基于九开关变换器的双永磁同步电机重构容错方法

本发明属于电机系统及控制，具体提供一种基于九开关变换器的双永磁同步电机重构容错方法。

背景技术：

1、永磁同步电机凭借高功率密度、高可靠性及高效率等突出特点，在工业机器人、数控机床等高精度控制场合得到广泛应用。目前对于永磁同步电机，最常用的驱动方式是基于三相半桥电路的矢量控制方法。在双永磁同步电机控制领域，需要两台三相半桥电路驱动电机，12个功率器件和6个电流传感器数量较多，成本较高，功率密度较低。

2、随着人类对产品的便携性、可操作性、经济性、可靠性、节能性的需求的提高，压缩成本、减小体积、降低损耗成为当今世界工程技术研究的热点方向。同样，对于电机驱动系统的变换器而言低成本、高可靠性的少开关器件吸引着电力电子方面的专家与学者的目光，各种新型的逆变器的拓扑、各种单电流传感器电流重构法和无电流传感器控制法也应运而生了。

3、在现有少开关变换器技术方案中，五桥臂变换器功率器件数量最多，四桥臂变换器的功率器件数量最少，但是多了两个电容，且存在中性点漂移的问题。而且这些电路驱动电机时都需要大量的电流传感器。目前的单电流传感器电流重构法和故障诊断与容错控制方法仅仅适用于三相半桥电路拓扑，且两个电机需要两个电流传感器。需要研发一种功率开关器件和电流传感器较少的双电机独立控制方法，能够降低成本，提高可靠性。

技术实现思路

1、为了克服上述缺陷，本发明提供了一种低成本的基于九开关变换器的双永磁同步电机重构容错方法。

2、在第一方面，本发明提供一种基于九开关变换器的双永磁同步电机重构容错方法，包括：

3、基于九开关变换器对所述双永磁同步电机的三相电流进行重构；其中，所述九开关变换器包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第四开关元件、第五开关元件、第六开关元件、第七开关元件、第八开关元件、第九开关元件、电阻器、电容器以及电流传感器；

4、基于所述电流传感器对所述同步电机的电流进行采样，判断该电流传感器是否发生故障；

5、若发生故障，则基于所述电流传感器采用电流观测器进行容错控制。

6、进一步地，所述九开关变换器包括：

7、所述第一开关元件的输入端与所述电容器的第一端连接，所述第一开关元件的输出端与所述第二开关元件的输入端连接，所述第二开关元件的输出端与第三开关元件的输入端连接，所述第一开关元件的控制端接收控制信号以改变所述第一开关元件的工作状态，所述第二开关元件的控制端接收控制信号以改变所述第二开关元件的工作状态，所述第三开关元件的控制端接收控制信号以改变所述第三开关元件的工作状态；

8、所述第四开关元件的输入端与所述电容器的第一端连接，所述第四开关元件的输出端与所述第五开关元件的输入端连接，所述第五开关元件的输出端与第六开关元件的输入端连接，所述第四开关元件的控制端接收控制信号以改变所述第四开关元件的工作状态，所述第五开关元件的控制端接收控制信号以改变所述第五开关元件的工作状态，所述第六开关元件的控制端接收控制信号以改变所述第六开关元件的工作状态；

9、所述第七开关元件的输入端与所述电容器的第一端连接，所述第七开关元件的输出端与所述第八开关元件的输入端连接，所述第九开关元件的输出端与第六开关元件的输入端连接，所述第七开关元件的控制端接收控制信号以改变所述第七开关元件的工作状态，所述第八开关元件的控制端接收控制信号以改变所述第八开关元件的工作状态，所述第九开关元件的控制端接收控制信号以改变所述第九开关元件的工作状态；

10、所述第三开关元件的输出端、第六开关元件的输出端以及第九开关元件的输出端均与电阻器的第一端连接，所述电阻器的第二端与所述电容器的第二端连接；

11、所述电阻器的第一端和第二端分别与所述电流传感器连接；

12、所述电容器的第一端用于与电源正极连接，所述电容器的第二端用于与电源负极连接；

13、所述第一开关元件的输出端用于与第一电机的第一相线连接，所述第四开关元件的输出端用于与第一电机的第二相线连接，所述第七开关元件的输出端用于与第一电机的第三相线连接，所述第二开关元件的输出端用于与第二电机的第一相线连接，所述第五开关元件的输出端用于与第二电机的第二相线连接，所述第八开关元件的输出端用于与第二电机的第三相线连接。

14、进一步地，所述基于九开关变换器对所述双永磁同步电机的三相电流进行重构包括：

15、在可观测区和非观测区，基于九开关变换器的电流传感器采集所述双永磁同步电机的三相电流，完成全部相电流的重构，其中，采集方法为每周期采样四次，每次采集得到两个电机的两相电流，共四个电流。

16、进一步地，所述非观测区，基于九开关变换器的电流传感器采集所述双永磁同步电机的三相电流包括：

17、在电压矢量位于扇区切换非观测区时，调整单个电压矢量的作用时间；

18、在电压矢量位于低调制非观测区时，对两个电压矢量的作用时间进行调整，每个周期内只调整一个电压矢量的作用时间，另一个电压矢量的作用时间采用上个周期的作用时间；在电压矢量位于高调制非观测区时，基于近似处理法调整电压矢量。

19、进一步地，所述在电压矢量位于扇区切换非观测区时，调整单个电压矢量的作用时间包括：

20、第一电机的电压矢量作用时间为t1，第二电机的电压矢量作用时间为t2，tmin为最小采样时间, tmin=td+tset+tadc；td表示死区时间；tset表示母线电流建立时间；tadc表示采样所需时间。

21、当t1≥2tmin且tmin<t2<2tmin时，基于移相法对单个电压矢量的作用时间进行调整；

22、当t1≥2tmin且t2<2tmin时，采用电压矢量插入法对单个电压矢量的作用时间进行调整。

23、进一步地，所述基于所述电流传感器对所述同步电机的电流进行采样，判断该电流传感器是否发生故障包括：

24、通过所述电流传感器分别对两个电机的每相电流进行采样，得到两个电机的六相电流；

25、获取采样得到的电流的电流残差；

26、基于所述电流残差与预设阈值的差别，判断所述电流传感器是否发生故障。

27、进一步地，所述基于所述电流残差与预设阈值的差别，判断所述电流传感器是否发生故障包括：

28、若任一一相电流的电流残差高于预设阈值，则判断所述电流传感器发生故障。

29、进一步地，所述基于所述电流传感器进行容错控制包括：

30、构建电流观测器；

31、基于所述电流观测器得到两个电机的三相电流值；

32、根据得到三相电流值，基于改进的模型预测控制进行容错控制。

33、进一步地，所述改进的模型预测控制包括：

34、获取第一电机和第二电机的电压矢量参考角；

35、根据所述电压矢量参考角建立选择策略，在15个电压矢量中选择5个用于遍历的电压矢量；

36、基于目标函数遍历5个电压矢量，选择所述目标函数最小值的电压矢量所对应的开关状态作为下个周期的开关状态。

37、进一步地，电压矢量参考角θv*：

38、；

39、式中，为功角，；根据速度环反馈的i*q可以得到ψ*d和ψ*q；θe为定子电角度；

40、所述目标函数：

41、；

42、其中，分别将两个转速环得到的q轴电流参考值和d轴参考电流减去k+1时刻的dq轴电流得到两个电机单独的电流预测的目标函数：

43、

44、

45、λ是两个电机的权重系数，μ为损耗函数权重系数。

46、本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：在实施本发明的技术方案中，基于九开关变换器的双永磁同步电机单电流传感器相电流重构法极大减少了功率器件和电流传感器数量。基于九开关模型预测控制的电流传感器故障诊断与容错控制提高了基于九开关变换器的双电机驱动系统可靠性。而且基于模型预测控制的三相电流容错控制相当于无电流传感器控制，进一步降低了系统成本，提高了功率密度，且提高了双电机控制的整体性能。

技术特征：

1.一种基于九开关变换器的双永磁同步电机重构容错方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述九开关变换器包括：

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基于九开关变换器对所述双永磁同步电机的三相电流进行重构包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述非观测区，基于九开关变换器的电流传感器采集所述双永磁同步电机的三相电流包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在电压矢量位于扇区切换非观测区时，调整单个电压矢量的作用时间包括：

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基于所述电流传感器对所述同步电机的电流进行采样，判断该电流传感器是否发生故障包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述电流残差与预设阈值的差别，判断所述电流传感器是否发生故障包括：

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基于所述电流传感器进行容错控制包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述改进的模型预测控制包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

技术总结
本发明属于电机系统及控制技术领域，具体提供一种基于九开关变换器的双永磁同步电机重构容错方法，采用移相法、电压矢量插入法和近似法针对扇区切换不可观测区，低调制不可观测区，高调制不可观测区分别采用不同的策略进行电流重构。并基于定子坐标变换对九开关变换器电流传感器进行故障诊断。针对三相电流重构的问题，建立了新的电压矢量表，基于开关函数和电机数学模型构建了电流观测器。为提高九开关变换器双电机驱动系统的动态性能和稳态性能，采用改进的有限集模型预测控制实现双电机独立控制。以此降低成本，提高功率密度，提高可靠性。

技术研发人员：甄然,贾天亮,郭伽,华长春,王昭雷,闫荣新
受保护的技术使用者：河北科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23