五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路容錯磁場定向控制方法技術

本發明專利技術公開了一種五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路容錯磁場定向控制方法。根據故障前后行波磁動勢不變以及非故障相電流和為零的原則，求出非故障相容錯電流；采用內模控制器、一階慣性前饋電壓補償器、反電勢觀測器將該類電機在故障狀態下的非線性強耦合系統變換為一階慣性系統；在此基礎上求出非故障相電壓指令，將該電壓指令分別與各相反電勢相加，實現該電機不相鄰兩相短路故障后的磁場定向容錯控制。本發明專利技術不但抑制了電機不相鄰兩相短路故障導致的電機輸出推力波動，還能實現不相鄰兩相一相開路一相短路故障的容錯運行，且更為關鍵的是其動態性能、穩態性能和正常狀態下一致，電壓源逆變器開關頻率恒定，具有一定的通用性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種五相永磁電機不相鄰兩相短路故障容錯控制方法，特別是五相容錯永磁直線電機不相鄰兩相短路故障容錯磁場定向控制方法。適用于航空航天、電動汽車、深海、醫療器械等對電機的可靠性和動態性能有較高要求的場合。
技術介紹
隨著社會的發展以及人們生活水平的提高，對汽車駕乘的舒適性和安全穩定性要求越來越高。作為現代汽車的重要組成部分，懸架系統性能對汽車行駛平順性和操作穩定性等有著極其重要的影響，因此主動懸架系統的研究受到業內高度重視。作為主動電磁懸架系統的核心部件，圓筒直線電機研究受到重視。電機在短路故障狀態下的容錯性能，直接決定著電磁懸架的可靠性和連續運行的能力。容錯電機在某一相或某兩相發生短路故障時，電機仍然具有一定的推力或者轉矩輸出能力，但是推力或者轉矩波動很大，噪聲增大，嚴重影響系統性能。容錯控制的目標是針對不同應用場合對容錯電流進行優化，使電機在故障狀態下的輸出推力或者轉矩盡量平滑，并且使電機性能達到或接近故障前的性能。中國專利技術專利申請號為201510059387.2的專利《一種五相容錯永磁電機的短路容錯控制方法》針對五相容錯表貼式永磁旋轉電機，將短路故障對電機轉矩的影響分解為兩部分：一部分是開路故障對轉矩的影響；另一部分是短路電流對轉矩影響。針對開路故障，采用故障前后磁動勢和不變原則以及故障后電流幅值相等原則，優化剩余非故障相的相電流；針對短路電流引起的轉矩波動，采用故障后磁動勢為零和銅耗最小原則求出非故障相補償電流；最后兩部分電流相加，求得剩余非故障相的電流指令。根據求得的剩余非故障相電流采用電流滯環控制策略，對五相容錯表貼式永磁旋轉電機進行控制。該方法用于抑制短路相電流導致轉矩波動的剩余非故障相補償電流的幅值是常數，與電機轉速無關，且剩余非故障相的補償電流之和不為零。目前，常用的容錯控制方法是：計算出容錯電流，然后采用電流滯環策略進行控制。但是，該方法存在開關頻率雜亂、噪聲大、電機動態性能差等問題，不適合功率較大以及對電機動態性能要求高的場合。中國專利技術專利申請號為201510661212.9的專利《一種內嵌式混合磁材料容錯圓筒直線電機短路容錯矢量控制方法》針對五相混合磁材料內嵌式容錯直線電機一相短路故障，采用以上相同方法優化剩余非故障電流，然后采用矢量控制策略實現該電機一相短路故障情況的矢量運行。盡管該方法實現了該類電機系統在短路故障狀態下的高容錯性能、高動態性能、電流良好的跟隨性，但該方法無法實現兩相短路故障情況下的矢量控制。
技術實現思路
針對現有電機容錯控制技術中存在的不足，根據五相永磁體內嵌式容錯直線電機的特性和該類電機不相鄰兩相短路故障特點，本專利技術目的是克服電機不相鄰兩相短路故障后現有容錯策略使用電流滯環控制導致逆變器開關頻率雜亂、電機響應速度下降、動態性能差、電流無法精確跟隨、噪聲嚴重的缺點、傳統電流PI控制由于響應快速性和超調的矛盾引起參數調節困難的問題，以及現有容錯矢量控制策略無法實現兩相短路故障情況的容錯運行，提出一種用于本專利技術的五相永磁體內嵌式容錯直線電機的不相鄰兩相短路容錯轉子磁場定向控制方法，實現了反電勢的精確估算，降低控制器參數調節難度，實現該類電機系統在不相鄰兩相短路故障狀態下的高容錯性能、高動態性能、電流良好跟隨性，減小CPU開銷，實現逆變器開關頻率恒定、降低噪聲，進而提高本專利技術的五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路故障狀態下的動態性能和可靠性。本專利技術用于五相永磁體內嵌式容錯直線電機的容錯磁場定向控制方法采用如下技術方案：一種用于五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路容錯磁場定向控制方法，包括以下步驟：步驟1，建立五相永磁體內嵌式容錯直線電機模型；步驟2，永磁體內嵌式容錯直線電機分為A、B、C、D、E這五相，當電機發生B相和E相短路故障時，根據電機故障前后行波磁動勢不變原則以及剩余非故障相電流之和為零的約束條件，求出B相和E相短路故障后電機容錯運行的非故障相電流；步驟3，根據步驟2獲得的剩余三相非故障相電流求出這三相非故障相電流在同步旋轉坐標系上的電流；步驟4，設計一階慣性前饋電壓補償器，同步旋轉坐標系上的電流指令經一階慣性環節獲得前饋補償電壓，同時該電流指令和反饋電流的差值經電流內模控制器得控制電壓與前饋補償電壓相加得到同步旋轉坐標系上的電壓指令；步驟5，根據步驟3獲得的非故障相在同步旋轉坐標系上的電流表達式以及動子永磁磁鏈設計反電勢觀測器觀測相反電勢；步驟6，根據步驟2獲得的非故障相電流表達式，以及故障相短路電流和其反電勢之間的關系，求出非故障相電壓指令；步驟7，將步驟6所得到的非故障相電壓指令和各相反電勢分別相加得到期望相電壓指令，將該期望相電壓指令經電壓源逆變器，采用CPWM調制方法實現五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路故障后的容錯磁場定向無擾運行。當B發生開路故障E相發生短路故障時，電機容錯磁場定向運行在同步旋轉坐標系上的電流是步驟3中isc_B＝0的情況，自然坐標系上非故障相電壓指令是步驟6中eB＝0的情況。當B發生短路故障E相發生開路故障時，電機容錯磁場定向運行在同步旋轉坐標系上的電流是步驟3中isc_E＝0的情況，自然坐標系上非故障相電壓指令是步驟6中eE＝0的情況。本專利技術具有以下有益效果：1、本專利技術在保證電機任意不相鄰兩相短路故障前后電機輸出推力相等的前提下，不但能有效抑制電機推力波動，而且更為關鍵的是能使電機容錯運行情況下的動態性能、電流跟隨性能和正常狀態下的性能一致，并且無需復雜的計算，電壓源逆變器開關頻率恒定、噪聲低、CPU開銷小，算法具有一定的通用性。2、采用本專利技術不相鄰兩相短路容錯磁場定向控制策略后，該類電機在C相和D相短路故障情況下容錯運行時，其動態性能、穩態性能和電機正常狀態下一樣，且輸出推力幾乎沒有波動，在電機系統允許的最大電流極限值以下，電磁推力和故障前保持一致，實現了無擾容錯運行。3、由本專利技術中的剩余非故障相電流在同步旋轉坐標系上無脈動。而采用傳統磁場定向控制在不相鄰兩相短路故障狀態下剩余非故障相的電流在同步旋轉坐標系上脈動。4、反電勢觀測器實現了該類電機不相鄰兩相短路故障情況下的反電勢精確估算，從而實現了該類電機不相鄰兩相短路故障情況下的容錯磁場定向運行。5、和電流PI控制器相比，電流內模控制器和反電勢觀測器以及一階慣性前饋電壓補償器相結合將該類電機在不相鄰兩相短路故障狀態下的非線性強耦合系統變換為一階慣性系統，降低了控制器參數整定難度，保證了該類電機系統在不相鄰兩相短路故障狀態下電流跟隨性能、穩態性能、動態性能，使電機動態性能、穩態性能和電機故障前的性能一致，并且能夠實現無超調快速響應。6、零序電壓諧波注入的CPWM調制和磁場定向容錯相結合，提高了逆變器母線電壓利用率，同時減小了容錯磁場定向控制算法的復雜性，降低了CPU開銷。7、不相鄰兩相短路容錯磁場定向控制策略、反電勢估算策略、電流內模控制策略、一階慣性前饋電壓補償策略、CPWM調制技術與五相永磁體內嵌式容錯直線電機相結合，大大提高了該電機在不相鄰兩相短路故障狀態下的容錯性能、動態性能和穩態性能，節省了CPU開銷。和電流滯環控制相比，降低了噪聲，降低了電磁兼容設計難度。進而使得該電機在不相鄰兩相短路故障狀態下控制精度高，電流跟隨性能好，電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路容錯磁場定向控制方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，建立五相永磁體內嵌式容錯直線電機模型；步驟2，永磁體內嵌式容錯直線電機分為A、B、C、D、E這五相，當電機發生B相和E相發生短路故障時，根據電機故障前后行波磁動勢不變原則以及剩余非故障相電流之和為零的約束條件，求出該故障下電機容錯運行的非故障相電流指令iA*iC*iD*=2.2350.618cos00cos3π5sin3π5cos(-3π5)sin(-3π5)(cosθ-sinθsinθcosθid*iq*+-0.1237isc_B-0.1237isc_E-0.3806isc_B-0.3806isc_E)]]>或者，iA*iC*iD*=2.2350.618cos00cos3π5sin3π5cos(-3π5)sin(-3π5)cosθ-sinθsinθcosθid*iq*+-0.1708-0.1708-0.72360.89440.8944-0.7236isc_Bisc_E]]>式中，分別是旋轉坐標系下d軸、q軸的電流指令，θ為電角度v直線電機動子運動電速度，τ為極距，isc_B和isc_E分別是B相和E相的短路電流；步驟3，根據步驟2獲得的剩余三相非故障電流求出這三相非故障相電流在同步旋轉坐標系上的電流(id、iq)idiq=cosθsinθ-sinθcosθ(0.618cos01.28cos3π51.28cos(-3π5)1.280sin3π54.043sin(-3π5)4.043iAiCiD--0.1237isc_B-0.1237isc_E-0.3806isc_B+0.3806isc_E)]]>或者，idiq=cosθsinθ-sinθcosθ0.618cos01.28cos3π51.28cos(-3π5)1.280sin3π54.043sin(-3π5)4.043(iAiCiD--0.1708-0.1708-0.72360.89440.8944-0.7236isc_Bisc_E)]]>步驟4，設計一階慣性前饋電壓補償器，同步旋轉坐標系上的電流指令經一階慣性環節獲得前饋補償電壓電流指令和反饋電流(id、iq)的差值經電流內模控制器得控制電壓(ud0、uq0)，將該電壓與前饋補償電壓相加得到同步旋轉坐標系上的電壓指令步驟5，根據步驟3獲得的非故障相在同步旋轉坐標系上的電流表達式以及動子永磁磁鏈設計反電勢觀測器觀測非故障相反電勢(eA、eC、eD)eAeCeD=ω(0.618cos01.280cos3π51.28sin3π54.043cos(-3π5)1.28sin(-3π5)4.043cosθ-sinθsinθcosθ02.5λm+0.206λmsinθ111),]]>根據非故障相反電勢(eA、eC、eD)求出故障相反電勢(eB、eE)eB=eA+eC2cos2π5eE=eA+eD2cos2π5;]]>步驟6，根據步驟2獲得的非故障相電流，以及故障相短路電流和其反電勢的之間的關系，定義非故障相電壓指令uA*uC*uD*=2.2350.618cos00cos3π5sin3π5cos(-3π5)sin(-3π5)(cosθ-sinθsinθcosθud*uq*+0.1237eB+0.1237eE0.3806eB-0.3806eE)]]>或者，uA*uC*uD*=2.2350.618cos00cos3π5sin3π5cos(-3π5)sin(-3π5)cosθ-sinθsinθcosθud*uq*+0.17080.17080.7236-0.8944-0.89440.7236eBeE]]>步驟7，將步驟6所得到的非故障相電壓指令和各相反電勢(eA、eC、eD)分別相加得到期望相電壓指令將該期望相電壓指令經電壓源逆變器，采用CPWM調制方法實現五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路故障后的容錯磁場定向無擾運行。...

【技術特征摘要】
1.一種五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路容錯磁場定向控制方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，建立五相永磁體內嵌式容錯直線電機模型；步驟2，永磁體內嵌式容錯直線電機分為A、B、C、D、E這五相，當電機發生B相和E相發生短路故障時，根據電機故障前后行波磁動勢不變原則以及剩余非故障相電流之和為零的約束條件，求出該故障下電機容錯運行的非故障相電流指令 i A * i C * i D * = 2.235 0.618 cos 0 0 cos 3 π 5 sin 3 π 5 cos ( - 3 π 5 ) sin ( - 3 π 5 ) ( cos θ - sin θ sin θ cos θ i d * i q * + - 0.1237 i s c _ B - 0.1237 i s c _ E - 0.3806 i s c _ B - 0.3806 i s c _ E ) ]]>或者， i A * i C * i D * = 2.235 0.618 cos 0 0 cos 3 π 5 sin 3 π 5 cos ( - 3 π 5 ) sin ( - 3 π 5 ) cos θ - sin θ sin θ cos θ i d * i q * + - 0.1708 - 0.1708 - 0.7236 0.8944 0.8944 - 0.7236 i s c _ B i s c _ E ]]>式中，分別是旋轉坐標系下d軸、q軸的電流指令，θ為電角度v直線電機動子運動電速度，τ為極距，isc_B和isc_E分別是B相和E相的短路電流；步驟3，根據步驟2獲得的剩余三相非故障電流求出這三相非故障相電流在同步旋轉坐標系上的電流(id、iq) i d i q = cos θ sin θ - sin θ cos θ ( 0.618 cos 0 1.28 cos 3 π 5 1.28 cos ( - 3 π 5 ) 1.28 0 sin 3 π 5 4.043 sin ( - 3 π 5 ) 4.043 i A i C i D - - 0.1237 i s c _ B - 0.1237 i s c _ E - 0.3806 i s c _ B + 0.3806 i s c _ E ) ]]>或者， i d i q = cos θ sin θ - sin θ cos θ 0.618 cos 0 1.28 cos 3 π 5 1.28 cos ( - 3 π 5 ) 1.28 0 sin 3 π 5 4.043 sin ( - 3 π 5 ) ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周華偉，宋杰，辛曉俊，劉國海，趙文祥，陳前，陳龍，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32