容错永磁游标圆筒电机相邻两相短路容错矢量控制方法技术

本发明专利技术公开了一种电磁悬架容错永磁游标圆筒电机相邻两相短路容错矢量控制方法。先根据这两相开路故障前后磁动势不变以及非故障相电流和为零的原则，以不相邻两相电流幅值相等为约束条件，推导出推广克拉克变换矩阵；采用该矩阵的转置估算出反电势；采用内模控制器、一阶惯性前馈电压补偿器、反电势观测器将该类电机在故障状态下的非线性强耦合系统变换为一阶惯性系统。根据非故障相短路补偿电流和两短路故障相电流的合成磁动势为零的原则求出短路补偿电压；将该电压和矢量控制器输出电压叠加。本发明专利技术不但抑制了电机相邻两相短路故障导致的电机推力波动，且更为关键的是其动态性能、稳态性能和正常状态下一致，电压源逆变器开关频率恒定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种五相永磁电机相邻两相短路故障容错控制方法，特别是五相容错永磁直线电机相邻两相短路故障容错矢量控制方法。适用于航空航天、电动汽车、深海、医疗器械等对电机的可靠性和动态性能有较高要求的场合。
技术介绍
随着社会的发展以及人们生活水平的提高，对汽车驾乘的舒适性和安全稳定性要求越来越高。作为现代汽车的重要组成部分，悬架系统性能对汽车行驶平顺性和操作稳定性等有着极其重要的影响，因此主动悬架系统的研究受到业内高度重视。作为主动电磁悬架系统的核心部件，圆筒直线电机研究受到重视。电机在短路故障状态下的容错性能，直接决定着电磁悬架的可靠性和连续运行的能力。容错电机在某一相或某两相发生短路故障时，电机仍然具有一定的推力或者转矩输出能力，但是推力或者转矩波动很大，噪声增大，严重影响系统性能。容错控制的目标是针对不同应用场合对容错电流进行优化，使电机在故障状态下的输出推力或者转矩尽量平滑，并且使电机性能达到或接近故障前的性能。中国专利技术专利申请号为201510059387.2的专利《一种五相容错永磁电机的短路容错控制方法》针对五相容错表贴式永磁旋转电机，将短路故障对电机转矩的影响分解为两部分：一部分是开路故障对转矩的影响；另一部分是短路电流对转矩影响。针对开路故障，采用故障前后磁动势和不变原则以及故障后电流幅值相等原则，优化剩余非故障相的相电流；针对短路电流引起的转矩波动，采用故障后磁动势为零和铜耗最小原则求出非故障相补偿电流；最后两部分电流相加，求得剩余非故障相的电流指令。根据求得的剩余非故障相电流采用电流滞环控制策略，对五相容错表贴式永磁旋转电机进行控制。该方法用于抑制短路相电流导致转矩波动的剩余非故障相补偿电流的幅值是常数，与电机转速无关，且剩余非故障相的补偿电流之和不为零。目前，常用的容错控制方法是：计算出容错电流，然后采用电流滞环策略进行控制。但是，该方法存在开关频率杂乱、噪声大、电机动态性能差等问题，不适合功率较大以及对电机动态性能要求高的场合。中国专利技术专利申请号为201510661212.9的专利《一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机短路容错矢量控制方法》针对五相混合磁材料内嵌式容错直线电机一相短路故障，采用以上相同方法优化剩余非故障电流，然后采用矢量控制策略实现该电机一相短路故障情况的矢量运行。尽管该方法实现了该类电机系统在短路故障状态下的高容错性能、高动态性能、电流良好的跟随性，但该方法无法实现两相短路故障情况下的矢量控制。
技术实现思路
针对现有电机容错控制技术中存在的不足，根据五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机的特性和该类电机相邻两相短路故障特点，本专利技术目的是克服电机相邻两相短路故障后现有容错策略使用电流滞环控制导致逆变器开关频率杂乱、电机响应速度下降、动态性能差、电流无法精确跟随、噪声严重的缺点、传统电流PI控制由于响应快速性和超调的矛盾引起参数调节困难的问题，以及现有容错矢量控制策略无法实现两相短路故障情况的容错运行，提出一种用于本专利技术的五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机的相邻两相短路容错矢量控制方法，实现了反电势的精确估算，降低控制器参数调节难度，实现该类电机系统在相邻两相短路故障状态下的高容错性能、高动态性能、电流良好跟随性，减小CPU开销，实现逆变器开关频率恒定、降低噪声，进而提高本专利技术的五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机相邻两相短路故障状态下的动态性能和可靠性。本专利技术用于五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机的容错矢量控制方法采用如下技术方案：一种用于五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机相邻两相短路容错矢量控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机模型；步骤2，五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机分为A、B、C、D、E这五相，当电机发生C相和D相短路故障时，假设电机C相和D相仅发生开路故障，根据电机故障前后行波磁动势不变原则以及剩余非故障相电流之和为零的约束条件，再由不相邻两相B相和E相电流幅值相等作为约束条件，求出C相和D相短路故障后电机容错运行的非故障相电流；步骤3，根据非故障相电流，求取三个非故障相自然坐标系到两相静止坐标系变换的推广克拉克变换矩阵Tpost、逆变换矩阵以及转置矩阵步骤4，使用非故障相电流抑制故障相短路电流导致的推力波动，求取用于抑制故障相短路电流导致推力波动的非故障相的短路补偿电流，采用推广克拉克变换矩阵Tpost将该电流变换到两相静止坐标系上的短路补偿电流；步骤5，采用推广克拉克变换矩阵Tpost将在自然坐标系下采样到的剩余三相非故障相电流变换到两相静止坐标系上的电流，并将该电流和步骤3中获得的电流相减得到(iα、iβ)，运用派克变换矩阵C2s/2r将(iα、iβ)变换到同步旋转坐标系上的电流；或步骤5，将在自然坐标系上采样到的剩余三相非故障相电流，与短路补偿电流相减得到(i′A、i′B、i′E)，采用推广克拉克变换矩阵Tpost和派克变换矩阵C2s/2r将(i′A、i′B、i′E)变换到同步旋转坐标系上的反馈电流；步骤6，建立五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机相邻两相短路故障状态下在同步旋转坐标系上的数学模型；步骤7，设计一阶惯性前馈电压补偿器，获得前馈补偿电压，同时该电流指令和反馈电流的差值经电流内模控制器得控制电压与前馈补偿电压相加得到同步旋转坐标系上的电压指令，采用派克逆变换矩阵C2r/2s将该电压指令变换到两相静止坐标系上的电压步骤8，采用和C2r/2s以及动子永磁磁链设计反电势观测器观测出非故障相反电势，根据非故障相反电势求出故障相反电势；步骤9，为确保电机输出用于抑制短路电流导致推力波动的非故障相的短路补偿电流，根据C相短路电流和C相反电势的关系以及D相短路电流和D相反电势的关系以及短路补偿电流的数学表达方式，定义剩余三相非故障相的短路补偿电压，采用推广克拉克变换矩阵Tpost将所述短路补偿电压变换到两相静止坐标系上的短路补偿电压；步骤10，将两相静止坐标系上的电压指令与短路补偿电压相加得电压指令采用推广克拉克逆变换矩阵将电压指令变换到自然坐标系上的电压指令再和剩余非故障相的各相反电势分别相加得到期望相电压指令或步骤10，采用推广克拉克逆变换矩阵将两相静止坐标系下的电压指令变换到自然坐标系上的电压指令然后和剩余三相非故障相的短路补偿电压相加，最后再和剩余非故障相的各相反电势分别相加得到期望相电压指令步骤11，将步骤10所得到的期望相电压指令经电压源逆变器，采用CPWM调制方法实现五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机相邻两相短路故障后的容错矢量无扰运行。本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术在保证电机任意相邻两相短路故障前后电机输出推力相等的前提下，不但能有效抑制电机推力波动，而且更为关键的是能使电机容错运行情况下的动态性能、电流跟随性能和正常状态下的性能一致，并且无需复杂的计算，电压源逆变器开关频率恒定、噪声低、CPU开销小，算法具有一定的通用性。2、采用本专利技术相邻两相短路容错矢量控制策略后，该类电机在C相和D相短路故障情况下容错运行时，其动态性能、稳态性能和电机正常状态下一样，且输出推力几乎没有波动，在电机系统允许的最大电流极限值以下，电磁推力和故障前保持一致，实现了无扰容错运行。3、由本专利技术中的剩余非故障相电流矢量推导出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁悬架容错永磁游标圆筒电机相邻两相短路容错矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机模型；步骤2，五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机分为A、B、C、D、E这五相，当电机发生C相和D相短路故障时，假设电机C相和D相仅发生开路故障，根据电机故障前后行波磁动势不变原则以及剩余非故障相电流之和为零的约束条件，再由不相邻两相B相和E相电流幅值相等作为约束条件，求出C相和D相开路故障后电机容错运行的非故障相电流；iA=3.618(-iq*sin(θ)+id*cos(θ))iB=2.236(-iq*sin(θ-45π)+id*cos(θ-45π))iE=2.236(-iq*sin(θ+45π)+id*cos(θ+45π))]]>式中，分别是旋转坐标系下d轴、q轴的电流指令，θ为电角度v直线电机动子运动电速度，τ为极距；步骤3，根据非故障相电流，求取三个非故障相自然坐标系到两相静止坐标系变换的两行三列的推广克拉克变换矩阵Tpost、三行两列的逆变换矩阵以及转置矩阵Tpost=1.618cos08.781cos4π58.781cos(-4π5)8.7810sin4π51.545sin(-4π5)1.545]]>Tpost-1=2.2361.618cos00cos4π5sin4π5cos(-4π5)sin(-4π5)]]>TpostT=1.618cos08.7810cos4π58.781sin4π51.545cos(-4π5)8.781sin(-4π5)1.545;]]>步骤4，使用非故障相电流抑制故障相短路电流导致的推力波动，求取用于抑制故障相短路电流导致推力波动的非故障相的短路补偿电流(i″A、i″B、i″E)，采用推广克拉克变换矩阵Tpost将短路补偿电流(i″A、i″B、i″E)变换到两相静止坐标系上的短路补偿电流(i″α、i″β)；步骤5，采用推广克拉克变换矩阵Tpost将在自然坐标系下采样到的剩余三相非故障相电流(iA、iB、iE)变换到两相静止坐标系上的电流(i′α、i′β)，并将该电流和步骤4中获得的电流(i″α、i″β)相减得到(iα、iβ)，运用派克变换矩阵C2s/2r将(iα、iβ)变换到同步旋转坐标系上的电流(id、iq)；或步骤5，将在自然坐标系上采样到的剩余三相非故障相电流(iA、iB、iE)，与非故障相的短路补偿电流(i″A、i″B、i″E)相减得到(i′A、i′B、i′E)，采用推广克拉克变换矩阵Tpost和派克变换矩阵C2s/2r将(i′A、i′B、i′E)变换到同步旋转坐标系上的反馈电流(id、iq)；步骤6，建立五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机相邻两相短路故障状态下在同步旋转坐标系上的数学模型；步骤7，设计一阶惯性前馈电压补偿器，同步旋转坐标系上的电流指令经一阶惯性环节获得前馈补偿电压电流指令和反馈电流(id、iq)的差值经电流内模控制器得控制电压(ud0、uq0)，将该电压与前馈补偿电压相加得到同步旋转坐标系上的电压指令采用派克逆变换矩阵C2r/2s将该电压指令变换到两相静止坐标系上的电压步骤8，采用和C2r/2s以及动子永磁磁链设计反电势观测器观测出非故障相反电势(eA、eB、eE)eAeBeE=ω(TpostTC2r/2s02.5λm-0.539λmsinθ111),]]>根据非故障相反电势(eA、eB、eE)求出故障相反电势(eC、eD)eC=2cos2π5eB-eAeD=2cos2π5eE-eA;]]>步骤9，为确保电机输出用于抑制短路电流导致推力波动的非故障相的短路补偿电流(i″A、i″B、i″E)，根据C相短路电流iC＝isc_C和C相反电势eC的关系、D相短路电流iD＝isc_D和D相反电势eD的关系以及短路补偿电流的数学表达方式，定义剩余三相非故障相的短路补偿电压为(u″A、u″B、u″E)为采用推广克拉克变换矩阵Tpost将所述短路补偿电压变换到两相静止坐标系上的短路补偿电压步骤10，将两相静止坐标系上的电压指令与短路补偿电压(u″α、u″β)相加得采用推广克拉克逆变换矩阵将电压指令变换到自然坐标系上的电压指令再和剩余非故障相的各相反电势(eA、eB、eE)分别相加得到期望相电压指令或步骤10，采用推广克拉克逆变换矩阵将两相静止坐标系下的电压指令变换到自然坐标系上的电压指令然后和剩余三相非故障相的短路补偿电压(u″A、u″B、u″E)相加，最后再和剩余非故障相的各相反电势(eA、eB、eE)分别相加得到期望相电压指令...

【技术特征摘要】
1.一种电磁悬架容错永磁游标圆筒电机相邻两相短路容错矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机模型；步骤2，五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机分为A、B、C、D、E这五相，当电机发生C相和D相短路故障时，假设电机C相和D相仅发生开路故障，根据电机故障前后行波磁动势不变原则以及剩余非故障相电流之和为零的约束条件，再由不相邻两相B相和E相电流幅值相等作为约束条件，求出C相和D相开路故障后电机容错运行的非故障相电流； i A = 3.618 ( - i q * sin ( θ ) + i d * cos ( θ ) ) i B = 2.236 ( - i q * sin ( θ - 4 5 π ) + i d * cos ( θ - 4 5 π ) ) i E = 2.236 ( - i q * sin ( θ + 4 5 π ) + i d * cos ( θ + 4 5 π ) ) ]]>式中，分别是旋转坐标系下d轴、q轴的电流指令，θ为电角度v直线电机动子运动电速度，τ为极距；步骤3，根据非故障相电流，求取三个非故障相自然坐标系到两相静止坐标系变换的两行三列的推广克拉克变换矩阵Tpost、三行两列的逆变换矩阵以及转置矩阵 T p o s t = 1.618 cos 0 8.781 cos 4 π 5 8.781 cos ( - 4 π 5 ) 8.781 0 sin 4 π 5 1.545 sin ( - 4 π 5 ) 1.545 ]]> T p o s t - 1 = 2.236 1.618 c o s 0 0 cos 4 π 5 sin 4 π 5 cos ( - 4 π 5 ) s i n ( - 4 π 5 ) ]]> T p o s t T = 1.618 cos 0 8.781 0 cos 4 π 5 8.781 sin 4 π 5 1.545 cos ( - 4 π 5 ) 8.781 sin ( - 4 π 5 ) 1.545 ; ]]>步骤4，使用非故障相电流抑制故障相短路电流导致的推力波动，求取用于抑制故障相短路电流导致推力波动的非故障相的短路补偿电流(i″A、i″B、i″E)，采用推广克拉克变换矩阵Tpost将短路补偿电流(i″A、i″B、i″E)变换到两相静止坐标系上的短路补偿电流(i″α、i″β)；步骤5，采用推广克拉克变换矩阵Tpost将在自然坐标系下采样到的剩余三相非故障相电流(iA、iB、iE)变换到两相静止坐标系上的电流(i′α、i′β)，并将该电流和步骤4中获得的电流(i″α、i″β)相减得到(iα、iβ)，运用派克变换矩阵C2s/2r将(iα、iβ)变换到同步旋转坐标系上的电流(id、iq)；或步骤5，将在自然坐标系上采样到的剩余三相非故障相电流(iA、iB、iE)，与非故障相的短路补偿电流(i″A、i″B、i″E)相减得到(i′A、i′B、i′E)，采用推广克拉克变换矩阵Tpost和派克变换矩阵C2s/2r将(i′A、i′B、i′E)变换到同步旋转坐标系上的反馈电流(id、iq)；步骤6，建立五相电磁悬架容错永磁游标圆筒电机相邻两相短路故障状态下在同步旋转坐标系上的数学模型；步骤7，设计一阶惯性前馈电压补偿器，同步旋转坐标系上的电流指令经一阶惯性环节获得前馈补偿电压电流指令和反馈电流(id、iq)的差值经电流内模控制器得控制电压(ud0、uq0)，将该电压与前馈补偿电压相加得到同步旋转坐标系上的电压指令采用派克逆变换矩阵C2r/2s将该电压指令变换到两相静止坐标系上的电压步骤8，采用和C2r/2s以及动子永磁磁链设计反电势观测器观测出非故障相反电势(eA、eB、eE) e A e B e E = ω ( T p o s t T C 2 r / 2 s 0 2.5 λ m - 0.539 λ m s i n θ 1 1 1 ) , ]]>根据非故障相反电势(eA、eB、eE)求出故障相反电势(eC、eD) e C = 2 c o s 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：周华伟，刘国海，赵文祥，陈前，徐亮，陈龙，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32