[发明专利]一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法

说明书

本发明公开了一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法，包括如下步骤：当逆变器开关管出现开路故障后，先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构；通过PI控制器输出给定转矩；利用“电流法”估算定子磁链；通过给定转矩和估算转矩的差值得到负载角的变化量dδ，由最大转矩电流比控制给出参考定子磁链，并由此计算给定参考电压矢量。通过剩余的开关管进行改进式空间电压矢量脉宽调制重构，输出开关频率固定的双逆变器PWM控制信号给逆变器，在开关管开路故障下，保证故障下系统的安全、稳定运行，使系统具有良好的稳态和动态性能。

技术领域

本发明涉及三相永磁同步电机控制技术，具体是一种三相永磁同步电机基于改进式SVPWM的开绕组容错直接转矩控制(DTC)方法，适用于航空航天器、工业生产和制造、新能源汽车等领域。

背景技术

在人们工业生产及日常生活中，经常用到将电能转换成机械能的装置，既交流电机伺服系统。随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术已经具备了宽调速范围，高稳态精度，高转矩输出，快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，将交流电机伺服控制广泛应用于航空航天器，各种机器人及生活用电器的生产和制造中。

交流伺服系统的研究中，永磁同步电动机(PMSM)具有结构简单、运行稳定、损耗小、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等优点。和异步电动机相比，它由于是永磁体励磁，无需无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，定子电流和定子电阻损耗减小；与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，效率提高，实现了无刷化。加上我国丰富的稀土资源，稀土永磁材料的产量和性能以及生产工艺都已经处于国际先进水平，这为永磁同步电动机的发展提供了良好的基础条件。

永磁同步电机的控制理论研究，是多国竞相研究的重点问题。永磁同步电动机最初常用的控制方式是矢量控制。矢量控制可以实现交流电动机的解耦控制使交流电机获得与直流电机一样的控制性能，但是矢量控制引入了大量的解耦计算，使系统变得复杂。因此，在完善矢量控制的基础之上，迫切地希望能找到另外一种控制电机的方法，使得控制更为方便。

直接转矩控制(DTC)是继矢量控制之后发展起来的新一代高性能控制方法，具有动态响应快、结构简单、鲁棒性强以及无需转子位置信号和复杂的坐标变换等优点。传统DFC对磁链和转矩的控制采用滞环调节器，类似于bang-bang控制，一个周期只能作用单一的电压矢量，存在磁链和转矩脉动大和逆变器开关频率不固定等问题。

针对上述传统DTFC存在的弊端，国内外学者做了大量的研究，包括模型预测控制，模糊控制，占空比调制、滑膜控制等，上述方法均提升了系统正常下的运行性能，但在系统逆变器开关管故障下的性能是未知的。现有对永磁电机的直接转矩控制研究主要集中在系统正常下的运行性能，针对系统逆变器开关管故障的研究较少。开绕组是一种新颖的控制拓扑，由双逆变器组成，具有天然的硬件冗余性和容错性，非常适合容错控制。

针对DTC系统逆变器开关管开路故障的问题，本发明提出了一种基于改进式SVPWM的永磁同步电机开绕组容错直接转矩控制方法。在开关管开路故障下，通过先切断电机端口和故障逆变器开关管之间的连接，将电机端口连接至电源中点，通过剩余的开关管对系统拓扑进行容错重构。并通过剩余的开关管进行改进式空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)重构，实施直接转矩控制，输出开关频率固定的双逆变器PWM控制信号给逆变器，在开关管开路故障下，保证直流母线电压利用率为正常运行下的75％，保证故障下系统的安全、稳定运行，使系统具有良好的稳态和动态性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于永磁同步电机的直接转矩控制方法，用以解决永磁同步电机系统在逆变器开关管开路故障下稳定运行的问题。