[发明专利]一种基于四桥臂逆变器的永磁同步电机的断相容错控制系统及方法

权利要求书

1.一种基于四桥臂逆变器的永磁同步电机的断相容错控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤一、搭建断相容错控制系统，该系统包含：电流PI控制器模块(1)、坐标逆变换模块(2)、PWM波生成模块(3)、四桥臂逆变器模块(4)、永磁同步电机模块(5)、故障诊断模块(6)、坐标变换模块(7)、电流及角位置检测模块(8)，其中，电流及角位置检测模块(8)负责检测永磁同步电机模块(5)的三相绕组电流和转子角位置，并将模拟量转化为数字量，即AD转换；故障诊断模块(6)根据三相电流判断永磁同步电机模块(5)的健康状况，进而控制系统运行模式；坐标变换模块(7)负责将三相电流转化为同步旋转坐标系下电流反馈值；电流PI控制器模块(1)负责实现将同步旋转坐标系下的电流误差值转化为电压参考值；坐标逆变换模块(2)负责将同步旋转坐标系下的电压参考值转化为三相静止坐标系下的电压参考值；PWM波生成模块(3)根据三相电压参考值生成8路PWM波，并用于控制四桥臂逆变器模块(4)中的开关管，从而实现对永磁同步电机模块(5)的驱动控制，通过这8个模块信号的流通，实现断相故障前后电机的高性能运行；

步骤二、控制系统根据故障诊断模块(6)输出的电机健康状况来切换运行模式：

在正常情况下电机负载为三相对称负载，故障诊断模块根据三相电流判断电机处于无故障状态，将三个故障标志变量置零，即F_a＝F_b＝F_c＝0，使控制系统运行于常规模式下，即：坐标变换模块采用变换矩阵P，即a-b-c坐标系→d-q坐标系变换矩阵；坐标逆变换模块采用矩阵P^-1；PWM波生成模块采用基于载波的PWM调制方式，在该状态下，电机反馈的三相电流i_a、i_b、i_c通过故障诊断模块(6)后直接作为坐标变换模块(7)的输入，并通过坐标变换矩阵P转换为同步旋转坐标系下的反馈电流i_d、i_q；反馈电流i_d、i_q与电流参考值i_d^*、i_q^*相比较得到的电流误差值输入到电流PI控制器模块(1)中，而电流PI控制器根据误差值计算并输出参考电压u_d^*、u_q^*；u_d^*、u_q^*作为坐标逆变换模块(2)的输入，经过坐标反变换(P^-1)转换成三相参考电压u_an^*,u_bn^*,u_cn^*；三相参考电压输入到PWM波生成模块(3)中，并作为PWM波发生器的输入，PWM波发生器采用基于载波的PWM调制方式生成4路PWM开关信号S_a、S_b、S_c及S_n，再通过逻辑非运算生成4路取反开关信号这8路PWM开关信号作为该模块输出；由PWM波生成模块(3)生成的8路PWM开关信号被输入到四桥臂逆变器模块(4)中并控制8个开关管的状态，同时逆变器的四个桥臂分别与电机的四个终端对应连接，从而实现对电机的驱动控制；

一旦电机发生断相故障，故障诊断模块检测到电机发生故障并识别出故障类型，确定三相中发生故障的相，并将故障相对应故障标志信号置1，即令F_x＝0、F_y＝0、F_z＝1，x、y、z为电机A、B、C三相，其中x、y代表非故障相，z代表故障相，当A相故障时，x＝b、y＝c、z＝a；当B相故障时，x＝c、y＝a、z＝b；当C相故障时，x＝a、y＝b、z＝c，而系统中坐标逆变换模块(2)、PWM波生成模块(3)和坐标变换模块(7)这三个模块根据故障标志信号进行算法重构，使系统切换至故障运行模式：坐标变换模块采用变换矩阵(ST)_z，即从x-y静止坐标系到r-k同步坐标系的变换矩阵，坐标逆变换模块采用矩阵(ST)_z^-1，而PWM波生成模块进入故障运行模式，即在输出PWM开关信号之前，将故障相所对应的开关信号置零，在故障运行模式下，电机非故障相的电流反馈i_x、i_y通过坐标变换模块(7)的坐标变换矩阵(ST)_z转换为同步旋转坐标系下的反馈电流i_r,i_k；反馈电流i_r、i_k与电流参考值i_d^*、i_q^*比较得出的误差值作为电流PI控制器的输入，而控制器根据误差值计算并输出参考电压u_d^*、u_q^*；同步坐标系下的参考电压u_d^*、u_q^*输入到坐标变换模块(2)中，通过坐标逆变换模块(2)的坐标逆变换矩阵(ST)_z^-1转换成A、B、C三相参考电压u_an^*、u_bn^*、u_cn^*并输入至PWM波生成模块(3)中，其中，故障相对应的参考相电压恒为0，即u_zn^*＝0；PWM波生成模块以三相参考电压u_an^*、u_bn^*、u_cn^*作为基于载波的PWM调制算法的输入，生成4路PWM开关信号S_a、S_b、S_c及S_n，这4路开关信号通过逻辑非运算再生成4路取反开关信号及而在这8路PWM开关信号中，与故障相对应的一对开关信号S_a和被置零后，再与其余6路PWM开关信号为PWM波生成模块的输出；PWM波生成模块输出的8路开关信号通过信号线输入到四桥臂逆变器模块(4)中，并控制逆变器开关管的状态，从而逆变器的电路结构，而逆变器的三个非故障桥臂分别与电机的三个非故障终端对应连接，从而实现故障状态下电机的驱动控制。