CN104378025A - 基于铜耗最小原则的五相磁通切换电机容错控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于铜耗最小原则的五相磁通切换电机容错控制方法，根据电机空载反电势的具体情况，正常运行时，采用与反电势波形一致的电流控制方式，当系统发生缺相故障，保持电磁转矩不变，计算出铜耗最小情况下非故障相的容错电流公式，以计算出的谐波电流对电机进行一相、两相开路容错控制，保持电机开路故障前后平均输出转矩相等，使故障与正常运行状态下输出转矩等效，减小了转矩脉动以及绕组铜耗，与传统的容错控制方法相比，一相开路容错时铜耗降低4.3%，相邻两相容错铜耗降低了12.9%。
Description
技术领域
本发明涉及五相永磁电机领域，具体是一种用于五相永磁容错电机的容错控制方法，适用于航空航天、电动汽车等对电机的连续性及可靠性要求较高的场合。
背景技术
随着电机驱动系统在军事、工业等领域应用的不断拓展，对于飞行器、电动汽车等一些可靠性要求较高的场合，稳定可靠的电机驱动系统尤为重要。因此，通过容错控制来达到系统要求，成为了保证驱动系统可靠性的关键。容错式磁通切换永磁电机是一种新型定子永磁式电机，其永磁体和绕组均置于电机的定子上，转子上既无绕组也无永磁体，具有结构简单，易于散热等优点。永磁容错电机因具有良好的相间独立性，当某相发生故障时，可通过调节非故障相来进行容错控制，因此，在电机结构上引入容错齿，可以进一步提高相与相之间电路和磁路的独立性，使其具有良好的带故障运行能力。此外，通过增加电机相数，拓宽了驱动系统可操作性范围，能够有效增强电机容错能力，并提升电机的转矩性能。
如图1所示的五相10/19极磁通切换电机，永磁体1.2位于定子1.1上，转子1.4仅由硅钢片叠压而成，其上既无绕组也无永磁体，牢固性较好；电机同相只有2个定子极，而非传统磁通切换电机每相的4个定子极，径向相对的两套绕组构成一相，这样就避免了因极对数过高而导致的开关管频率过高的问题。另一方面，采用奇数转子极的特殊化设计，使得同相中径向相对的两套绕组在磁路上相差180度，反电势具有互补的作用，叠加后的相反电势具有较高的正弦度，易于控制。这种电机在正常运行状态下采用正弦波驱动控制即可，而当发生开路故障时，传统的容错控制方法是靠改变电流幅值和相位进行控制，例如中国专利申请号为201210501105.6的文献中公开的考虑磁阻转矩影响的五相磁通切换永磁电机容错控制方法中所提到的容错控制方法，对非故障相的电流在相位和幅值方面进行调整，补偿故障相产生的旋转磁场分量，减小磁阻转矩对转矩脉动的影响，但这种控制方法是缺陷是：必须满足非故障相电流和为零，受这一条件束缚，导致两相容错公式只有一组解，未考虑铜耗问题，不能使铜耗最小，而且通过这组解得到的电流幅值过大，易造成磁路饱和，影响转矩性能。
发明内容
本发明的目的是为解决现有五相永磁电机在缺相运行时的容错控制问题、克服现有开路容错技术的缺陷、保证故障前后输出转矩相等且使得铜耗最小、避免因电流幅值过大引起的磁路饱和、实现驱动系统的高可靠性而提出一种基于铜耗最小原则的五相磁通切换电机容错控制方法。
本发明采用的技术方案是具有以下步骤：
（1）正常运行时，通入与反电势同相位的正弦电流即可：
（2）当第1相开路时，通入容错电流 对非故障相进行容错控制；
（3）当第1相和第2相同时开路时，通入容错电流对非故障相进行容错控制；
步骤（2）和步骤（3）中，n=1,2,3,4,5，是电机给定转矩，是电机机械角速度，j是非故障相，是非故障相反电势，是第一相反电势，e n 是电机第n相反电势。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明根据电机空载反电势的具体情况，正常运行时，采用与反电势波形一致的电流控制方式，当系统发生缺相故障，保持电磁转矩不变，计算出铜耗最小情况下非故障相的容错电流公式，以计算出的谐波电流对电机进行一相、两相开路容错控制，保持电机开路故障前后平均输出转矩相等，使故障与正常运行状态下输出转矩等效，减小了转矩脉动以及绕组铜耗，实现了五相容错永磁电机带故障运行。
2、与传统的容错控制方法相比，一相开路容错时铜耗降低4.3%，相邻两相容错铜耗降低了12.9%。
3、本发明同样适用于反电势含有谐波分量的五相电机驱动控制。
附图说明
图1为五相10/19极磁通切换电机截面图；
图2为图1所示电机的同一相两套绕组反电势互补图；
图3为图1所示电机的正常运行状态电流波形图；
图4为图1所示电机的一相容错运行电流波形图；
图5为图1所示电机的两相容错运行电流波形图；
图6为图1所示电机的正常运行状态转矩波形图；
图7为图1所示电机的一相开路故障运行转矩波形图；
图8为图1所示电机的一相开路容错后输出转矩图；
图9为图1所示电机的两相开路故障运行转矩波形图；
图10为图1所示电机的两相容错运行转矩波形图。
具体实施方式
将五相磁通切换电机的五相电流和反电势与机械角速度的比值用向量形式表示为
(1)
(2)
i n 是第n相的电流；k n 是反电势与机械角速度的比值，，为电机机械角速度，e n 为电机第n相反电势，n=1,2,3,4,5；T为向量的转置。
要求五相磁通切换电机在不同运行状态下铜耗最小，本发明以铜耗最小作为目标函数，以“电磁转矩与给定转矩相等”、“非故障相电流和为零”作为两个约束条件，构造拉格朗日方程。具体是：
五相磁通切换电机电磁转矩与给定转矩相等，设给定转矩为，电磁转矩公式为， 因此当电磁转矩与给定转矩相等时表示为：
(3)
设定电机运行状态向量：
(4)
S 1 、S 2 、S 3 、S 4 、S 5 分别是电机第1、2、3、4、5相的运行状态，运行状态正常时为1，发生开路时为0。
当非故障相电流和为零时：
(5)
设定铜耗函数为：
(6)
以公式(3)和公式(5)两个公式作为约束条件，对公式(6) 铜耗函数构造拉格朗日多项式为：
(7)
p 1，p 2是拉格朗日因子，其中p 1为常数，p 2为向量。然后再对式（7）求偏导可得五相电流为： (8)
其中，F为F T的转置向量。通过式（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）联立，联立这几个方程组求解可以得到以下几个参量的表达式：
；
其中、是为了方便计算而定义的参量，I 5为五阶单位矩阵，代入整理后得到电流表达式为：
(9)
对于五相电机，其反电势幅值相同，相位互差72°，将五相反电势相加得出：
(10)
五相反电势平方相加得出：
(11)
其中C为常数，e n 为电机第n相反电势。
如图2所示，五相磁通切换电机采用A1，A2两套绕组互补，叠加后形成的反电势A具有较高的正弦度。建立五相空载反电势e方程：
(12)
E为空载反电势幅值，为电角速度，t为时间。
正常运行时，通过公式(9)、（10）、(11)式联立求解，得出非故障相j相的电流表达式为：
(13)
j=1,2,3,4,5，e j 为j相的反电势。
根据式(11)可以得出，将公式(10)、（11）和(12)代入(13)，得出正常运行时通入与反电势同相位的正弦电流即可，具体电流公式为：
(14)
其中I为电流幅值，，电流波形如图3所示。
当系统发生缺相故障，保持电磁转矩不变，计算出铜耗最小情况下非故障相的容错电流公式，以计算出的电流对电机进行一相、两相开路容错控制。
当第1相开路时，通过式(9)、（10）和式(11)可知j相的容错电流为：
j=2,3,4,5 (15)
将公式 (10)、（11）、(12)代入式(15)可以得出第1相开路后的容错电流公式为：
(16)
电流波形如图4所示。
当1，2两相同时开路时，通过式(9)、（10）和式(11)得j相的容错电流为
j=3,4,5 (17)
将公式(10) 、(11) 、(12)代入式(17)可以得出1，2两相开路后的容错电流公式为：
(18)
电流波形如图5所示。
图6为正常运行状态下输出转矩。当给定转矩为8.0Nm时，得到的平均输出转矩为8Nm，转矩脉动为11.7%。
图7为一相开路故障，未实施容错控制的输出转矩，平均转矩为降为6.4Nm，转矩脉动增大到34.6%，不能达到要求。
图8为一相开路故障施加容错控制后的输出转矩，平均转矩为8.1Nm，转矩脉动降为14.1%。
图9为两相开路故障未实施容错控制输出转矩，其平均转矩4.9Nm，未能达到给定值，且转矩脉动过大，为34.9%。
图10为两相开路容错控制转矩，平均转矩提升为7.7Nm，转矩脉动为24.3%。
Claims (5)
1.一种基于铜耗最小原则的五相磁通切换电机容错控制方法，其特征是具有以下步骤：
（1）正常运行时，通入与反电势同相位的正弦电流即可：
（2）当第1相开路时，通入容错电流 对非故障相进行容错控制；
（3）当第1相和第2相同时开路时，通入容错电流对非故障相进行容错控制；
步骤（2）和步骤（3）中，n=1,2,3,4,5，是电机给定转矩，是电机机械角速度，j是非故障相，是非故障相反电势，是第一相反电势，e n 是电机第n相反电势。
2. 根据权利要求1所述基于铜耗最小原则的五相磁通切换电机容错控制方法，其特征是：步骤（2）中，所述电机给定转矩与电机电磁转矩相等，所述非故障相的电流和；其中：电机电磁转矩，是五相电流向量；，是反电势与机械角速度的比值向量，i n 是第n相的电流，k n 是反电势与机械角速度的比值，， T为向量的转置；是电机运行状态向量，，S 1 、S 2 、S 3 、S 4 、S 5 分别是电机第1、2、3、4、5相的运行状态，运行状态正常时为1，发生开路时为0。
3.根据权利要求2所述基于铜耗最小原则的五相磁通切换电机容错控制方法，其特征是：所述五相电流向量的计算方法是：以电磁转矩与给定转矩相等即和所述作为约束条件，对铜耗函数构造拉格朗日多项式为，并对该多项式求偏导，获得电流五相电流向量；其中，p 1，p 2是拉格朗日因子，p 1为常数， p 2为向量，；F为F T的转置向量，I 5为五阶单位矩阵。
4.根据权利要求1所述基于铜耗最小原则的五相磁通切换电机容错控制方法，其特征是：
步骤（2）中，所述反电势是：，E为空载反电势幅值，为电机电角速度，t为时间。
5.根据权利要求1所述基于铜耗最小原则的五相磁通切换电机容错控制方法，其特征是：步骤（1）中，正常运行时通入的电流是： ，其中I为电流幅值，，E为空载反电势幅值。
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