永磁直流电机单相故障容错控制技术研究毕业论文

摘要I永磁直流电机单相故障容错控制技术研究论文作者：指导教师：副指导教师：申请学位类别：学科、领域：所在单位：答辩日期：河北科技大学硕士学位论文II摘要永磁直流电机在工农业生产、军事设备及航空航天等领域应用与日俱增，确保这些电机安全和稳定运行变得越来越重要。当电机或控制发生故障时，如果能够通过一定的方法保证电机仍然运转，对于某些特殊行业具有重要的价值，可以大大减少经济和社会损失。本文针对控制器单相桥臂故障和单相匝间短路故障，进行了以下研究工作：分析了正常情况下和容错情况下的电机控制主电路，基于SVPWM理论，对容错情况下开关器件的控制策略、开关时刻点的计算进行了研究，给出容错电路开关时刻点的计算方法。研究了控制器单相桥臂故障和单相匝间短路故障的特征，实现了两种故障的检测和判断方法，为快速、准确切除故障部分并投入使用容错电路提供了依据。利用ANSOFT分别对正常情况、单相桥臂故障和单相匝间短路故障电路进行了仿真。通过比较得知在发生故障时，电机转矩脉动将加剧，转矩减小，不能保证电机的正常工作。之后针对单相桥臂故障，利用ANSOFT对四桥臂三相容错电路和四开关三相容错电路进行了仿真。针对单相匝间短路故障，对四桥臂两相容错电路和四开关两相容错电路进行了仿真。通过仿真研究，保证了电机在特定情况下持续工作。仿真表明，通过对故障电机系统进行容错控制，电机转矩脉动与故障时相比明显减小；在四桥臂三相与四开关三相容错控制策略下的电机转矩近似恢复到正常值；四桥臂两相和四开关两相容错控制策略下的电机转矩仅恢复到正常转矩的。综13合各种因素考虑，得出在单相桥臂故障和单相匝间短路故障情况下，其对应最佳控制策略为四开关三相容错和四开关两相容错。关键词永磁直流电机；容错控制；SVPWM；故障检测；ANSOFTAbstractIIIAbstractNow,theapplicationsofpermanentmagneticDCmotorinindustrialproduction,agriculturalproduction,militaryequipmentandaerospacearegrowingveryfasteveryday.Itisbecomingmoreandmoreimportanttoensureoperationofthemotorsafeandstable.Whenthemotororcontrollerfailureoccurs，itwillgreatlyreducethelossesofeconomyandsocietytofindsomewaystoguaranteethemotorrunning.Thishasanimportantvalueforsomespecialindustries.Accordingtosingle-phasebridgearmfaultandsinglephaseinter-turnshortcircuitfault,thefollowworksarestudied:themaincircuitofthemotorcontrollerunderthenormalconditionandfaultconditionhasbeenanalyzed.ThecontrolstrategyofswitchingdevicesandthecalculationoftheswitchingtimearestudiedunderthefaulttoleranceconditionbasedonSVPWMtheory.Thecalculationmethodofcircuitswitchingtimeisgivenunderthefaulttolerancecondition.Thecharacteristicsofthecontrollerforasinglephasebridgearmfaultandsingle-phasefaultofinter-turnshortcircuitarestudied.Faultdetectionandfaultjudgmentarerealized.Itprovidesthebasistoturnoffthefaultpartfastlyandaccurately,andmakethefaulttolerancecircuitputintouse.Thesimulationiscarriedoutforthecontrollercircuitinthenormalsituation,thesingle-phasebridgearmfaultandsingle-phasewindinginter-turnshortcircuitfaultbyANSOFT.Comparedwiththenormalcondition,thetorquerippleunderfaultconditionwillbeincreasedandthetorquewillbereduced.Thecontrollercircuitcannotensurethenormalworkofthemotoranymore.Forsinglephasebridgearmoffailure,thefaulttolerantcircuitoffourlegsthree-phaseandfourswitchthree-phasearesimulatedbyANSOFT.Forthesinglephasewindinginter-turnshortcircuitfault,thefaulttolerantcircuitoffourlegstwo-phaseandthefourswitchstwo-phasearesimulated.Thesimulationstudymakesthemotorcontinuetoworkinsomespecialcircumstance.Simulationresultsshowthatthemotortorquefluctuationissignificantlyreducedbyfaulttolerantcontroller.Themotortorqueapproximatereturntonormalvalueunderthefaulttolerantcontrolstrategyoffourlegsthree-phaseandfourswitchthree-phase.Themotortorqueisrestoredtotimesofnormaltorquebythefourlegs13two-phaseandthefourswitchtwo-phasetolerantcontroller.河北科技大学硕士学位论文IVOnconclusion,thecorrespondingoptimalcontrolstrategyisfourswitchthree-phasecontrolcircuitandfourswitchtwo-phasecontrolcircuitunderthefaultofthesingle-phasebridgeandsingle-phaseinter-turnshortcircuitrepectively.KeywordsPermanentmagnetDCmotor;Faulttolerant;SVPWM;Faultdiagnosis;ANSOFT目录V目录摘要.IAbstract.III第1章绪论.11.1课题研究目的及意义.11.2逆变器容错控制研究现状.21.2.1四开关容错研究现状.31.2.2针对桥臂冗余容错研究现状.31.3本论文工作概述.4第2章永磁直流电机控制器容错控制算法及控制方案.72.1永磁直流电动机的基本结构.72.2控制器基本原理(SVPWM).82.2.1SVPWM原理介绍.92.2.2SVPWM算法推导.122.2.3永磁直流电动机的工作原理.142.3控制器单相桥臂故障容错控制技术.152.3.1四桥臂三相容错拓扑.152.3.2四开关三相容错拓扑.162.4电机单相匝间短路故障容错控制技术.222.4.1四桥臂两相容错拓扑.232.4.2四开关两相容错拓扑.262.5本章小结.29第3章电机系统故障诊断和隔离.313.1永磁直流电机单相故障诊断分析.313.2单相桥臂开关故障.323.2.1功率管短路故障.323.2.2功率管断路故障.343.3单相匝间短路故障.353.4故障后桥臂隔离技术.393.5本章小结.40第4章逆变器故障容错仿真.434.1永磁直流电机及驱动器仿真.434.1.1永磁直流电机的有限元模型的建立.43河北科技大学硕士学位论文VI4.1.2永磁直流电动机的逆变器驱动电路模型.454.2单相桥臂故障容错仿真.474.2.1四桥臂三相逆变器仿真结果对比.474.2.2四开关三相逆变器仿真结果对比.504.3本章小结.53第5章电机匝间短路故障容错仿真.555.1四桥臂两相逆变器仿真结果对比.555.2四开关两相逆变器仿真结果对比.595.3本章小结.63结论.65参考文献.67攻读硕士学位期间所发表的论文.71致谢.73第1章绪论1第1章绪论1.1课题研究目的及意义电机是一种常见的电磁机械装置，其基本原理为机电能量转换，在工农业及日常应用方面不可或缺。电机和系统的工作情况与其系统运行情况正常与否息息相关。由于生产速度在生产设备大型化的前提下而提高，所以减小电机故障发生频率，就可以相应降低停产带来的损失与维护开销。因此对电机系统进行故障检测与诊断是十分有必要的1。与普通电磁式同步电机相比，永磁直流电机的运行原理基本相同。不同之处在于，它以永磁体代替激磁绕组，这样使得电机的结构更加简单，加工和装配成本降低，与此同时更避免了集电环和电刷等易出问题的环节，使电机运行更加可靠。近10年以来，永磁直流电机的制造工艺和设计程度在逐渐提高。时代日益发展，永磁直流电机渐渐取代了早期的交流电机，特别是产生了永磁无刷电机后，其生产数量迅速增加，更多的场合将使用永磁直流电机。每年我国可以出产超过十亿台的多种永磁直流电机，更有不可胜数的生产厂家。因此，为保证这些电机在各个行业，特别是航空，机器人工作等特殊行业中的可靠运行，采取在线故障检测与容错技术尤为重要2。常见的电机驱动系统，是由电机、逆变器、传感器和控制器组成的，其中逆变器开关出现故障品率高达38%。从上世纪末至今，在电力、交通等工业领域中，三相六开关逆变器都表现出卓越的性能，因此被普遍使用，是工业生产中不可或缺的重要组成部分。然而，逆变器半导体器件易损毁，加之其能量密度高，工作环境多变，因此造成逆变器故障频发，任意一个环节的故障都可能影响到整个系统的工作，更有甚者将会导致系统的瘫痪。容错控制执行的先决条件是对系统故障的正确诊断。所以，为了提高电机驱动系统的安全性能，开展对电机系统故障诊断和容错控制策略研究是十分必要的3,4。航空航天器中很多环节的执行部件都是由电机驱动系统组成，其可靠性保证了整体设备正常工作。高容错电机驱动系统可以在出现故障之后软硬件组成重新组织，构成新的系统，是在及时诊断设备故障前提下的。从而保证整体设备恢复到故障前或比故障前略有降低的情况下继续工作，此方面已变为热点研究方向5,6。对检测到的信息通过一定方法进行系统解析和推理，以此来判断故障类型和确定故障位置的过程称之为故障诊断。由于逆变器开关器件的损毁将导致逆变器异常情况下运行，剩下正常的功率器件就会承受更大的压力。必须及时判断出故障位置，并且消除故障影响，否则会产生停机停产等第二次故障。逆变器通过运用过压、过河北科技大学硕士学位论文2流、过热和驱动电路欠压等诊断和保护电路，有效地减小了功率器件故障对系统的影响。这些常规保护电路在维持逆变器正常工作仅仅是在一定限度上的。然而还是有许多造成保护电路无效的因素，例如工作环境多变，负载和电网扰动，使用不当和电磁干扰等。所以，要保证电机正常工作，就要利用更先进的方法迅速判断和确定出驱动系统的故障，研究者对于这方面愈加重视7。所以本文针对以上故障问题，利用电机三相电流的变化诊断出系统的故障，并进行隔离，容错控制，从而到达电机在较稳定状态下运行。并对四种容错方案分别进行分析对比，选择一种便于实现，成本较低的容错方案。1.2逆变器容错控制研究现状容错控制即FaultTolerantControl，FTC，1971年，容错思想最早出现，完整性控制(IntegralControl)的概念由Niederlinski首先提出，同时，Beard关于容错控制的研究也启动了。Siljak是最早开始专门研究容错控制的，他于1980年发表了关于可靠镇定的文章。“容错”是容忍故障的简称，词概念来自于计算机系统设计技术中，容错控制大体分为两类，其一为主动容错控制(ActiveFTC)，另一类为被动容错控制(PassiveFTC)，是由Eterno等人于1985年提出的。现代容错控制研究方法都是根据此来分类的8。国际自动控制界高度重视对容错控制的研究。自从1991年起IFAC每三年定期召开一次FDD与FTC方面的国际专题学术会议。为此1993年专门成立了领导着容错控制学科发展的IFAC技术过程的故障诊断与安全性技术委员会。FDD与FTC方面的论文在最近几届的IFAC世界大会上不断增加。据统计，1999年7月第14届IFAC世界大会，在北京召开，关于这方面的学术论文有60余篇之多。这几年愈加炙手可热，逐渐成为最热门的几个研究方向之一。当前实行高可靠性系统控制大体包括冗余技术和容错技术。为设备配备多重软硬件，合理分配软硬件，达到系统正常运行，此为冗余技术9,10；当故障出现于系统的重要部位时，可以迅速隔离出系统，通过重新构置和对应的算法，保障系统按照故障前输出性能或稍微降低条件下延续工作，此为容错技术。对提高逆变器正常运行的可靠性随着生产结构丰富而显得尤为突出。正因为此，研究故障容错控制技术被推到了前沿位置。对此，国内外早已进行了多年研究，取得了较为丰硕的成果。在电机驱动系统中，脆弱的逆变器开关器件及其驱动电路，其可靠性问题并没有得到解决11。目前多采用功率变换器和电机绕组的多余度冗余设计以此来提高电机驱动系统的可靠性和安全性并保障系统的容错能力。然而，在大小，轻重等严格受限的场合，冗余设计是不适用的。为此，国外研究者提议在诊断出系统故障后，通过自动补偿故障的影响来维持系统稳定运行或尽量恢复系统故障之前性能的功率第1章绪论3变换器容错控制技术，来使电机驱动系统达到一定的执行能力12-15。1.2.1四开关容错研究现状针对四开关容错，张红兰，胡育文，黄文新16等人关于异步发电系统，通过电压矢量的重新定义，建立了电压矢量开关表，在容错策略下来控制电机的直接转矩，并提出四开关三相逆变器容错策略。仿真和实验证明，此容错策略可使系统获得良好的动态性能。文献还深入的剖析了系统稳定性。孙丹，贺益康17提出了两种容错策略来应对普通的永磁直流电机驱动系统故障：四开关三相容错以及四开关两相容错。文献从新推算了这两种容错策略拓扑后的电压矢量，将相关数学模型构建，提出全新的控制策略，最终进行仿真实验，验证了在这两两种方案的可行性，永磁直流电机驱动系统在维持了故障前的动态性能前提下，容错后仍可持续安全工作。赵克，安群涛，孙力针18基于四开关容错方案，提出一种无位置传感控制系统结构，其优越之处在于避免了位置传感器薄弱的问题。其驱动系统建立自适应滑模观测器，来在线监测电机转子位置和转速，最终控制永磁直流电动机的无位置传感器。同时，在四开关容错方案中，研究分析空间矢量脉宽调制技术，减小了逆变器的输出谐波，仿真和实验最终证明了无位置控制系统能够实现系统逆变器故障后可靠工作。1.2.2针对桥臂冗余容错研究现状桥臂冗余容错，是通过重新构置桥臂和对应的算法，保障系统按照故障前输出性能或稍微降低条件系延续工作。Z.Q.Zhu，K.Utaikaifa，K.Hoang等人19针对此故障，建立新的磁链估算方法，通过仿真提出了三相四桥臂容错方案。并分析了低通滤波器、时间延迟和反电动势波形对正常系统的干扰，且对比了正常和故障后的系统仿真数据，验证了三相四桥臂容错系统的可行性。针对电机驱动系统存在的故障，KasemUtaikaifa20提出了一种能减小转矩脉动的三相四桥臂容错方法。这种方法充分利用了零压矢量技术，是转矩维持在一个近似恒定的范围，最终实现抑制转矩脉动的目的。在文献20中将加入零压矢量前后转矩脉动的波动进行对比，以此对故障电机进行仿真，最后证明了在直接转矩控制中，零压矢量可以有效地抑制脉动。对于普遍的永磁直流电机驱动系统故障，IVONNEYB，孙丹，刘学21等人，通过分析逆变器容错，在原来正常逆变器的基础之上变成三相四开关系统，在此前提下讨论了故障前后驱动系统中变化的空间电压矢量，并建立了新的辅助控制电路来进行容错，得出对应的容错控制方法。最后仿真上述控制策略，验证了容错辅助河北科技大学硕士学位论文4控制电路是正确的并可行。程辉，杨克立，周洪22同样出了新的三相四桥臂容错方案，即基于三相六开关逆变器，增加备用桥臂。当故障发生并成功诊断出后，该故障桥臂被冗余桥臂所代替，此时系统在容错后继续工作。文献对永磁直流电机的中线数学模型进行分析，最终仿真三相四桥臂驱动控制模型，仿真结果表明该容错策略是有效的。阮新波，严仰光23为是逆变器体积减小，通过将第四桥臂构成中点，提出了单桥臂冗余容错策略。该容错策略下，用一种新的电流调节器，来控制逆变器开关状态。文献还在PI调节器基础上，改进的电压调节器，以此来消除静态误差，应用仿真最终验证了该策略的可行性。周元钧，刘宇杰等人24采用两套相同绕组并联的方法来提高系统的可靠性，并针对于永磁同步电机驱动系统，对驱动系统的运行性能进行了分析，最后通过仿真得出驱动系统在容错下，电机功率损耗与控制性能之间的联系。由此看出，国内外相关人士通过对逆变器的容错控制多年研究，得出了许多容错控制理论与方法。对容错逆变器在永磁直流电机中的应用进行了研究，设计了一种基于硬件冗余的容错逆变器，在永磁直流电机发生故障的情况下，逆变器可以使用冗余元器件代替故障元器件，从而使电机继续正常运行。上述文献，对本课题的研究起到了指导性作用，同时提供了思路与方向。通过分析和对比各种实验方法，得出在特点情况下，最适用的容错控制策略1.3本论文工作概述要想进行故障容错，大前提就是正确的针对故障的监测和诊断，研究者们早已进行研究了这一方面，其研究的方法也十分简单并且有效、可靠。故本文对于故障的监测和诊断方面仅仅进行了简单的介绍。电机驱动系统的故障容错就是当其内部某处出现故障后，能够使整个系统在最大限度保证输出性能的前提下继续工作。本文针对逆变器中开关器件故障，提出使用四桥臂三相和四开关三相容错逆变器，针对电机定子绕组匝间短路故障，提出使用四桥臂两相和四开关两相容错逆变器。国内外研究者针对这些常见的故障，提出了许多容错控制策略。在这些方案中，学者们先准确定位故障点，然后将故障处隔离出系统，进而切换到新的容错结构中继续工作。最终通过ANSOFT软件仿真，将故障前后电机的电流，转矩波形图进行对比，根据器件的容错程度，成本造价，最终选择出最优容错方案。针对上述，本文安排的工作如下：第一章对国内外发展历程及最新状况进行了深入了解，对各类容错方案进行了罗列，并指出所在问题，进而确定容错方案并进行对比。在四种容错方案中选择最简单、有效的方案。第二章首先介绍了永磁直流电机的工作特性，结构及其工作原理。接着提出了第1章绪论5空间矢量脉宽调制即SVPWM理论算法，通过对SVPWM算法进行了深入全面的介绍，提出了针对不同电机系统故障而采取的不同控制策略，即四桥臂容错控制和四开关容错控制，最后分别对这四种方案进行SVPWM容错控制。第三章对逆变器进行故障诊断，提出采用相关分析法进行研究，对逆变器单相桥臂故障和电机单相匝间短路故障后各相电流，转矩等特征量的变化进行理论分析，并提出利用DSP来实时在线监测。最后介绍了故障后桥臂隔离技术。第四章基于ANSOFT软件，建立电机及驱动器模型，那个过仿真得出正常情况下各相电流及转矩波形。又针对单相桥臂故障进行仿真，并对仿真结果进行对比分析，最终确定使用四开关三相容错方案是最优方案。第五章基于ANSOFT软件，针对单相绕组匝间短路故障进行仿真，通过对仿真结果分析对比，最终确定使用四开关两相容错方案为最优方案。河北科技大学硕士学位论文6第2章永磁直流电机控制器容错控制算法及控制方案7第2章永磁直流电机控制器容错控制算法及控制方案2.1永磁直流电动机的基本结构上世纪六十年代，电力电子技术飞速发展，相应的出现了永磁无刷直流电机。在永磁无刷电机中，定子上安放电枢绕组，转子上安放永磁体。在结构上基本与永磁同步电机一样；永磁无刷电机装置电子换相器，这大大弥补了有刷直流电机电刷用机械方式来换相缺点，这样使得电机避免了机械摩擦，也极大的延长了电机的使用寿命。它的调速性能与电励磁直流电机同样卓越，同时启动十分迅速，体积较小等以及安全性较高的优势25。同一般电机一样，永磁无刷直流电机也是有定子和转子构成，三相对称的星形接法是定子绕组常用的连接方式；永磁体充好磁附着在转子上，为监测转子的极性，需要在电机内部安装位置传感器。定子和转子结构如图2-1和2-2所示。图2-1永磁无刷直流电动机定子河北科技大学硕士学位论文8图2-2永磁无刷直流电动机转子电机的驱动系统拓扑结构如图2-3所示，是一种典型的机电一体化产品。位置信号传输到控制电路中，控制电路通过逻辑变换后，生成驱动信号，而驱动电路将其放大处理，以此来控制逆变器的各个功率开关管，这样一来，电机的各相会在一定顺序下运行。图2-3永磁无刷直流电动机驱动拓扑通过控制驱动电路的开关通断顺序及时间，来控制电机的输出电压、电流、转速及转矩，以此来等效直流电机的调速。下面将介绍驱动电路控制的基本原理。2.2控制器基本原理(SVPWM)常见的逆变器基本都是标准的三相6开关结构，永磁直流电机直流电源将直流电流经逆变器，逆变为三相交流电。如图2-4所示。本文采用空间矢量脉宽调制即SVPWM，来控制逆变器，最终得以实现理想的电机输出性能。图2-4逆变电路VD3T1T5T3直流电源T4T6T2eAiBiCeBeCVD4VD6VD2C驱动电路控制电路iAVD1VD5第2章永磁直流电机控制器容错控制算法及控制方案9研究者为了优化电动机调速系统的性能，于上世纪末提出了PWM技术，并将此技术应用在逆变器上。其内容是通过控制逆变器上开关器件的导通，使逆变器输出脉冲，这些脉冲的幅值相等但是宽度不同，典型的正弦脉宽调制技术(SPWM)就是这些脉冲近似于正弦波。基于SPWM技术的发展，为了获得圆形轨迹的磁场，在上世纪末，空间矢量脉宽调制技术应运而生，它在异步电机的直接转矩控制中得到了广泛的应用。如此，应用空间矢量脉宽调制技术，可以减小转矩脉动，并且逆变器的直流利用率大大的提高了26。SVPWM(SpaceVectorPulseWidthModulation)的是基于矢量合成的思想，在任意控制期间选择需要的电压矢量，规定其作用时间，以此来讲开关导通时间确定下来，这样就可以合成我们需要的电压矢量，磁通的控制磁通可以使其更加近似于圆形轨迹。2.2.1SVPWM原理介绍所谓的SVPWM算法，就是平均值等效原理，其意义是在一个开关周期以内，合成基本电压矢量，将其平均值近似于参考电压矢量。在任意时期内，电压矢量旋转到任意区域时，此区域中的相邻的非零矢量和零矢量通过时间不同来合成参考电压矢量。其作用时间在一个周期内可作用多次。只要控制各个电压矢量的工作时间，电压空间矢量就会越来越以近似圆形的轨迹转动。逆变器开关状态，是由其不一样的状态产生的实际磁通和理想圆形磁通的比较来决定的27-29。六个开关功率管两行三列排列，组成了逆变器三相桥臂，各相上下桥臂开关组合不同，逆变器输出的空间电压矢量也不相同，特定义开关函数为：,xSabc10xs上桥臂导通下桥臂导通(2-1)设直流母线侧电压为，(Sa、Sb、Sc)的全部可能组合共有八个，包括6dcU个非零矢量、和两1021341U5061U个零矢量、，其空间矢量分布如图2-5所示。732U4U10272河北科技大学硕士学位论文10图2-5三相半桥逆变器的电压矢量将逆变器输出合成的空间电压矢量与开关建立关系，电机相电压与逆变器的开关状态可以描述为：213aadcbbccusU(2-2)定义电压空间矢量：2343u3jjSabceu(2-3)其中，、分别为电机绕组相电压，为三相电压的合成矢量。aUbcsU、分别表示a、b、c桥臂功率管的开关信号，等于1时表示上管导通aSbc下管关断，等于0表示上管关断下管导通，见式(2-1)。下面以其中一种开关组合为例分析各矢量，假设，此(,)(10xSabc时整个电机系统的等效电路如图2-6所示。UdcUaUbUcN图2-6逆变电路,0,abdcbcadcNNcUU(2-4)求解上述方程可得：、。同理23aNdc3bNdc3cNdc可计算出其它各种组合下的空间电压矢量，列表如2-1所示。表2-1三相半桥逆变器的电压矢量6U5U第2章永磁直流电机控制器容错控制算法及控制方案11abcUsaubucusU000001dc23U3dc3dcdc2320Udcdc2dcU3jdce313dcdc233dc23jdc402dcUdcdcjdce51U3dc3dcdc23U432jdc60dc2dcdc53jdce710000通过表2-1可知，六个非零矢量的模长都是，位于中心位置的零矢量23dcU幅值为零，相邻的两个矢量间隔60。SVPWM线性组合，其控制方法就是在每一个开关周期内，合理切换两个相邻非零矢量和零矢量，并逐渐接近旋转参考矢量，这样一来合成的电压矢量轨迹就更加近似于圆形。由于在电压空refU间向量中三相正弦波电压，等效组成一个旋转电压，输入电源角频率就等于其旋转速度，生成的轨迹将是如图2-7所示。因此利用以上电压向量合成技术，就可以得到三相正弦波电压。在电压空间向量上，设定的电压向量可以从位置开始，逐渐增加一个小增量，用该区中相邻的两个基本非零向量10与零电压向量合成每一个小增量设定电压向量，如此所得到的设定电压向量，基本上可以看成一个平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。6U3U13dcU245U1河北科技大学硕士学位论文12图2-7电压矢量轨迹2.2.2SVPWM算法推导1)为了控制参考电压，并推算参考电压在哪个扇区，设在直refUrefU-角坐标系统中的分量分别为、，即：234refujjabcje(2-5)将表2-1中各相电压值带入式(2-5)，经复数运算可得：13ref20jkdU,2.607(2-6)各矢量的具体结果列于表2-1最后一列。由式(2-5)得，并考虑到。可以得到坐标系与坐uabc-abc标系之间的电压变换关系122033abcUU(2-7)0132abcUU(2-8)这样根据给定参考电压的分量、，由得出空refarctnU间矢量电角度。通过式(2-8)式可以计算出各相电压、，再由式(2-9)和bc表2-2中的对应关系，所处的扇区即可以判断出。其中，设定N值为对应扇refU区的编号。表2-2N值与扇区号的对应关系N123456扇区号第2章永磁直流电机控制器容错控制算法及控制方案13sign2si4signabcNUU(2-9)式中，代表符号函数，当时，；否则。signx0xi1xsin0x2)判断出参考电压所处扇区后，下面开始分别计算各扇区内相邻电压ref矢量的作用时间，从而可以得出各开关器件的通断顺序及时间。在任意扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，如图2-7所示。根据伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量，即：*000sxxyxyTTTTrefUdttUdtt(2-10)或者等效成下式：0*refsxyTT(2-11)其中，为采样周期；、分别为对应两个非零电压矢量、sTxy0xU和零电压矢量在一个采样周期的作用时间；其中包括了和两个yU0o07零矢量。式(2-11)的意义是，矢量在时间内所产生的积分效果值和、refUsTx、分别在时间、内产生的积分效果相加总和值相同。y0xyT0欲合成的参考电压向量在第区中第一个增量的位置，如图2-8所示，ref欲用、及合成，在SVPWM调制方案中，零矢量的选择是最随意1207的，选择合适的零矢量，开关变换次数将会尽量减少，这样就可以尽量克服在负载电流较大时开关动作，其目的在于可以尽量地减少开关损耗。从到只0U1需A相桥臂上下功率管变换，而B、C两相的4个功率管不用变幻，因此在I扇区内不用此零矢量。用平均值等效可得：7U120*refSTUT(2-12)I扇区1U23dc3ref河北科技大学硕士学位论文14图2-8电压空间向量在第I区的合成与分解在两相静止参考坐标系(，)中，令和间的空间电角度为，由refU1正弦定理可得：122|cos|cos3|in|irefsrfsTU轴轴(2-13)因为|=|=，所以可以得到各矢量的状态保持时间为：123dc12sin()3STm(2-14)式中m为SVPWM调制系数，。(调制比=调制波基波峰值refdcU/载波基波峰值)而零电压向量所分配的时间为：7012sTT(2-15)得到以、及合成的的时间后，接下来就是如何产生实际1U27ref的脉宽调制波形。根据参考电压，去判断参考电压矢量所在扇区；之后进行电压矢量分ref配，从而可以获得A、B、C三相SVPWM波形的占空比；最后，通过占空比以及三角波进行PWM调制，六个功率管的开关信号便可以得出。2.2.3永磁直流电动机的工作原理通过SVPWM调节电机的逆变器，可以控制电机的输出性能。以此可以得出电机的工作原理。由位置传感器、逆变器触发电路还有功率开关管共同构成了电机的驱动系统。常见永磁直流无刷电动机分1200导通和1800导通两种基本工作状态。1200导通状态下，电机转子上的永磁体N-S交替交换工作，这样位置传感器将产生相位差1200的U、V、W方波。当转子转到图2-9a所示位置时，此时T1、T6开关管导通，A、B两相绕组处于通电状态，合成电枢磁动势Fa由A、B两相绕组电流生成，并与转子磁动势Ff相互作用，如此产生的电磁转矩拖动转子运动，此时的运动方向为顺时针方向，而两者之间的夹角恰恰为1200电角度。定子合成磁场的步距的电角度为600，当到达图2-9b所示位置时，转第2章永磁直流电机控制器容错控制算法及控制方案15子刚好转过600电角度。此时T6断开，T2闭合导通，而T1依然处于导通状态，A、C两相绕组开始通电，使转子在此和上述方式一样，继续顺时针旋转。以此类推，每当转子转过600时，逆变器桥臂上的功率开关就切换一次，功率开关管的导通顺序为T1-T6、T1-T2、T3-T2、T3-T4、T5-T4、T5-T6。在一个周期内，电磁转矩为使其顺时针方向旋转，将不断地给转子一个顺时的作用力。a)A、B相导通b)A、C相导通图2-9无刷直流电动机导通原理1800导通状态与1200导通状态工作原理基本上相同。不同之处在于1800导通状态时，每一时刻均有三相绕组处于导通状态，逆变器3个桥臂上都会有1个晶体管处于导通状态，通过驱动信号处理产生T1-T6-T2导通、T1-T3-T2导通、T4-T3-T2导通、T4-T3-T5导通、T4-T6-T5导通、T1-T6-T5导通，电机绕组的导通顺序为abc、abc、abc、abc、abc、abc。2.3控制器单相桥臂故障容错控制技术当系统发生一相故障时，根据诊断系统判断故障类型，通过相应的SVPWM容错控制算法，故障前后系统的输出性能保持相同即可实现，还可以使故障态输出转矩脉动最小化，达到强容错的目的。下面即分析在一相故障时，启用四桥臂三相或四开关三相逆变器容错的控制策略。2.3.1四桥臂三相容错拓扑四桥臂三相容错拓扑如图2-10所示30。当某一桥臂的开关器件发生故障时，及时准确判断出故障相，并将故障桥臂脱离电机系统，与此同时相应的双向晶闸管被控制出触发而变成导通状态，那么绕组即切换到备用桥臂上。也可将原逆变器系统三个桥臂都配备上备用桥臂，这样就构成了三相桥臂冗余拓扑。重构后的逆变器与正常情况下控制方法相同，无需额外调整。FfFaWNSAVCUBFaFfASNWUVBC河北科技大学硕士学位论文16图2-10四桥臂三相拓扑2.3.2四开关三相容错拓扑用串联的两电容取代上述拓扑结构的备用桥臂，如此就组合为四开关三相型容错逆变器，如图2-11示31-34。三个双向晶闸管在正常情况下关断，当三相桥臂中某一桥臂出现故障后，触发导通与该桥臂相连的双向晶闸管，这样使得故障桥臂与逆变器隔离，并用所串联电容来取代，此时逆变器仅有四个开关进行工作。不同于正常情况下的六开关逆变器，四开关逆变器仅仅具有四个基本电压矢量。此时采用上述SVPWM调制策略控制剩下四个开关，即可实现容错控制。由于A相绕组于辅助桥臂串联电容中性点相连，每个电容均有电源一半的电压。因此输出线性最大电压矢量的幅值为，只有六开关逆变limU23dc器的二分之一。逆变器单桥臂开路、短路故障的重新组合之后的机构都可以归结为四开关逆变器，或称为B4逆变器。以此类推，正常情况下的三相六开关逆变器也称为B6逆变器。其等效电路图如图2-12所示，此时故障相A相桥臂已经隔离出逆变器系统，原A相桥臂由两个电容代替，A相绕组与电容中点相连，此设计保持电容电压的平衡是容错的关键，此时仅有开关、和工作。同3S562S理，其他各相功率管故障后的电路配置方式与A相类似。第2章永磁直流电机控制器容错控制算法及控制方案17图2-11四开关三相拓扑图2-12四开关三相容错逆变器等效电路图四开关逆变器仅有4个开关器件，因此仅存在4个开关状态。四开关逆变器对应导通模式分别记为、和。1U0231U0设电容两端电压平衡，电机相电压与逆变器开关状态的关系描述为：213adcbbccus(2-16)河北科技大学硕士学位论文18定义电压空间矢量：2343s3jjabcUueu(2-17)4个开关的导通与否，将形成4个空间电压矢量，其分量和可由uClarke变换或者参考电压矢量在轴上的投影得到：ref12122303dcbcuUs(2-18)电压矢量及其分量与开关模式的关系如表2-3所示，上标a、b、c分别对应于该相桥臂容