一种双三相永磁同步电机的缺相故障解耦容错控制方法

本发明涉及新能源、航空航天、舰船推进等领域，具体公开一种双三相永磁同步电机(dual three-phase permanent magnet synchronous motor，dt-pmsm)缺相故障解耦容错控制方法，以降低具有高控制自由度的电机系统在容错控制方面复杂度高的缺点，并有利于故障前后控制算法的柔性切换，属于发电、变电或配电的。

背景技术：

1、近年来，随着航天、船舶等重工业领域对功率等级和驱动系统可靠性要求的不断增高，大功率高可靠性的交流传动系统成为主要的发展趋势。多相电机很好地满足上述交流传动系统的需求，而电机驱动系统的可靠性是多相电机稳定运行的一个主要问题，在此需求下，多相pmsm相数的增加为电机驱动系统增加了一定的冗余空间，当开关管或者电机绕组出现故障时，可以通过调整控制器的控制策略使之继续稳定运行，对高可靠性场合具有重要的意义。由于双-三相pmsm保留了传统三相pmsm解耦控制的优点，还具备优良的转矩性能，故障后不增添硬件电路即可实现容错运行，因此在对可靠性要求高的新能源汽车等场合应用前景广阔。

2、逆变器和电机绕组最容易发生故障，针对此类故障诊断结果，控制器需要关闭故障相驱动信号，以隔离故障源，继而在开路工况下实现容错控制。因此，大多数容错控制算法集中在缺相故障工况。针对双三相电机的正常模态，wisconsin-madison大学的zhao y和lipo t a研究了双三相电机的矢量空间解耦方法，将电机模型分别映射到3个彼此正交的子空间，形成了参与机电能量转换和不参与机电能量转换的三个子空间。专利cn117254742a公开一种用于零相移双三相永磁电机的最小铜耗容错控制系统及方法，对零相移空间矢量解耦矩阵的子平面进行划分，并利用该矩阵重构了电机数学模型，求解出dqz轴下的相电流一般表达式，并给出电机平衡控制下的相电流表达式，但该方法需要重新构建电机数学模型，并且需要对解耦矩阵重新定义，这会导致容错控制的算法更加复杂；专利cn115864942a公开一种双三相电机与开绕组电机在线切换拓扑及其控制方法，提出一种新的电机绕组拓扑，并通过使用两个双向晶闸管实现两种模式之间的平滑切换，且无需改变原有调制策略进行容错控制，但该方法并非传统的电机绕组拓扑结构，需要在原有的设施添加新的硬件，导致系统的成本增加和可靠性降低；专利cn117424520a公开双三相永磁同步电机一相开路故障时的三次谐波注入容错控制算法，提出了基于降维数学模型的容错控制策略，并推导出了f相断相后的变换阵，进而推导出断相后的降维数学模型，若考虑故障相的任意性，则需要建立41种故障电机数学模型，由此带来控制模型繁杂的问题。

3、目前，大多数容错控制方法均基于双三相pmsm的重新建模而展开，且显著增加了控制算法复杂度，因而降低了实用性。为此，本发明旨在提出一种基于正常模态clarke和park变换矩阵的解耦容错控制方法，通过保持与正常模态一致的矢量控制构架，再依据开路相通过查表法重新配置谐波空间电流系数，实现容错控制算法的统一性和低复杂度，保证故障后电机尽可能高效平稳运行。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对任意相开路下解耦容错控制算法复杂性高以及矢量控制构架与正常模态存在不统一性的现状，提出一种沿用正常模态坐标变换矩阵和与正常模态一致的矢量控制构架，在多达三相开路故障下实现双三相pmsm的解耦容错控制，避免了传统解耦容错控制方法需要依据故障相调整坐标变换矩阵的缺点，简化了高自由度双三相pmsm系统的控制模式。

2、本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

3、一种双三相永磁同步电机的缺相故障解耦容错控制方法，包括如下步骤：

4、步骤a、采集双三相永磁同步电机静止坐标系下的六相电流；

5、步骤b、对双三相永磁同步电机静止坐标系下的六相电流进行clark变换和park变换，获取dq子空间电流d轴分量和q轴分量、谐波子空间电流x轴分量和y轴分量以及零序子空间电流o1轴分量和o2轴分量；

6、步骤c、对dq子空间电流d轴分量和q轴分量、谐波子空间电流x轴分量和y轴分量以及零序子空间电流o1轴分量进行闭环控制，获取dq子空间d轴电压给定和q轴电压给定、谐波子空间x轴电压给定和y轴电压给定以及零序子空间o1轴电压给定，对零序子空间电流o2轴分量进行开环控制，并初始化零序子空间o2轴电压给定为0；

7、步骤d、检测开路故障，根据开路故障检测结果关闭开路故障相桥臂的开关管驱动信号，移除对谐波子空间电流x轴分量和y轴分量以及零序子空间电流o1轴分量进行闭环控制的电流调节器中的至少一个电流调节器，以铜损最小为目标更新谐波子空间电流x轴分量给定值和y轴分量给定值以及零序子空间电流o1轴分量给定值；

8、步骤e，对dq子空间d轴电压给定和q轴电压给定进行park逆变换，获取αβ子空间α轴电压给定和β轴电压给定，对αβ子空间α轴电压给定和β轴电压给定、谐波子空间x轴电压给定和y轴电压给定以及零序子空间o1轴电压给定和o2轴电压给定进行clarke逆变换得到双三相电机六相参考相电压，根据双三相电机健康相对应的参考相电压得到健康相对应桥臂的开关管驱动信号，故障相对应桥臂的开关管驱动信号保持关闭状态。

9、作为一种双三相永磁同步电机的缺相故障解耦容错控制方法的进一步优化方案，步骤c对dq子空间电流d轴分量和q轴分量进行闭环控制，将dq子空间电流d轴分量给定值置0，根据转速外环控制结果确定dq子空间电流q轴分量给定值。

10、作为一种双三相永磁同步电机的缺相故障解耦容错控制方法的再进一步优化方案，对谐波子空间电流x轴分量和y轴分量以及零序子空间电流o1轴分量进行闭环控制，依据表达式确定谐波子空间电流x轴分量给定值和y轴分量给定值以及零序子空间电流o1轴分量给定值为αβ子空间电流α轴分量给定值β轴分量给定值，c1、c2、c3、c4、c5、c6表示分配系数。

11、作为一种双三相永磁同步电机的缺相故障解耦容错控制方法的再进一步优化方案，步骤d中移除对谐波子空间电流x轴分量和y轴分量以及零序子空间电流o1轴分量进行闭环控制的电流调节器中的至少一个电流调节器，具体为：

12、当开路故障检测结果为单相开路故障时，则移除对零序子空间电流o1轴分量进行闭环控制的电流调节器，并设置零序子空间o1轴电压给定为0；

13、当开路故障检测结果为两相开路故障时，则移除对对谐波子空间电流y轴分量进行闭环控制的电流调节器以及对零序子空间电流o1轴分量进行闭环控制的电流调节器，并设置谐波子空间y轴电压给定以及零序子空间o1轴电压给定为0；

14、当开路故障检测结果为三相开路故障时，则移除对谐波子空间电流x轴分量进行闭环控制的电流调节器、对谐波子空间电流y轴分量进行闭环控制的电流调节器以及对零序子空间电流o1轴分量进行闭环控制的电流调节器，并设置谐波子空间x轴电压给定和y轴电压给定以及零序子空间o1轴电压给定为0。

15、作为一种双三相永磁同步电机的缺相故障解耦容错控制方法的再进一步优化方案，步骤d中以铜损最小为目标更新谐波子空间电流x轴分量给定值和y轴分量给定值以及零序子空间电流o1轴分量给定值，具体为：

16、当开路故障检测结果为单相故障时，建立包含故障相电流为零、剩余健康相电流等幅值以及系统铜损最小的约束，结合αβ子空间电流给定值满足的正交属性，确定分配系数c1、c2、c3、c4、c5、c6的取值，其中，剩余健康相电流等幅值的约束为剩余健康相电流全部等幅值；

17、当开路故障检测结果为两相故障时，建立包含故障相电流为零、剩余健康相电流等幅值以及系统铜损最小的约束，结合αβ子空间电流给定值满足的正交属性，确定分配系数c1、c2、c3、c4、c5、c6的取值，其中，剩余健康相电流等幅值的约束为剩余健康相电流全部等幅值或三相电流等幅值或两相电流等值；

18、当开路故障检测结果为三相故障时，建立包含故障相电流为零以及系统铜损最小的约束，结合αβ子空间电流给定值满足的正交属性，确定分配系数c1、c2、c3、c4、c5、c6的取值。

19、作为一种双三相永磁同步电机的缺相故障解耦容错控制方法的再进一步优化方案，当开路故障检测结果为单相故障时，c5和c6取任意值，

20、当单相开路故障相为a相时，c1＝-0.641105、c2＝-0.208957、c3＝-0.754278、c4＝-0.295516，降额系数为λ＝1/1.44；

21、当当单相开路故障相为b相时，c1＝0.297492、c2＝-0.212379、c3＝-0.750856、c4＝0.643081，降额系数为λ＝1/1.44；

22、当单相开路故障相为c相时，c1＝-0.174770、c2＝-1.023517、c3＝0.060281、c4＝0.170818，降额系数为λ＝1/1.44；

23、当单相开路故障相为d相时，c1＝0.170818、c2＝0.060282、c3＝-1.023517、c4＝-0.17477，降额系数为λ＝1/1.44；

24、当单相开路故障相为e相时，c1＝0.643081、c2＝-0.750856、c3＝-0.212379、c4＝0.297492，降额系数为λ＝1/1.44；

25、当单相开路故障相为f相时，c1＝-0.295516、c2＝-0.754279、c3＝-0.208957、c4＝-0.641105，降额系数为λ＝1/1.44。

26、作为一种双三相永磁同步电机的缺相故障解耦容错控制方法的再进一步优化方案，当开路故障检测结果为两相故障时，c3、c4、c5和c6取任意值，

27、当两相开路故障相为a相和b相时，c1＝-0.491138、c2＝0.315631，降额系数为λ＝1/1.796；

28、当两相开路故障相为a相和c相时，c1＝-0.981087、c2＝-0.598503，降额系数为λ＝1/1.796；

29、当两相开路故障相为a相和d相时，c1＝-1、c2＝0，降额系数为λ＝1/3.464；

30、当两相开路故障相为a相和e相时，c1＝0、c2＝-0.267949，降额系数为λ＝1/1.793；

31、当两相开路故障相为a相和f相时，c1＝-1、c2＝0，降额系数为λ＝1/1.732；

32、当两相开路故障相为b相和c相时，c1＝0.055551、c2＝-0.565744，降额系数为λ＝1/1.796；

33、当两相开路故障相为b相和d相时，c1＝0.5、c2＝0.866025，降额系数为λ＝1/1.732；

34、当两相开路故障相为b相和e相时，c1＝2、c2＝-1.732051，降额系数为λ＝1/3.464；

35、当两相开路故障相为b相和f相时，c1＝0、c2＝-0.267949，降额系数为λ＝1/1.793；

36、当两相开路故障相为c相和d相时，c1＝0、c2＝-0.267949，降额系数为λ＝1/1.793；

37、当两相开路故障相为c相和e相时，c1＝0.5、c2＝-0.866025，降额系数为λ＝1/1.732；

38、当两相开路故障相为c相和f相时，c1＝-1、c2＝-3.464102，降额系数为λ＝1/3.464；

39、当两相开路故障相为d相和e相时，c1＝1、c2＝0，降额系数为λ＝1/1.796；

40、当两相开路故障相为d相和f相时，c1＝-0.036638、c2＝0.032759，降额系数为λ＝1/1.796；

41、当两相开路故障相为e相和f相时，c1＝0.453311、c2＝-0.881375，降额系数为λ＝1/1.796。

42、作为一种双三相永磁同步电机的缺相故障解耦容错控制方法的再进一步优化方案，当开路故障检测结果为三相开路故障时，c1、c2、c3、c4、c5和c6为任意值，

43、当三相开路故障相为a相、b相和c相时，降额系数为λ＝1/2；

44、当三相开路故障相为a相、b相和d相时,降额系数为λ＝1/8.196；

45、当三相开路故障相为a相、b相和e相时，降额系数为λ＝1/6.692；

46、当三相开路故障相为a相、b相和f相时，降额系数为λ＝1/2.449；

47、当三相开路故障相为b相、c相和d相时，降额系数为λ＝1/2.449；

48、当三相开路故障相为b相、c相和e相时，降额系数为λ＝1/8.196；

49、当三相开路故障相为b相、c相和f相时，降额系数为λ＝1/6.692；

50、当三相开路故障相为c相、d相和e相时，降额系数为λ＝1/2.449；

51、当三相开路故障相为c相、d相和f相时，降额系数为λ＝1/6.692；

52、当三相开路故障相为d相、e相和f相时，降额系数为λ＝1/2；

53、当三相开路故障相为a相、c相和d相时，降额系数为λ＝1/6.692；

54、当三相开路故障相为a相、c相和e相时，降额系数为λ＝1/2.449；

55、当三相开路故障相为a相、c相和f相时，降额系数为λ＝1/8.196；

56、当三相开路故障相为b相、d相和e相时，降额系数为λ＝1/8.196；

57、当三相开路故障相为b相、d相和f相时，降额系数为λ＝1/2.449；

58、当三相开路故障相为c相、e相和f相时，降额系数为λ＝1/8.196；

59、当三相开路故障相为a相、d相和e相时，降额系数为λ＝1/6.692；

60、当三相开路故障相为a相、d相和f相时，降额系数为λ＝1/8.196；

61、当三相开路故障相为b相、e相和f相时，降额系数为λ＝1/6.692；

62、当三相开路故障相为a相、e相和f相时，降额系数为λ＝1/2.449。

63、本发明采取上述技术方案，具有以下有益效果：

64、1.本发明采取了基于正常模态的vsd坐标变换矩阵进行缺相容错控制，相比于传统基于修正变换矩阵的容错控制方法，此方法通过查表法修改谐波子空间电流分配系数，因此更加简单且更具备统一性，并保证了系统良好的动静态性能，且开路容错控制算法实施简单，且与正常模态解耦控制良好兼容，有利于故障前后控制算法的柔性切换。

65、2.本发明基于正常模态vsd坐标变换矩阵进行容错控制，根据开路相数结果，依次减少谐波子空间电流闭环控制器的数量，而与电磁转矩强相关的α-β子空间电流始终维持圆形旋转，因而增强故障后电磁转矩的稳定性。

66、3.本发明基于正常模态vsd坐标变换矩阵进行容错控制，对于被取消闭环电流控制的谐波子空间，设置其电压给定值为0，即可实现对容错相电压的调制。

67、4.本发明的容错控制算法可维持剩余相电流尽可能等幅值，并遵循铜损最小原则，有利于提高故障后电机效率并不失电磁转矩稳定性。