CN102223131B - 一种容错式磁通切换永磁电机的驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种容错式磁通切换永磁电机的驱动控制方法，当电机在正常运行状态时，采用三相二次谐波控制，先计算电机的转矩脉动分量，分析转矩脉动分量，再注入二次谐波电流；用以抵消谐波反电势引起的转矩脉动；当电机发生缺相故障时，采用非故障的两相理想电流波形控制，使系统带故障运行，保持电机的输出转矩基本不变，提高功率密度和驱动的可靠度。

Description

一种容错式磁通切换永磁电机的驱动控制方法

技术领域

本发明是一种电机的驱动控制方法，具体是三相12/10极容错式磁通切换永磁电机的驱动控制方法，适用于航空航天、轧钢矿井、人工心脏等对电机驱动系统的功率密度以及可靠性有较高要求的应用场合。

背景技术

随着电机驱动系统在军事装备、工业生产以及民用设备中的应用越来越广泛，特别是在一些对系统的连续运行有较高要求的领域，如航空航天、轧钢矿井、电动汽车等，电机驱动系统的可靠性问题直接关系到操作人员的生命安全，因此研究其故障状态下的容错控制方法已成为当前的关键技术。

目前，国内外对容错电机及其控制方法的研究多集中于两类电机：开关磁阻电机和传统的转子永磁型电机。前者虽然结构简单，可靠度高，但是在功率密度方面是劣势；而后者的永磁体置于转子上，其机械结构可靠度以及永磁体的散热都是较为棘手的问题。

磁通切换永磁电机是一种新型定子永磁式无刷电机，其永磁体置于定子上，具有结构简单、易于散热等优点，满足高可靠性领域的应用要求。其定、转子呈双凸极结构，转子上无绕组、无永磁体，定子采用集中式绕组，空间相对齿上的线圈两两相连，两组线圈串连或并联形成三相电枢绕组。因此，该类电机具有结构较为简单、功率密度较高等优点。为进一步提高电机的容错性能，提高相间独立性，进而降低磁耦合，英国学者Z.Q. Zhu提出了一种具有隔离齿结构的新型容错式磁通切换永磁电机。该电机在继承磁通切换永磁电机诸多优点的基础上，更极大地降低了相间互感，使得故障相对于其他非故障相的影响降到最小，提高了电机带故障运行能力。但是，由于该种电机特殊的结构，其三相空载反电动势谐波含量较大（二次谐波约占基波分量的15%），使得电机在传统的正弦波电流驱动控制时转矩脉动较大。此外，当电机的某一相发生故障，电机运行于容错状态下，现有的控制方法并不适用这种反电势含较高谐波分量的定子永磁型电机。

发明内容

本发明的目的是为克服现有容错式磁通切换永磁电机的反电动势波形具有较高的谐波分量、电机在三相正弦波电流控制时转矩脉动较大的不足，基于容错式磁通切换永磁电机的自身电磁特性，提出一种降低转矩脉动的驱动控制方法，提高容错式磁通切换永磁电机驱动系统的带故障运行能力，满足高可靠性应用领域的要求。

本发明采用的技术方案是：当电机在正常运行状态时，采用三相二次谐波控制，先计算电机的转矩脉动分量，分析转矩脉动分量，再注入二次谐波电流；当电机发生缺相故障时，采用非故障的两相理想电流波形控制，使系统带故障运行；

所述电机的转矩脉动分量的计算方法是：

先建立a、b、c三相电机的反电势方程为：

     

再建立电机的a、b、c三相电流为：

                           

然后计算出电机输出转矩为：

 

最后得到电机的转矩脉动分量为

；

所述三相二次谐波电流为：

   

其中，t是电机运行的时间；E ₁是电机反电势基波分量的幅值；ω _e 是电机的电角速度 ；I ₁为基波电流的幅值；I _m 为电机采用的正弦波电流峰值；ω _m 是电机的转子机械角速度。

所述非故障的两相理想电流为： 

      

           

本发明的有益效果是：

1、在三相12/10极容错式磁通切换永磁电机中，将注入谐波电流技术与容错控制相结合，应用于高可靠性定子永磁电机驱动系统的搭建，克服了传统容错电机驱动系统的诸多缺点，此外，同定子永磁型电机的双凸极永磁电机相比，本发明所涉及的容错式磁通切换永磁电机采用双极性永磁磁链的容错式磁通切换永磁电机，电机出力大，适用于高功率密度要求领域；转子结构简单，仅由硅钢片叠加而成，因此可靠性高，适用于高可靠性应用领域；电机采用每槽一套绕组的特殊结构，在电机的功率密度、转矩密度方面更具有优势；并且，其间隔齿结构使得电机互感小，相间独立性高，比普通结构的磁通切换永磁电机具有更高的相间独立性，更适合容错运行。

2、当电机正常运行时，电机绕组注入二次谐波电流，用以抵消谐波反电势引起的转矩脉动。当发生缺相故障时，运用容错驱动技术，采用两相理想容错电流进行容错运行，基于功率守恒的理论思想和电机的反电势方程，调整控制电流为理想容错谐波电流，对余下的两非故障相的电流在相位和幅值方面进行调整，达到保持电机的输出转矩基本不变且转矩输出近似等效于正常运行状态的目的，从而提高电机的带故障运行能力，提高功率密度和驱动的可靠度。

附图说明

图1为三相12/10极容错式磁通切换永磁电机结构的示意图。

图2为容错式磁通切换永磁电机容错方法流程图。

图3为容错式磁通切换永磁电机反电动势仿真波形图。

图4为电机正常运行时采用注入二次谐波电流控制的三相电流仿真波形图。

图5为电机正常运行时采用注入二次谐波电流控制的转矩输出仿真波形图。

图6为电机缺相故障时采用理想容错电流控制的两相电流仿真波形图。

图7为电机缺相故障时采用理想容错电流控制的转矩输出波形图。

图中：1、定子；2、永磁体；3、转子；4、电枢绕组；5、电机轴；6、电枢齿；7、间隔齿。

具体实施方式

如图1所示，三相12/10极容错式磁通切换永磁电机的结构为：由定子1、转子3和电机轴5组成，转子3固定套接在电机轴5上，随电机轴5旋转。定子1的外圈是转子3，永磁体2置于定子1上，电枢绕组置于电枢齿6上。定子1和转子3均为凸极结构，转子3既无绕组也无永磁体，仅由硅钢片叠加而成。定子1由12个U形硅钢片导磁铁芯和内置于U形定子铁芯的12块永磁体2组成。其中，永磁体2是沿着切向交替充磁的，其作用是产生聚磁效应。间隔齿7上并无绕组，用于隔离作用。每个U型导磁铁芯围成的槽中放置了1个集中绕组线圈，6个线圈共分成了三组，每径向相对的二个串连组成一相。每个线圈绕组横跨在两个定子齿上，中间嵌有一块永磁体2，称为一个定子极。正是这种独特的设计，使得转子齿在与同一个线圈下两个不同的定子齿分别对齐时，绕组里匝链的磁链极性是相反的，因此电机具有双极性永磁磁链这一特性。

如图2所示，当图1所示的电机在正常运行状态时，电机为传统的三相正弦波电流控制，先计算电机的转矩脉动分量，再注入二次谐波电流，采用三相二次谐波来控制。

电机的转矩脉动分量的计算方法如下：

先建立a、b、c三相容错式磁通切换永磁电机的反电势方程，图3为容错式磁通切换永磁电机反电动势仿真波形图。通过谐波分析可知，12/10极容错式磁通切换永磁电机反电势波形的二次谐波分量较高，约占基波的15%，a、b、c三相的反电势为：

      (1)

其中，E ₁为容错式磁通切换永磁电机反电势基波分量的幅值，ω _e 是电机的电角速度（即基波频率），t是电机运行的时间。

再建立电机的a、b、c三相电流，当三相容错式磁通切换永磁电机采用三相正弦波电流控制时，电机的a、b、c三相电流方程为：

                          (2)

其中，I _m 为电机采用的正弦波电流峰值。此时，电机的电磁输出转矩为：

 (3)

其中，ω _m 是电机的转子机械角速度。

由式(3)可见，此时电机会产生一个转矩脉动分量

，其数值随转子位置角的变化而变化，影响电机的运行性能。

通过分析转矩脉动分量的频次可知，转矩脉动是由基波的电流与二次谐波的反电势共同作用所引起。因此，为抵消谐波反电势所引起的转矩脉动，向电机注入二次谐波电流，当电机注入二次谐波电流时，电机的三相电流方程为：

           (4)

其中，I ₁为基波电流的幅值，I ₂和α为二次谐波电流的幅值和相角。由此可以得到电机的转矩输出方程为： 

(5)

其中，ω _m 是电机转子机械角速度。

若令：

                              (6)

则式(5)可变为：

                            (7)

可见，电机的电磁转矩输出为一恒值，即理论上没有转矩脉动，如图5所示。将式(6)代入到式(4)可以得到三相二次谐波电流控制方程为：

              (8)

如图4所示的注入二次谐波电流控制的三相电流仿真波形图。

当图1所示的电机发生缺相故障时，采用容错控制策略，电机采用两相理想电流波形控制，使系统带故障运行。若a相在某时刻发生故障而无法工作，则此时电机的转矩

仅由b、c相产生：

                         (9)

基于电机的反电势方程，建立电机的理想容错电流方程为：

                       (10)

将式(1)和式(10)带入到式(9)可知，此时，电机的转矩输出为：

                            (11)

如图7所示。该转矩等效于电机正常运行的转矩输出。进而，将式(1)带入到式(10)，则可以求出此时的容错理想电流为：

             (11)

如图6所示的电机缺相故障时采用理想容错电流控制的两相电流仿真波形图。

Claims (1)

1.一种容错式磁通切换永磁电机的驱动控制方法，其特征在于：当电机在正常运行状态时，采用三相二次谐波控制，先计算电机的转矩脉动分量，分析转矩脉动分量，再注入二次谐波电流，

所述电机的转矩脉动分量的计算方法是：

先建立a、b、c三相电机的反电势方程为：

，

再建立电机的a、b、c三相电流为：

，                      

然后计算出电机输出转矩为：

， 

最后得到电机的转矩脉动分量为

，

三相二次谐波电流为：

；

当电机发生缺相故障时，采用非故障的两相理想电流波形控制，使系统带故障运行，

建立电机的理想容错电流方程为：

，                      

求出非故障的两相理想电流为： 

     

 ，          

其中，t是电机运行的时间；E ₁是电机反电势基波分量的幅值；ω _e 是电机的电角速度；I ₁为基波电流的幅值；I _m 为电机采用的正弦波电流峰值；ω _m 是电机的转子机械角速度。

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