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【发明授权】基于功率不变原则的90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法_哈尔滨工业大学_201810764020.4 

申请/专利权人:哈尔滨工业大学

申请日:2018-07-12

公开(公告)日:2021-05-07

公开(公告)号:CN108923723B

主分类号:H02P29/028(20160101)

分类号:H02P29/028(20160101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2021.05.07#授权;2018.12.25#实质审查的生效;2018.11.30#公开

摘要:基于功率不变原则的90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法,属于多相容错永磁电机领域,本发明为解决常规90°相带角的四相永磁同步电机在一相短路故障时,电机转矩输出能力弱、转矩波动大的问题。本发明方法在电机发生端部短路故障时通过调整其它非短路相的电流来维持电机输出功率不变。在电机发生开关管短路故障时,先控制相对桥臂相同位置开关管导通,调整其它非短路相的电流来维持电机输出功率不变,这种方法削弱逆变器开关管短路故障对电机的影响,减小了后续容错控制的难度。

主权项:1.基于功率不变原则的90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法,其特征在于,以D相绕组端部短路为例来说明当其中任意一相发生绕组端部短路故障时,在不约束零序电流大小条件下,所述短路故障容错控制方法为:调整A、B、C相绕组的电流按 进行工作,以维持电机输出功率不变;式中:E0为电机空载反电势基波幅值;Ω为电机转子机械角速度;Te为电机正常运行状态下的电磁转矩;Tshort为短路电流产生的转矩,且按获取,其中R0为短路相绕组电阻;L0为短路相绕组电感;ω为电机定子电流角频率。

全文数据:基于功率不变原则的90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法技术领域[0001]本发明属于多相容错永磁电机领域,涉及电机短路故障容错技术。背景技术[0002]近年来中国大力发展航天事业,在载人航天、卫星通信和太空探测等方面取得了一系列突出的成就,我国航天事业正在迎来新的发展时期。航天伺服系统对可靠性和容错性要求较高,然而,传统的三相永磁同步电机在电机发生绕组开路或短路故障的时候,电机的输出转矩会发生剧烈变化,甚至于不能工作。四相容错永磁电机的相冗余特性使其具有一定的故障容错能力,满足航天伺服领域对可靠性、容错性和伺服性能等方面的需求。[0003]电机相短路故障是指电机某一相由于端部互相接触短路而形成的一种电机故障,通常由绕组端部短路或逆变器功率器件短路造成。对于四相容错永磁电机,当某相发生短路故障时,由于单层分数槽集中绕组各相之间磁耦合小,无法通过调整剩余相电流来抑制短路相电流,也无法从逆变器端对故障相进行切除和隔离。因此,当四相容错永磁电机的某相发生短路故障时,如何通过重构剩余相电流实现对转矩的补偿,抵消故障相产生的影响极具现实意义。发明内容[0004]本发明目的是为了解决常规90°相带角的四相永磁同步电机在一相短路故障时,电机转矩输出能力弱、转矩波动大的问题,提供了基于功率不变原则的90°相带角四相永磁同步电机一相短路故障容错控制方法。[0005]若忽略电机相间互感,当四相永磁同步电机任意一相发生绕组端部短路故障时,短路相电流由两部分构成:正弦稳态电流分量和随时间衰减的暂态分量。[0006]稳态电流表达式为:[0008]式中:为短路相绕组电阻;Lo为短路相绕组电感;ω为电机定子电流角频率;N为电机绕组匝数;kdp为电机绕组因数;®pm-D为与短路相绕组耦合的永磁磁通;θ〇为零时刻电机短路相绕组轴线与转子永磁体直轴间的夹角。[0009]暂态电流表达式为:[0011]稳态短路电流产生的转矩表达式为:[0013]式中:Eo为电机空载反电势基波幅值;Ω为电机转子机械角速度。[0014]当四相永磁同步电机发生逆变器开关管短路故障时,系统检测到某一开关管发生短路之后,通过控制相对桥臂相同位置开关管导通,削弱逆变器开关管短路故障对电机的影响,减小了后续容错控制的难度。短路相绕组中的电流与一相绕组端部短路故障时相似。[0015]本发明所述基于功率不变原则的90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法包括三个方案。[0016]第一个方案:适用于不约束零序电流大小条件,任一相绕组端部短部。[0017]以D相绕组端部短路为例来说明当其中任意一相发生绕组端部短路故障时,所述短路故障容错控制方法为:[0018]调整A、B、C相绕组的电流按[0022]进行工作,以维持电机输出功率不变;[0023]式中:Te为电机正常运行状态下的电磁转矩;[0024]且按获取,其中。[0025]优选地,不约束零序电流的情况下采用四相全桥逆变器为四相永磁同步电机供电。[0026]第二个方案:适用于不约束零序电流大小条件,任一相开关管短部。[0027]以D相开关管短路为例来说明当其中任意一相发生开关管短路故障时,在不约束零序电流大小条件下,所述短路故障容错控制方法为:[0028]首先,令D相中另一桥臂、与短路开关管位置对应的开关管保持一直导通状态;[0029]然后,调整A、B、C相绕组的电流按[0033]进行工作,以维持电机输出功率不变;[0034]式中:Eo为电机空载反电势基波幅值;[0035]Ω为电机转子机械角速度;[0036]Te为电机正常运行状态下的电磁转矩;[0037]Tshcirt为短路电流产生的转矩,[0038]且按:获取,其中;[0039]Ro为短路相绕组电阻;Lo为短路相绕组电感;ω为电机定子电流角频率。[0040]优选地,采用四相全桥逆变器为四相永磁同步电机供电。[0041]第三个方案:适用于约束零序电流为零的条件,绕组端部短路[0042]以D相绕组短路为例来说明当其中任意一相发生绕组端部短路故障时,所述短路故障容错控制方法为:[0043]调整A、B、C相绕组的电流按[0047]进行工作,以维持电机输出功率不变。[0048]优选地,约束零序电流为零的情况下采用四相半桥逆变器为四相永磁同步电机供电。[0049]本发明的有益效果:本发明公开一种基于功率不变原则的90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法,在保证了电机最大输出转矩不变的前提下,有效的降低了四相电机发生一相短路故障时容错运行的转矩波动,同时保证了容错运行状态下的铜损最小。附图说明[0050]图1是四相半桥逆变器拓扑示意图;[0051]图2是四相全桥逆变器拓扑示意图;[0052]图3是90°相带角四相永磁同步电机的绕组空间排布方式图;[0053]图4是一相绕组短路和逆变器开关管短路两种故障下的电机空载转矩波形图;[0054]图5是逆变器开关管短路故障时开通相对桥臂相同位置开关管后的短路电流路径图;[0055]图6是逆变器开关管短路故障时封锁各门极驱动信号后的短路电流波形图;[0056]图7是本发明D相短路后在不约束零序电流条件下由剩余的A、B、C相三相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流波形图;[0057]图8是本发明D相短路后在约束零序电流条件下由剩余的A、B、C相三相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流波形图;[0058]图9是本发明D相短路后不施加容错控制方法时的转矩波形图,以及在不约束约束零序电流条件下由剩余的A、B、C相进行补偿后的转矩波形图。具体实施方式[0059]以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题,并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是,只要不构成冲突,本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合,所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。[0060]本实施方式所述基于功率不变原则的90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法,给出的是调整前后四相电机瞬时功率不变的情况。[0061]90°相带角四相永磁同步电机供电的原理示意图如图1和图2所示。90°相带角四相永磁同步电机的绕组空间排布方式图如图3所示。若不考虑电机的相间磁耦合,当电机发生一相绕组端部短路故障后,短路相电流由两部分构成:正弦稳态电流分量和随时间衰减的暂态分量,下面分别对这两种电流成分进行分析:[0062]1稳态电流部分[0063]稳态电流表达式为:I[0065]2暂态电流部分[0066]暂态电流表达式为:[0068]式中:Ido为t=0时亥IjD相绕组电流值。[0069]当电机发生逆变器开关管短路故障后,电机绕组中的短路电流也要经历暂态过程和稳态过程,如果该类故障发生时封锁各门极驱动信号,则电机短路电流暂态过程持续时间变短,稳态短路电流变为脉动直流,平均值不为零,并且幅值相比一相绕组短路故障中故障情况显著增大。两种端部短路故障下的电机空载转矩波形如图4所示。[0070]当电机发生逆变器开关管短路故障后,如果系统检测到图5中的开关管VT3发生短路之后,封锁开关管VT2、VT4的门极驱动信号,保持开关管VT1处于常开状态,此时电流路径如图5所示,正向电流经由VD1、正极直流母线、VT3流回电机绕组,负向电流经由VT3和VD3、正极直流母线、VIV流回电机绕组,此时,短路相绕组中的电流与一相绕组短路故障情况相似,均为双向流动状态。经过上述处理,逆变器开关管短路故障对电机的影响被削弱,并且减小了后续容错控制的难度。[0071]第一个实施例:不约束零序电流大小,采用四相全桥为四相永磁同步电机供电,D相端部短路。[0072]在D相短路的情况下,令电机输出的瞬时电磁功率与故障前保持一致,则需满足:[0074]式中:[0075]j为各相绕组编号,0,I,2分别代表A,B,C相。[0076]若电机各相绕组电气上互相隔离,则无需约束容错状态下的零序电流,在上式的基础上,进一步以铜损最小为目标定义目标函数:[0078]式中:P为目标函数,λ为系数山为相绕组电流,j=〇,l,2,即k代表A、B、C相绕组电流;[0079]由拉格朗日乘数法可解得剩余相绕组电流的表达式为:[0083]按照上述电流表达式对发生短路故障后的四相容错永磁电机进行控制,可以保证电机在容错运行前后输出功率不变;容错运行时电机铜损最小。[0084]第二个实施例:不约束零序电流大小,采用四相全桥,D相任一开关管短路。[0085]参见图2,A相由四只开关管构成全桥逆变器,分为两个桥臂,当第一个桥臂的上桥臂开关管短路时,首先将第二个桥臂的上桥臂开关管设置为一直导通状态。然后再按[0089]调整A、B、C相绕组电流。[0090]全桥逆变器开关管出现短路故障时若按照以往的处理方式封锁各门极驱动信号,则电机短路电流暂态过程持续时间变短,稳态短路电流变为脉动直流,平均值不为零,并且幅值相比绕组端部短路故障情况显著增大,短路电流波形如图6所示。按照该种处理方式不仅会使短路故障的影响加剧,也会增大容错控制的难度,本实施例所提出的方法可以削弱逆变器开关管短路故障对电机的影响,并且减小后续容错控制的难度,使逆变器开关管短路故障可以和绕组端部短路故障采用相同的容错控制方法。[0091]第三个实施例:约束零序电流为零,采用四相半桥逆变器为四相永磁同步电机供电,D相端部短路。[0092]在D相端部短路的情况下,若各相绕组电气上有耦合,还需要附加零序电流为零的约束条件,即:[0093]iA+iB+ic=0[0094]以铜损最小为目标定义的目标函数修正为:[0096]P为目标函数,心和\2为系数。[0097]由拉格朗日乘数法可解得剩余相绕组电流的表达式为:[0101]按照上述电流表达式对发生短路故障后的四相容错永磁电机进行控制,可以保证电机在容错运行前后输出功率不变;容错运行时电机铜损最小。[0102]—相短路故障容错运行时,不约束零序电流条件下补偿后的相电流波形如图7所示,约束零序电流条件下补偿后的相电流波形如图8所示,电机在不约束约束零序电流条件下进行补偿后的转矩波形如图9所示。在发生一相短路故障时,采用本文提出的方法进行补偿后,电机平均电磁转矩与故障前相当,并且电机转矩波动大大减小,容错控制效果好。[0103]虽然本发明所揭露的实施方式如上,但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式,并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员,在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下,可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化,但本发明的专利保护范围,仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

权利要求:1.基于功率不变原则的90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法,其特征在于,以D相绕组端部短路为例来说明当其中任意一相发生绕组端部短路故障时,在不约束零序电流大小条件下,所述短路故障容错控制方法为:调整A、B、C相绕组的电流按进行工作,以维持电机输出功率不变;式中:Eo为电机空载反电势基波幅值;Ω为电机转子机械角速度;Te为电机正常运行状态下的电磁转矩;TshOTt为短路电流产生的转矩,且按获取,其中Ro为短路相绕组电阻;Lo为短路相绕组电感;ω为电机定子电流角频率。2.根据权利要求1所述基于功率不变原则的90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法,其特征在于,不约束零序电流的情况下采用四相全桥逆变器为四相永磁同步电机供电。3.基于功率不变原则的90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法,其特征在于,以D相开关管短路为例来说明当其中任意一相发生开关管短路故障时,在不约束零序电流大小条件下,所述短路故障容错控制方法为:首先,令D相中另一桥臂、与短路开关管位置对应的开关管保持一直导通状态;然后,调整A、B、C相绕组的电流按进行工作,以维持电机输出功率不变;式中:Eo为电机空载反电势基波幅值;Ω为电机转子机械角速度;Te为电机正常运行状态下的电磁转矩;TshOTt为短路电流产生的转矩,且按获取,其中Ro为短路相绕组电阻;Lo为短路相绕组电感;ω为电机定子电流角频率。4.根据权利要求3所述90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法,其特征在于,采用四相全桥逆变器为四相永磁同步电机供电。5.基于功率不变原则的90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法,其特征在于,以D相绕组短路为例来说明当其中任意一相发生绕组端部短路故障时,在约束零序电流为零的条件下,所述短路故障容错控制方法为:调整A、B、C相绕组的电流按进行工作,以维持电机输出功率不变;式中:Eo为电机空载反电势基波幅值;Ω为电机转子机械角速度;Te为电机正常运行状态下的电磁转矩;TshOTt为短路电流产生的转矩,且按获取,其中Ro为短路相绕组电阻;Lo为短路相绕组电感;ω为电机定子电流角频率。6.根据权利要求5所述基于功率不变原则的90°相带角四相永磁电机短路故障容错控制方法,其特征在于,约束零序电流为零的情况下采用四相半桥逆变器为四相永磁同步电机供电。

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