[發(fā)明專利]一種軸向磁場磁通切換永磁電機單相故障容錯控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111278702.2
• 申請日: 2021-10-31
• 公開（公告）號: CN113872482B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張蔚;何堅彪;翟良冠
• 申請（專利權(quán)）人: 南通大學(xué)
• 主分類號: H02P21/20
• 分類號: H02P21/20;H02P21/14;H02P25/22;H02P27/06;H02P6/10;H02P29/024;H02P29/028
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

1.一種軸向磁場磁通切換永磁電機單相故障容錯控制方法，其特征在于，AFFSPMM具有對稱的2個定子結(jié)構(gòu)，并采用雙三相四橋臂的容錯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器驅(qū)動；定子1的A1、B1、C1相繞組分別由絕緣柵雙極型晶體管T11-T16組成的三個橋臂驅(qū)動，對應(yīng)逆變器的第四橋臂由絕緣柵雙極型晶體管Tn1和Tn2組成，且第四橋臂的中點與定子1的中性點相連；定子2的A2、B2、C2相繞組分別由絕緣柵雙極型晶體管T21-T26組成的三個橋臂驅(qū)動，對應(yīng)逆變器的第四橋臂由絕緣柵雙極型晶體管Tn3和Tn4組成，且第四橋臂的中點與定子2的中性點相連；電機控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩分配雙矢量模型預(yù)測磁鏈控制，通過滑模觀測器進(jìn)行位置角及轉(zhuǎn)速檢測；當(dāng)電機正常運行時，逆變器工作在雙三相三橋臂模式下，雙定子正常工作，轉(zhuǎn)矩等量分配；當(dāng)發(fā)生單相斷路故障時，故障定子逆變器工作在三相四橋臂模式下，同時進(jìn)行容錯轉(zhuǎn)矩分配，降低故障定子正常相電流幅值，提高故障下的帶載能力；

所述方法包括以下步驟：

步驟1：采集電機主電路中非故障定子的三相電流i_abc和三相電壓u_abc，然后進(jìn)行坐標(biāo)變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下α軸電壓電流和β軸電壓電流，經(jīng)過滑模觀測器得到拓展反電動勢接著由鎖相環(huán)得到轉(zhuǎn)子觀測速度ω_e，經(jīng)過積分環(huán)節(jié)后得到相應(yīng)的電角度θ_e；

步驟2：用給定轉(zhuǎn)速ω^*減去觀測轉(zhuǎn)速ω_e，得到的轉(zhuǎn)速偏差Δω輸入到轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，經(jīng)比例積分計算后得到電磁轉(zhuǎn)矩參考值用于定子參考磁鏈幅值的計算；

其中，ψ_f為永磁體磁鏈，L_q為交軸電感，p_n為極對數(shù)；

步驟3：根據(jù)三相電流判斷故障狀態(tài)，當(dāng)檢測到AFFSPMM運行狀態(tài)正常時，執(zhí)行步驟4A至10A，當(dāng)檢測到AFFSPMM發(fā)生單相斷路故障時，執(zhí)行步驟4B至6B；

步驟4A：此時逆變器工作在雙三相三橋臂狀態(tài)，定子1由T11-T16組成的三個橋臂驅(qū)動，定子2由T21-T26組成的三個橋臂驅(qū)動；步驟1中采集的三相電流i_abc進(jìn)行坐標(biāo)變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子d軸電流i_d和q軸電流i_q，通過離散化方程計算(k+1)時刻dq軸電流i_d(k+1)、i_q(k+1)，再進(jìn)行(k+1)時刻dq軸磁鏈ψ_sd(k+1)、ψ_sq(k+1)和轉(zhuǎn)矩T_e(k+1)的計算；

其中，R_s為定子電阻，T_s為控制周期，L_d為直軸電感，i_d(k)、i_q(k)為電流dq軸分量，u_d(k)、u_q(k)為電壓dq軸分量；

步驟5A：將獲得的dq軸電流i_d、i_q通過磁鏈估計模塊，計算dq軸磁鏈?zhǔn)噶喀?Sub>sd、ψ_sq；

步驟6A：進(jìn)行(k+1)時刻參考負(fù)載角的計算；

其中，δ_sf(k+1)為(k+1)時刻負(fù)載角，Δδ_sf(k+1)為負(fù)載角偏差，由轉(zhuǎn)矩差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器獲得；K_PT為比例環(huán)節(jié)可調(diào)增益，K_IT為積分環(huán)節(jié)可調(diào)增益，1/s為積分傳遞函數(shù)；

步驟7A：根據(jù)步驟2得到的定子參考磁鏈和步驟6A的參考負(fù)載角得到(k+1)時刻dq軸參考磁鏈?zhǔn)噶?/p>

步驟8A：通過(k+1)時刻dq軸參考磁鏈?zhǔn)噶縟q軸電流i_d、i_q以及dq軸磁鏈?zhǔn)噶喀?Sub>sd、ψ_sq計算得到(k+1)時刻dq軸參考電壓矢量

其中，R_s為定子電阻，ω_e為轉(zhuǎn)子電角速度；

步驟9A：將計算得到(k+1)時刻dq軸參考電壓矢量經(jīng)過坐標(biāo)變換后得到αβ軸參考電壓矢量進(jìn)而獲得參考電壓矢量的角度

步驟10A：將αβ坐標(biāo)系按[-π/6，π/6)、[π/6，π/2)、[π/2，5π/6)、[5π/6，-5π/6)、[-5π/6，-π/2)、[-π/2，-π/6)劃分為6個區(qū)間和6個有效電壓矢量，根據(jù)參考電壓矢量u^*在αβ軸的角度選擇與參考電壓矢量同扇區(qū)的有效電壓矢量作為Ⅰ矢量；Ⅰ矢量確定后，進(jìn)一步將與Ⅰ矢量相鄰的兩個有效電壓矢量以及零矢量分別作為Ⅱ矢量代入價值函數(shù)g；計算不同Ⅱ矢量作用下的價值函數(shù)，選取使價值函數(shù)最小的電壓矢量作為Ⅱ矢量，并輸出相應(yīng)的控制信號驅(qū)動逆變器；

式中，為t_i表示I矢量作用時間；S₁₁、S₂₁分別為I矢量沿dq軸的磁鏈變化率；S₁₂、S₂₂分別為II矢量沿dq軸的磁鏈變化率；定義S₁＝S₁₁-S₁₂，S₂＝S₂₁-S₂₂；分別為定子磁鏈?zhǔn)噶縟q軸分量初始誤差，步驟4B：此時故障定子逆變器工作在三相四橋臂狀態(tài)，發(fā)生單相斷路故障的定子斷開其故障相，用第四橋臂代替故障相橋臂，三相繞組電流大小變化如下：

正常狀態(tài)下，AFFSPMM的雙三相電流為：

通過三相四橋臂容錯后，雙三相電流如下所示，從而確保總合成磁動勢不變；

其中，i_a1、i_b1、i_c1分別為定子1三相電流，i_a2、i_b2、i_c2分別為定子2三相電流，I_m為三相電流幅值，θ_e為電角度；

步驟5B：引入了定子銅耗最小作為控制目標(biāo)，在單相斷路容錯后實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的最優(yōu)配置；

轉(zhuǎn)矩重新分配后，定子1、定子2輸出轉(zhuǎn)矩大小之比為且滿足m+n＝1，求得AFFSPMM的瞬時銅耗p_cu為：

代入m+n＝1，得到平均相對銅耗P_cuR為：

式中，為定子1輸出轉(zhuǎn)矩，為定子2輸出轉(zhuǎn)矩，R_s為定子電阻，θ_e為電角度，P_cuo為電機正常運行時的銅耗，為瞬時銅耗P_cu的平均值；

由平均相對銅耗公式解出當(dāng)n＝0.333，對應(yīng)m＝0.667時AFFSPMM平均相對銅耗最小，實現(xiàn)了基于銅耗最小的轉(zhuǎn)矩重新分配，此時電機的承載力提升到正常時的73.7％，且降低了系統(tǒng)損耗；

步驟6B：雙定子分別以作為電磁轉(zhuǎn)矩參考值，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟4A至10A。