式(7)计算得到σ_Te：

第九步：根据磁链参考值ψ^*、定子磁链ψ和滞环带宽H_ψ，通过式(8)计算得到σ_ψ：

第十步：根据定子磁链角θ_ψ查表1得到定子磁链角所在扇区，再结合σ_Te和σ_ψ的值通过通过查表2得到所需电压矢量；扇区划分、基本电压矢量如图4所示；

表1扇区划分

表2电压矢量表

第十一步：在每一个控制周期Ts，通过第一步至第十步分别求得电机1和电机2所需的电压矢量(s_A1，s_B1，s_C1)和(s_A2，s_B2，s_C2)；

第十二步：s_A1，s_B1，s_A2和s_B2直接作为4个独立桥臂的开关状态s₁，s₂，s₅和s₄，如式(9)所示：

第十三步：根据电机1的电磁转矩T_e1、电机1电磁转矩参考值T_e1 ^*和电机2的电磁转矩T_e2、电机2电磁转矩参考值T_e2 ^*，通过式(10)计算得到转矩误差ΔT_e1和ΔT_e2：

第十四步：根据电机1的定子磁链ψ₁、电机1定子磁链参考值ψ₁ ^*和电机2的定子磁链ψ₂、电机2定子磁链参考值ψ₂ ^*，通过式(11)计算得到磁链误差Δψ₁和Δψ₂：

第十五步：根据两台电机的转矩误差和磁链误差，以及转矩误差系数K_Te和磁链误差系数K_ψ，通过式(12)计算得到权重函数值G₁和G₂：其中，转矩误差系数K_Te取值为0.4，磁链误差系数K_ψ取值为100。

第十六步：根据权重函数值G₁和G₂，通过式(13)得到公共桥臂开关状态s₃，结合第十二步中得到的4个独立桥臂开关状态，可以得到五相逆变器5个桥臂的开关状态(s₁,，s₂，s₃，s₄，s₅)，进而控制五相逆变器驱动两台3相电机。

为了保证步骤1～17顺利实施，需要特别指出如下几点：

1.dq坐标系和αβ坐标系如图3所示，dq轴是dq坐标系的横轴和纵轴，αβ轴是αβ坐标系的横轴和纵轴；

2.第十步中的扇区划分、基本电压矢量如图4所示；

3.第十五步中，转矩误差系数K_Te取值为0.4，磁链误差系数K_ψ取值为100。

实验结果如图5所示，包括转速、两台电机的相电流、电磁转矩和定子磁链，控制效果较好，实现了基于直接转矩控制的五相逆变器双电机***容错控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于直接转矩控制的五相逆变器双电机***容错控制方法，其特征在于：依次包含以下步骤：

第一步：用电流传感器测量得到永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c；

第二步：根据永磁同步电机三相电流i_a、i_b、i_c和转子位置θ，通过式(1)计算得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，所述d轴和q轴为dq坐标系的横轴和纵轴；

第三步：根据dq轴电流、永磁磁链ψ_f和dq轴电感L_d、L_q，通过式(2)计算得到d轴磁链ψ_d和q轴磁链ψ_q：

第四步：根据dq轴磁链，通过式(3)计算得到α轴磁链ψ_α和β轴磁链ψ_β，所述α轴和β轴为αβ坐标系的横轴和纵轴，且所述dq坐标系和αβ坐标系的原点重合，横轴之间相位角为θ；

第五步：根据αβ轴磁链，通过式(4)计算得到定子磁链幅值ψ和定子磁链角θ_ψ：

第六步：根据dq轴电流、dq轴电感、永磁磁链ψ_f和电机极对数P_n，通过式(5)计算得到电磁转矩T_e：

第七步：磁链参考值ψ^*设置为永磁磁链ψ_f,即ψ^*＝ψ_f；根据目标转速ω^*、实际转速ω、比例系数K_p和积分系数K_i，通过式(6)计算得到电磁转矩参考值T_e ^*：

第八步：根据电磁转矩参考值T_e ^*、电磁转矩T_e和滞环带宽H_Te，通过式(7)计算得到σ_Te：

第九步：根据磁链参考值ψ^*、定子磁链ψ和滞环带宽H_ψ，通过式(8)计算得到σ_ψ：

第十步：根据定子磁链角θ_ψ查表1得到定子磁链角所在扇区，再结合σ_Te和σ_ψ的值通过查表2得到所需电压矢量；

表1扇区划分

表2电压矢量表

第十一步：在每一个控制周期Ts，通过第一步至第十步分别求得电机1和电机2所需的电压矢量(s_A1，s_B1，s_C1)和(s_A2，s_B2，s_C2)；

第十二步：s_A1，s_B1，s_A2和s_B2直接作为4个独立桥臂的开关状态s₁，s₂，s₅和s₄，如式(9)所示：

第十三步：根据电机1的电磁转矩T_e1、电机1电磁转矩参考值T_e1 ^*和电机2的电磁转矩T_e2、电机2电磁转矩参考值T_e2 ^*，通过式(10)计算得到转矩误差ΔT_e1和ΔT_e2：

第十四步：根据电机1的定子磁链ψ₁、电机1定子磁链参考值ψ₁ ^*和电机2的定子磁链ψ₂、电机2定子磁链参考值ψ₂ ^*，通过式(11)计算得到磁链误差Δψ₁和Δψ₂：

第十五步：根据两台电机的转矩误差和磁链误差，以及转矩误差系数K_Te和磁链误差系数K_ψ，通过式(12)计算得到权重函数值G₁和G₂：

第十六步：根据权重函数值G₁和G₂，通过式(13)得到公共桥臂开关状态s₃，结合第十二步中得到的4个独立桥臂开关状态，能够得到五相逆变器5个桥臂的开关状态s₁，s₂，s₃，s₄，s₅；进而控制五相逆变器驱动两台3相电机：