[发明专利]一种五相永磁同步电机开路故障下的容错控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种五相永磁同步电机单相开路故障下的容错控制系统及方法，属于电机驱动及控制领域。

背景技术

相比与传统三相交流调速系统，多相交流调速系统具有以下优势：1)提高了电磁转矩脉动的频率，降低了转矩脉动的幅值；2)增加定子绕组相数，降低了功率器件的容量，避免了由功率器件串、并联所带来的均压、均流等问题；3)提高了系统的容错运行能力，能实现故障状态下的无扰容错运行。此外，与异步电机相比，永磁同步电机具有更高的效率和更大的功率密度等。因此，多相永磁同步电机调速系统在大功率输出和高可靠性场合，具有广泛的应用前景。

多相永磁同步电机调速系统中常见电气故障分为逆变器故障和电机本体故障，每种电气故障又可分为开路和短路两种形式。上述两种故障都会造成系统不对称，产生周期性转矩脉动，影响系统运行性能。容错控制的目的是保证电机调速系统在故障情况下仍具有一定的输出能力，维持系统的持续可靠运行。

另一方面，有限控制集模型预测控制能够根据被控对象的约束和离散特性在线解决优化问题，其结构简单，算法容易实现，而且具有良好的动态性能，近年来在电力电子和电机驱动领域被广泛研究与应用。

针对电压型逆变器供电的五相永磁同步电机驱动系统，中国发明专利《一种五相永磁同步电机有限集模型预测电流控制方法》(专利号为CN201611214528.4，公开日期为2017.03.15)公开了基于大矢量和中矢量合成的虚拟矢量的模型预测电流控制方法。中国发明专利《一种五相永磁同步电机模型预测转矩控制方法》(专利号为CN201710022345.0，公开日期为2017.06.06)公开了基于相邻4矢量的五相永磁同步电机模型预测转矩控制方法。上述专利所公开的模型预测控制方法能提高五相永磁同步电机驱动系统在正常运行时的性能，然而对故障状态下的五相永磁同步电机驱动系统模型预测控制研究较少。

发明内容

本发明针对单相开路故障的五相永磁同步电机驱动系统，提供了一种基于简化电压集和占空比优化的模型预测容错控制系统及方法，该方法能保证五相永磁同步电机驱动系统在发生开路故障后仍然具有较好的运行性能，提高了系统带故障运行能力。

本发明采用的技术方案为：一种五相永磁同步电机开路故障下的容错控制系统，包括转速PI控制器、电流重构模块、价值函数优化模块、占空比控制模块、逆变器、电流传感器、单相开路故障的五相永磁同步电机、编码器、基本电压矢量作用时间计算模块和电流预测模块；

转速参考值和经编码器反馈得到的实际转速相比较，其转速差值输入至转速PI控制器；转速PI控制器输出基波空间交轴电流参考值，并输入给电流重构模块，重构后的相电流经过拓展Clark变换得到基波空间两相静止电流参考值；电流重构模块的输出和电流预测模块的输出(其输入为基本电压矢量作用时间计算模块和电流传感器二者的输出)同时输送至价值函数优化模块；价值函数优化模块输出最优基本电压矢量及其作用时间至占空比控制模块；占空比控制模块输出占空比信号至逆变器；逆变器输出最优电压至单相开路故障下的五相永磁同步电机；电流传感器采集到的四相电流输送给基本电压矢量作用时间计算模块；基本电压矢量作用时间计算模块和电流传感器二者的输出送至电流预测模块。

一种五相永磁同步电机开路故障下的容错控制方法，包括以下步骤：

步骤一：当单相绕组发生开路故障后，转速控制器获得基波空间中的交轴电流参考值，电流重构模块将重构后的相电流通过拓展Clark变换，得到基波空间两相静止电流参考值；

计算基波空间交轴电流参考值i_q1^*：检测电机实际转速n，将转速参考值n^*与实际转速n的差值e_n输入转速PI控制器，根据公式(1)获得基波空间交轴电流参考值i_q1^*；

其中，K_P和K_I分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；

计算重构相电流i_B’、i_C’、i_D’和i_E’：采集实时转子位置θ_r，为能够保证五相永磁同步电机发生单相开路故障后合成磁动势不变，将基波空间中的交、直轴电流参考i_q1^*和i_d1^*根据公式(2)进行电流重构；