双余度永磁容错电机直接转矩控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种双余度永磁容错电机直接转矩控制系统及方法，所述系统包括两个结构相同的分别对应于一永磁容错电机的直接转矩控制系统，任一所述直接转矩控制系统包括输入单元、存储单元、检测单元、DSP和逆变器控制单元；所述检测单元包括电压检测模块、电流检测模块和编码器；所述DSP包括坐标变换单元、磁链计算单元、转矩计算单元、比较单元、PI调节单元、故障判断单元、通信单元、转矩分配单元、转矩滞环控制单元、磁链滞环控制单元和电压矢量确定单元；本发明充分结合双余度技术和容错技术，提高了系统的可靠性，且有效利用永磁容错电机丰富的电压空间矢量。

主权项

一种双余度永磁容错电机直接转矩控制系统，应用于包括由两个永磁容错电机构成的串联式双余度结构，每一永磁容错电机连接一逆变器，其特征在于包括两个结构相同的分别对应于一永磁容错电机的直接转矩控制系统；任一所述直接转矩控制系统包括：用于设定转速给定值ω_r^*、磁链给定值|ψ_s^*|、转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e和磁链滞环控制单元的滞环宽度ψ_Q的输入单元；用于存储永磁容错电机正常工作状态下和任一相开路故障状态下的开关电压空间矢量表，以及定子磁链角θ与扇区的映射关系的存储单元；检测单元；所述检测单元包括连接逆变器，用于检测逆变器的直流母线电压U_DC的电压检测模块；连接永磁容错电机，用于检测永磁容错电机的三相定子电流i_a、i_b、i_c的电流检测模块；连接永磁容错电机，用于检测永磁容错电机的转速ω_r的编码器；DSP；所述DSP包括连接电流检测模块和电压检测模块，用于根据检测到的三相定子电流i_a、i_b、i_c利用公式$\left[\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$得到在αβ坐标系下的电流分量i_α、i_β，根据当前时刻逆变器的开关状态信号S_a、S_b、S_c和检测到的直流母线电压U_DC利用公式$\left[\begin{array}{c}{u}_{\alpha }\\ u_{\beta }\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}{U}_{DC}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right]$得到在αβ坐标系下的电压分量u_α、u_β的坐标变换单元；所述DSP还包括连接坐标变换单元，用于根据得到的电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β利用公式ψ_α＝∫(u_α‑R_si_α)dt、ψ_β＝∫(u_β‑R_si_β)dt、ψ_s＝ψ_α+ψ_β、计算得出定子磁链分量ψ_α、ψ_β、定子磁链ψ_s、定子磁链ψ_s的幅值|ψ_s|和定子磁链角θ的磁链计算单元，其中R_s为永磁容错电机的定子电阻；所述DSP还包括连接坐标变换单元和磁链计算单元，用于根据得到的电流分量i_α、i_β和计算出来的定子磁链ψ_s利用公式i_s＝i_α+i_β和T_e＝n_p(ψ_s×i_s)计算得出电磁转矩T_e的转矩计算单元，其中i_s为三相合成定子电流矢量、n_P为永磁容错电机的极对数；所述DSP还包括连接输入单元、编码器、转矩分配单元、转矩计算单元和磁链计算单元，用于根据设定的转速给定值ω_r^*和检测到的转速ω_r利用公式e_ω＝ω_r^*‑ω_r得到转速误差e_ω，根据得到的转矩给定值T_e^*和计算出来的电磁转矩T_e利用公式ε_T＝T_e^*‑T_e得到转矩误差ε_T，根据设定的磁链给定值|ψ_s^*|和计算出来的定子磁链ψ_s的幅值|ψ_s|利用公式ε_ψ＝|ψ_s^*|‑|ψ_s|得到磁链误差ε_ψ的比较单元；所述DSP还包括连接比较单元，用于根据得到的转速误差e_ω利用公式T_e'＝K_pe_ω+K_i∫e_ωdt进行PI调节得到转矩值T_e'的PI调节单元，其中K_p是PI调节的比例系数、K_i是PI调节的积分系数；所述DSP还包括连接电流检测模块，用于根据检测到的三相定子电流i_a、i_b、i_c一定时间内是否为零判断是否发生一相开路故障的故障判断单元；连接故障判断单元，用于根据是否发生一相开路故障的判断结果发送该永磁容错电机工作状态给另一永磁容错电机的直接转矩控制系统的通信单元；所述DSP还包括连接PI调节单元和另一直接转矩控制系统，用于根据是否发生一相开路故障的判断结果和另一直接转矩控制系统发送过来的永磁容错电机工作状态设定转矩分配系数N并结合得到的转矩值T_e'利用公式T_e^*＝NT_e'得到转矩给定值T_e^*的转矩分配单元；所述DSP还包括连接比较单元和输入单元，用于根据得到的转矩误差ε_T和设定的转矩滞环控制单元的滞环宽度ΔT_e利用公式$T_Q=\left\{\begin{array}{cc}1& {ϵ}_T>{\mathrm{\Delta T}}_e\\ 0& -{\mathrm{\Delta T}}_e\le {ϵ}_T\le {\mathrm{\Delta T}}_e\\ -1& {ϵ}_T<-{\mathrm{\Delta T}}_e\end{array}\right.$进行转矩滞环控制得到转矩误差信号T_Q的转矩滞环控制单元；所述DSP还包括连接比较单元和输入单元，用于根据得到的磁链误差ε_ψ和设定的磁链滞环控制单元的滞环宽度Δψ_s利用公式${\psi }_Q=\left\{\begin{array}{cc}1& {ϵ}_{\psi }>{\mathrm{\Delta \psi }}_s\\ 0& {ϵ}_{\psi }<-{\mathrm{\Delta \psi }}_s\end{array}\right.$进行磁链滞环控制后得到磁链误差信号ψ_Q的磁链滞环控制单元；所述DSP还包括连接磁链计算单元、存储单元、故障判断单元、转矩滞环控制单元和磁链滞环控制单元，用于根据计算出来的定子磁链角θ和存储的定子磁链角θ与扇区的映射关系确定出定子磁链所在扇区，根据是否发生任一相开路故障的判断结果选择所存储的相应的开关电压空间矢量表结合计算出来的转矩误差信号T_Q、磁链误差信号ψ_Q和确定出的定子磁链所在扇区确定出一个对应的电压空间矢量V_m的电压矢量确定单元；连接电压矢量确定单元，用于根据确定出来的电压空间矢量V_m控制逆变器调节永磁容错电机转矩的逆变器控制单元；当两个直接转矩控制系统所包括的故障判断单元均输出未发生任一相开路故障的判断结果时，两个直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元分别设定转矩分配系数N为0.5；当一直接转矩控制系统的故障判断单元输出发生任一相开路故障的判断结果且另一直接转矩控制系统的故障判断单元输出未发生任一相开路故障的判断结果时，发生任一相开路故障的直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元设定转矩分配系数N为0.3，未发生任一相开路故障的直接转矩控制系统所包括的转矩分配单元设定转矩分配系数N为0.7。