3种谐波电流注入模式下的磁通切换永磁电机缺想容错控制分析

3种谐波电流注入模式下的磁通切换永磁电机缺想容错控制分析

郑伟

（兖矿股份有限公司东滩煤矿山东273500）

摘要：对于矢量控制九相定子36槽/转子34极磁通切换永磁电机驱动的系统中一相断路故障工况进行研究。遇到单相故障的情况时，可以转矩电流分量不变及定子铜耗方程为据，提出了3种谐波电流注入模式下无扰运行的容错控制策略，顾名思义就是在容错运行时分别注入3次的3、5次以及3、5、7次的谐波电流，进而可以获得铜耗最小优化目标的容错电流通用的在线生成方法。仿真分析和原理样机容错实验结果都证明了所提方案可以减小定子绕组新路故障引起的转矩脉动，使得九相FSPM电机在故障状态下的运行性能得到很大的改善，同时又可以有效提高调速系统的可能性。

关键词：磁通切换永磁；永磁电机；容错控制

引言：现如今，国内外很多学者都致力于研究电机系统的容错。而与三相电机相比，多相电机具有转矩密度高、效率高、转矩脉动小和容错能力强等许多的突出优点，在交通运输、海上风电等大功率、高可靠性应用场合具有明显的优势。因此，多相电枢绕组定子永磁型无刷电机结构正受到极大的关注；对应于多相定子永磁型电机驱动中的故障容错控制已成为当前国内外相关领域的研究热门课题。

缺相运行在多相电机故障模式最为常见，同时也是研究的一大热点，并且已取得了大量的相关研究成果。对于基波总磁势不变原理的容错控制策略得到了广泛的研究"14-151"，这种方法通过重置缺相后各相电流的相位和赋幅值从而得到的和缺相前同样的圆形基波旋转的磁势，从而得以维持电机的正常运转的现象。但是，这样的解并不唯一，可以通过最优化方法从中寻找出使某一性能指标达到最优的结果，但需要多次复杂的迭代计算才能得出最终施加在正常相绕组上的给定电流，整个控制过程则是个不易软件的编程。除此之外，没有定量分析缺相后多相谐波子空间电流分量，因此，这个算法在电流控制时多数采用滞环比较的方法。将缺相后不对称的电机模型变换成解耦的对称的电机模型，以实现磁场定向和矢量控制，优点：控制性能相对优秀，缺点则是缺相后电机数学模型之复杂，尤其是在电机相数较多时稍显繁琐，断相处于不同位置则需要建立不同的数学模型，通用性不好。文献提出的最优电流直接控制策略无需迭代计算且易于实时的控制，但是还需要H桥独立驱动进行各相绕组，所用功率器件的数量也比较多，较高发热量，增加逆变器故障率，可能还会造成某些相出现超负荷状态，不具备通用性的缺点。因此，提出了一种被称之为新型多相定子永磁型电机的容错控制策略有着十分重要的理论及实践意义。

笔者在此研究了一种具备容错能力极强的九相磁通切换永磁电机，阐述了该电机的工作原理及其性能特点。同时，又针对电机发生缺相故障的工作状况，建立了九相解耦反变换矩阵的模型，并且在此基础上研究了全解耦后奇数次谐波电流分量对基波转矩电流分量的全部影响，并提出了3种谐波电流注入模式的容错控制系统。最后，仿真和样机的结果都成功验证了控制系统的有效性和该电机系统的容错能力极强。

对于FSPM电机相电流解耦分析

1.相电流解耦

对于九相FSPM电机，定子绕组形成圆形旋转磁场是电机平稳运行的必要条件，所以当电机驱动系统发生故障后，电机维持平稳运行的关键是调整电机定子电流使之仍能形成圆形旋转磁场。

在正常状态下，在由九相电压型逆变器供电的单一中性点连接方式九相电机系统中，存在零序电流为零的要求。按照幅值不变原则，可得九相系统自然坐标系到静止正交坐标系的扩展派克变换形式：式中：γ=2π/9；和（h=l3，5.7）分别为正常运行时各次子空间静止坐标系下的定子电流分量，实际上，它们分别反映了3、5、7次谐波磁势的大小、相位以及无故障时定子基波磁势，比如，基波定子磁势的幅值正比于后十后，相位取决于1a。

经过计算与变换，九相FSPM电机系统可以分解成4个相互独立的空间矢量，并分别折射到4个相互独立的正交子空间平面，即对应于基波空间和3、5、7次谐波子空间。由于设计电机时对3、5、7空间谐波磁势进行了优化，含量相对较小。本文仅考虑到基波磁势作用，此时3、5、7次谐波子空间可看作是气隙磁势的自由度。

根据电机学的一些原理可知，电磁转矩等于电流不变时磁共能（Wo）对机械角位移的偏导数。当k相绕组断路时，虽然由其他绕组电流及定子永磁体产生的磁链仍会在k相绕组中产生相应的感应电动势，但是，由于该相电流为零不再参加能量转换所引起的该相转矩缺失，造成了转矩脉动的现象。最后，根据功率守恒的原则，九相FSPM电机一相断路时的瞬时电磁转矩。

2容错控制方案

基于矢量空间解耦变换的九相FSPM电机谐波电流注入的容错控制框图，控制系统还包括一个转速外环和8个电流内环。当电机及其控制系统正常工作时，在每一个控制周期中，通过光电编码器测量并计算得到的电机的转子位置8和转子实际转速a，与给定转速值an比较后经转速环PI调节器得到给定电磁转矩基波交轴电流分量igi；利用3、5、7次谐波电流给定为零（5：0）和算出的位置信号与检测到的实际谐波、基波电流进行对比之后，经8个电流的内环PI调节器得到1、3.5、7次子空间dq轴参考电压的给定val、Vgi、Vin和Vq（h=3，5，7），通过空间矢量脉宽调制模块得到相应的PWM脉冲信号，经过九相电压型逆变器相互作用于九相磁通切换永磁电机上。

当电机或者其控制系统出现任何故障时，就立刻封锁在上、下桥臂开关管的所有驱动信号，以防出现再次的不必要的故障，同时结合故障状态变量ξ1在线求解3种模式下的谐波电流分量值以补偿基波磁势损失即维持云和动p的相对恒定，同时，间接重构剩余八相电流的瞬时值。整个容错过程中也不再需特别做控制策略和算法切换，并且能保证系统缺相故障之后能有百分百的额定转矩输出，同时，保持电机的转速始终不变，以达到l系统的更强的容错能力的理想实验效果。

3设计与仿真

为了能验证理论的分析，对一台额定功率为10kW的九相FSPM电机进行了一系列的仿真研究。可以利用Matlab的工具箱建立九相FSPM电机及其控制系统模型，主要包括了功率变换器模块、电流直接控制算法模块、九相FSPM电机模块以及转速PI调节器模块。仿真实验中电机给定负载转矩为50N-m及参考转速为300r分钟，转速外环的PI调节器保证电磁转矩脉动在允许的范围之内。

4实验验证

为了验证上述理论分析和仿真结果的正确性，因而搭建出九相36/34极FSPM电机的高性能的测试平台。为了提高对于FSPM电机的控制效果，控制器采用了dSPACE实时仿真单板系统DS1005的控制板，与综合设计仿真平台下的Matlab/Simulink系统及仿真的部分进行连接，通过直接编译Simulink环境下的仿真的模型，然后产生到dSPACE的实验平台才能够其辨识的代码，建立可以在线调整各项参数的实验系统，并进行性能以和控制方法的实验。主电路采用了九相全桥无中线电路，PWM信号由I/O控制板对进行DS4002的输出，2048线增量式光电编码器用来测试电机转子位置以及转速，继电器模块用来模拟绕组断路。与仿真系统运行工况一致的条件下，进行了以第I相绕组断路故障容错的实验。在此需要郑重指出的是，实验过程中转矩脉动不仅包含了定位力矩这一具体参数，同时还包含了逆变器非线性特性等其他引起的转矩脉动，因此转矩脉动率测量值要比仿真值高。

结束语：本文对矢量控制九相磁通切换永磁电机驱动系统中一相断路故障工况进行了系统的研究，提出了3种谐波电流注入的容错控制策略分析。从基波磁势不变及定子铜耗最小约束条件两个角度在线实时求解3、5、7次谐波子空间电流分量，便可实现九相电机的缺相容错运行的理想效果。由于整个容错控制算法对电机参数的依赖性较小，使得其控制程序具有很好的移植性及通用性，有利于工程调试，进而推广到两相、三相甚至更多相故障的无扰运行容错控制系统，保证系统容错能力强的同时，又降低了软硬件的复杂度，并易于数字化的最终实现。

参考文献：

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