[发明专利]用于永磁同步电机的失磁故障容错预测控制方法及装置

摘要

本发明公开了一种用于永磁同步电机的失磁故障容错预测控制方法及装置，方法实施步骤包括获取永磁同步电机的转速、电压、电流，设计失磁转矩检测滑模观测器获取失磁扰动估计值和转速的观测值，进行容错预测转速控制计算q轴指令电流，设计失磁磁链检测滑模观测器获取电流的观测值、永磁体失磁后的状态电流观测值，进行容错预测电流控制计算指令电压，经逆Park变换、SVPWM模块调制生成PWM脉冲信号；装置包括方法步骤对应的程序单元。本发明实现了永磁体失磁情况下，永磁同步电机的转速与电流快速无静差地跟踪，优化了转速环与电流环的控制性能，有利于拓展永磁同步电机在环境恶劣、可靠性要求高的场合的应用。

主权项

1.一种用于永磁同步电机的失磁故障容错预测控制方法，其特征在于实施步骤包括：1)获取永磁同步电机的转速ω及d轴电压ud、q轴电压uq、d轴电流id以及q轴电流iq；2)设计失磁转矩检测滑模观测器，将q轴电流i_q与转速ω输入失磁转矩检测滑模观测器中得到失磁扰动估计值和转速的观测值3)根据参考转速ω^ref、失磁转矩检测滑模观测器中得到失磁扰动估计值和转速的观测值进行容错预测转速控制计算q轴指令电流4)设计失磁磁链检测滑模观测器，将d轴电压u_d、q轴电压u_q、d轴电流i_d以及q轴电流i_q与转速ω输入失磁磁链检测滑模观测器，得到d轴电流的观测值q轴电流的观测值永磁体失磁后的d轴状态电流观测值以及q轴状态电流观测值5)设定d轴指令电流为0，根据d轴指令电流q轴指令电流d轴电流的观测值q轴电流的观测值永磁体失磁后的d轴状态电流观测值以及q轴状态电流观测值进行容错预测电流控制计算d轴指令电压和q轴指令电压6)将d轴指令电压和q轴指令电压经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的α相指令电压u_α和β相指令电压u_β；7)将两相静止坐标系下的α相指令电压uα和β相指令电压uβ经SVPWM模块调制后生成用于驱动永磁同步电机工作的6路PWM脉冲信号；步骤2)的详细步骤包括：2.1)基于q轴电流iq与转速ω建立如式(1)所示的永磁体失磁情况下永磁同步电机的运动方程；式(1)中，为转速ω的积分，B为阻力摩擦系数，J为转动惯量，n_p为极对数，ψ_ro为永磁体磁链，i_q为q轴电流，f_ω为永磁体失磁引起的不确定项，△ψ_rd为永磁体失磁后磁链在d轴上的变量，T_L为负载转矩；2.2)选取如式(2)所示的积分终端滑模面；式(2)中，s_oω为积分终端滑模面，λ为大于0的参数，sgn(·)为符号函数，e_oω为转速ω的观测值转速ω之间的差值，τ和t为时间；2.3)设计如式(3)所示的积分终端滑模观测器，得到转速的观测值式(3)中，为积分终端滑模观测器，B为阻力摩擦系数，J为转动惯量，为转速ω的观测值，n_p为极对数，ψ_ro为永磁体磁链，i_q为q轴电流，U_oω为滑模控制律；2.4)设计如式(4)所示的滑模控制律；式(4)中，U_oω为滑模控制律，B为阻力摩擦系数，J为转动惯量，e_oω为转速ω的观测值转速ω之间的差值，λ为大于0的参数，sgn(·)为符号函数，s_oω为积分终端滑模面，l₁和l_s1分别为大于0的待设计参数；2.5)求解如式(5)所示的永磁体失磁情况下的不确定项得到失磁扰动估计值式(5)中，为失磁扰动估计值，J为转动惯量，n_p为极对数，U_oω为滑模控制律；步骤3)中计算q轴指令电流的函数表达式如式(6)所示；式(6)中，为q轴指令电流，n_p为极对数，ψ_ro为永磁体磁链，T_d为采样周期，为转速指令值ω^ref、转速的观测值之间的差值，为转速的观测值，B为阻力摩擦系数，J为转动惯量，为失磁扰动估计值；步骤4)的详细步骤包括：4.1)建立如式(7)所示的永磁体失磁故障情况下的永磁同步电机状态方程；式(7)中，x和y均为d轴电流和q轴电流组成的矢量，为矩阵x的积分，u为d轴电压和q轴电压组成的矩阵，中间矩阵A,B,C,D的函数表达式分别如式(8)～(15)所示；式(8)～(12)中，ud为d轴电压，uq为q轴电压，id为d轴电流，iq为q轴电流，ψro为永磁体磁链，△ψrd为永磁体磁链ψr在d轴上的变量，△ψrd小于0，△ψrq为永磁体磁链ψr在q轴上的变量，△ψrq大于0，R为定子电阻，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，ω为永磁同步电机的转速；4.2)选取如式(16)所示的滑模面；式(16)中，e为选取的滑模面，x为d轴电流和q轴电流组成的矢量，为x矩阵的观测值构成的矢量，e₁为d轴电流i_d和d轴电流观测值之间的差值，e₂为q轴电流i_q和q轴电流观测值之间的差值；4.3)设计如式(17)所示的失磁磁链检测滑模观测器，得到d轴电流的观测值q轴电流的观测值式(17)中，为d轴电流和q轴电流组成的矩阵x的观测值的积分，A为式(9)所示的中间矩阵，B为式(10)所示的中间矩阵，u为d轴电压和q轴电压组成的矢量，ω为永磁同步电机的转速，为滑模控制项，sgn(·)为符号函数，k和H为待设计矩阵，且有待设计矩阵k的表达式如式(18)所示；式(18)中，构成待设计矩阵k的变量k1和k2均大于0；4.4)求解如式(19)所示永磁体失磁情况下磁链的观测值；式(19)中，为永磁体磁链ψ_r在q轴上的变量△ψ_rq的观测值，为永磁体磁链ψ_r在d轴上的变量△ψ_rd的观测值，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，和为待设计矩阵的任意k₁和k₂，sgn(·)为符号函数，e₁为d轴电流i_d和d轴电流观测值之间的差值，e₂为q轴电流i_q和q轴电流观测值之间的差值，ψ_ro为永磁体磁链；4.5)根据如式(20)计算状态电流观测值，分别得到永磁体失磁后的d轴状态电流观测值以及q轴状态电流观测值式(20)中，为第k个采样时刻的永磁体失磁后的d轴状态电流观测值为第k个采样时刻的永磁体失磁后的q轴状态电流观测值R为定子电阻，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，T_d为采样周期，i_d(k)为第k个采样时刻的d轴电流，i_q(k)为第k个采样时刻的q轴电流，ω(k)为第k个采样时刻的永磁同步电机的转速，ψ_ro为永磁体磁链，为永磁体磁链ψ_r在q轴上的变量△ψ_rq的观测值，为永磁体磁链ψ_r在d轴上的变量△ψ_rd的观测值；步骤5)中计算d轴指令电压和q轴指令电压的函数表达式如式(21)所示；式(21)中，u(k)为d轴指令电压和q轴指令电压构成的矢量，F的函数表达式如式(22)所示，i^ref(k+1)为如式(23)所示的第k+1个采样时刻的电流指令值，为如式(24)所示的第k个采样时刻的永磁同步电机的运行状态，为如式(25)所示的永磁体失磁后的状态电流观测值，u(k)为如式(26)所示的d轴指令电压和q轴指令电压构成的矢量；式(22)～式(26)中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，T_d为采样周期，为第k+1个采样时刻的d轴电流指令值，为第k+1个采样时刻的q轴电流指令值，为d轴电流的观测值，为q轴电流的观测值，为第k个采样时刻的永磁体失磁后的d轴状态电流观测值为第k个采样时刻的永磁体失磁后的q轴状态电流观测值为第k个采样时刻的d轴指令电压为第k个采样时刻的q轴指令电压