CN104682807A - 一种五相容错永磁电机的短路容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五相容错永磁电机的短路容错控制方法，包括如下步骤：建立五相容错永磁电机模型；用非故障相电流补偿短路故障相正常转矩缺失，直接采用开路故障的补偿策略；用非障相电流补偿短路故障相电流造成的脉动磁动势，使得合成磁动势为零，消除短路电流引起的转矩脉动；将所述步骤2-3的补偿电流矢量合成，得到短路故障容错电流；进行Maxwell短路容错控制仿真。本发明根据电机空载反电势的具体情况，对电机进行一相短路容错控制，使故障与正常运行状态下输出转矩等效，减小转矩脉动，实现五相容错永磁电机带短路故障运行。

Description

一种五相容错永磁电机的短路容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机短路故障容错控制方法，特别是五相容错永磁电机的控制方法。适用于航空航天、电动汽车等对电机的可靠性以及连续性有较高要求的场合。

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。通过容错控制来达到系统要求，提高系统可靠性，减少或避免因故障造成的损失成为了保证系统可靠性的关键。因此，容错永磁电机和高可靠性的容错控制方法受到了广泛的关注。

国内外学者对具有容错性能的电机结构已经取得了一些的成果。如图1所示的20/62极五相容错永磁电机是一种转子永磁式电机。相比于传统的容错永磁电机，通过在其定子齿部开槽引入调制极，五相单层分数槽集中绕组及容错齿结构提高了电机的容错性能。

目前，容错永磁电机的容错控制方法的研究多集中于开路故障，而对短路故障的容错控制算法较少并且计算过程复杂，所以本发明提出了一种新的短路故障的容错控制方法，极大提高了算法的可操作性以及系统的可靠性和容错性。

发明内容

本发明的目的是为解决现有五相容错永磁电机在短路故障运行时的控制问题。克服现有短路容错技术的缺陷、保证故障前后输出转矩相等且降低转矩脉动、实现驱动系统的高可靠性和容错性。

本发明采用的技术方案是：当电机发生短路故障时，采用对非故障相电流的控制，使电机带故障运行。

一种五相容错永磁电机的短路容错控制方法，包括如下步骤：

步骤1，建立五相容错永磁电机模型；

步骤2，用非故障相补偿电流对短路故障相正常转矩缺失进行补偿，直接采用开路故障的补偿策略；

步骤3，用非故障相补偿电流对短路故障相电流造成的脉动磁动势进行补偿，使得合成磁动势为零，消除短路电流引起的转矩脉动；

步骤4，将所述步骤2-3的补偿电流矢量合成，得到短路故障容错电流；

步骤5，进行Maxwell短路容错控制仿真。

进一步，所述步骤2中，设a相为短路故障相，则其补偿电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b^{\′}=1.382I\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{5})\\ i_c^{\′}=1.382I\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_d^{\′}=1.382I\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_e^{\′}=1.382I\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{5})\end{array}\right.$

其中，I是电流的幅值，ω是电机电角速度。

进一步，所述步骤3的具体过程为：

步骤3.1，设a相为短路故障相，表示出该相的短路电流为：i_af＝I_fsin(ωt-θ)，其中，I_f是短路电流的幅值，ω是电机的电角速度，θ是短路相反电势和电流的夹角；

步骤3.2，通过非故障相补偿电流表示出短路电流电流引起的磁动势，令该磁动势为零，保持短路故障前后磁动势和不变，消除了短路电流造成的脉动磁动势；

步骤3.3，由步骤3.1获得短路电流的幅值以及反电势和电流的夹角，步骤3.2获得磁动势为零时的方程组，根据铜耗最小，设定目标函数，当目标函数取最小值时得到非故障相补偿电流。

进一步，所述步骤3.3中，非故障相补偿电流可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b^{\′\′}=-1.60\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+0.43\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_c^{\′\′}=4.19\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1.12\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_d^{\′\′}=4.19\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1.12\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_e^{\′\′}=-1.60\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+0.43\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right..$

进一步，所述步骤4中短路故障容错电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b^{*}=-1.60\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+0.43\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+1.382I\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{5})\\ i_c^{*}=4.19\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1.12\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+1.382I\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_d^{*}=4.19\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1.12\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+1.382I\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_e^{*}=-1.60\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+0.43\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+1.382I\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{5})\end{array}\right.$

其中，I是电流的幅值，ω是电机电角速度。

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，当系统发生短路故障，基于铜耗最小原理，保持故障前后磁动势不变，计算出非故障相的容错电流公式，对电机进行一相短路容错控制，使故障与正常运行状态下输出转矩等效，减小转矩脉动，实现五相容错永磁电机带短路故障运行。

2)本发明同样适用于其他五相以及多相电机驱动控制。

附图说明

图1为五相20/62极容错永磁电机截面图；

图2为五相容错永磁电机短路容错控制方法流程图；

图3为图1所示电机的反电势波形图；

图4为图1所示电机的短路电流波形图；

图5为图1所示电机的正常运行状态电流波形图；

图6为图1所示电机的一相短路故障运行状态电流波形图；

图7为图1所示电机的一相短路容错运行状态电流波形图；

图8为图1所示电机的正常运行状态转矩波形图；

图9为图1所示电机的一相短路故障运行状态转矩波形图；

图10为图1所示电机的一相短路容错运行状态转矩波形图。

图中：1-永磁体；2-外转子；3-内定子；4-电枢绕组；5-容错齿；6-调制极；7-电枢齿。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，这是五相容错永磁电机，其结构包括同轴的内定子3和外转子2，内定子3和外转子2之间设置永磁体1、电枢绕组4、电枢齿7、容错齿5和调制极6，永磁体1沿圆周方向固定贴于外转子2的内表面上，永磁体1的充磁方向为径向且N极和S极交替排列，内定子3圆周上布置彼此相交错的10个电枢齿7和10个容错齿5，电枢齿7上绕有单层集中电枢绕组4，径向相对两电枢齿7上的集中电枢绕组4串联成一相，电枢绕组1为五相绕组。电枢齿7的齿宽和容错齿5的齿宽不相等，在电枢齿7和容错齿5的齿顶上设有沿圆周方向上均匀分布的40个调制极6。电机的反电势公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a=E\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ e_b=E\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{5})\\ e_c=E\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ e_d=E\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ e_e=E\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{5})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，E是电压的幅值，ω是电机电角速度。对应的电流公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=I\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_b=I\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{5})\\ i_c=I\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_d=I\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_e=I\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{5})\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，I是电流的幅值，ω是电机电角速度。图5为图1所示电机的正常运行状态电流波形图；图6为图1所示电机的一相短路故障运行状态电流波形图。

本发明是将某一相短路故障分解为两种故障的合成：一方面由该相正常转矩缺失引起，可认为由该相开路引起；另一方面，由该相短路电流引起。因此补偿策略分解为两步：一是补偿故障相开路，直接采用开路故障的补偿策略。二是用非故障相补偿故障相短路电流，消除短路电流造成的脉动磁动势，使得合成磁动势为零，即消除短路电流引起的转矩脉动。将两部分的补偿电流矢量合成，即可得到短路故障的优化电流。

第一部分，设a相为短路故障相。直接采用开路故障的补偿策略，非故障的补偿电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b^{\′}=1.382I\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{5})\\ i_c^{\′}=1.382I\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_d^{\′}=1.382I\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_e^{\′}=1.382I\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{5})\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，I是电流的幅值，ω是电机电角速度。

第二部分，a相为短路故障相，设该相的短路电流可以表示为：

i_af＝I_f sin(ωt-θ)  (4)

其中，I_f是短路电流的幅值，ω是电机的电角速度，θ是短路相反电势和电流的夹角。

设补偿a相短路电流的非故障相电流为和则短路电流引起的磁动势为：

$\mathrm{MMF}={\mathrm{Ni}}_{\mathrm{af}}+{\mathrm{aNi}}_b^{\′\′}+a^2{\mathrm{Ni}}_c^{\′\′}+a^3{\mathrm{Ni}}_d^{\′\′}+a^4{\mathrm{Ni}}_e^{\′\′}---\left(5\right)$

其中，N是一相绕组匝数，a是e^(2/5π)j。令公式(5)中的磁动势为零，保持短路故障前后磁动势和不变。根据公式(4)和(5)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{0.309i}_b^{\′\′}-{0.809i}_c^{\′\′}-{0.809i}_d^{\′\′}+{0.309i}_e^{\′\′}+i_{\mathrm{af}}=0\\ {0.951i}_b^{\′\′}+{0.588i}_c^{\′\′}+{0.588i}_d^{\′\′}+0.951i_e^{\′\′}=0\end{array}\right.---\left(6\right)$

方程组(6)中的未知量和有无数组解。通过非故障相补偿电流，将和设为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b^{\′\′}=x_b\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+y_b\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_c^{\′\′}=x_c\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+y_c\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_d^{\′\′}=x_d\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+y_d\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_e^{\′\′}=x_e\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+y_e\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，x_b，y_b，x_c，y_c，x_d，y_d，x_e和y_e是未知量。根据公式(6)和(7)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{0.309x}_b-{0.809x}_c-{0.809x}_d+{0.309x}_e={-I}_f\sin \mathrm{\θ}\\ {0.309y}_b-{0.809y}_c-{0.809y}_d+{0.309y}_e=I_f\cos \mathrm{\θ}\\ {0.951x}_b+{0.588x}_c-{0.588x}_d-{0.951x}_e=0\\ {0.951y}_b+{0.588y}_c-{0.588y}_d-{0.951y}_e=0\end{array}\right.---\left(8\right)$

方程组(8)中的未知量x_b，y_b，x_c，y_c，x_d，y_d，x_e和y_e有无数组解。如图3和图4所示的反电势和短路电流的波形图，得到短路电流的幅值I_f以及反电势和电流的夹角θ分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_f=8.04A\\ \mathrm{\θ}=1.42\mathrm{\π}\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，I_f和θ的值随着不同电机模型而变化。本发明基于铜耗最小原理，保持磁动势不变，从而保持输出转矩不变和降低转矩脉动。则目标函数设为：

f(x_b，y_b，x_c，y_c，x_d，y_d，x_e，y_e)＝(x_b ²+y_b ²)+(x_c ²+y_c ²)+(x_d ²+y_d ²)+(x_e ²+y_e ²)  (10)

根据铜耗最小，使公式(10)中目标函数的约束条件为最小值，根据公式(8)，(9)和(10)，用Matlab可以得到一组最优解，非故障相补偿电流可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b^{\′\′}=-1.60\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+0.43\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_c^{\′\′}=4.19\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1.12\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_d^{\′\′}=4.19\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1.12\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_e^{\′\′}=-1.60\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+0.43\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right.---\left(11\right)$

将两部分补偿电流矢量相加，最终得到短路故障容错电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b^{*}=i_b^{\′\′}+i_b^{\′}=-1.60\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+0.43\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+1.382I\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{5})\\ i_c^{*}=i_c^{\′\′}+i_c^{\′}=4.19\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1.12\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+1.382I\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_d^{*}=i_d^{\′\′}+i_d^{\′}=4.19\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1.12\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+1.382I\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_e^{*}=i_e^{\′\′}+i_e^{\′}=-1.60\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+0.43\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+1.382I\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{5})\end{array}\right.---\left(12\right)$

电流波形如图7所示。

给出ansoft仿真步骤：1)建立五相容错永磁电机的Maxwell仿真模型。2)仿真出五相容错永磁电机的反电势和短路电流，波形图分别如图2和图3所示。根据反电势和短路电流计算出最终的短路电流容错控制方法。3)将计算出的电流输入五相容错永磁电机的电枢绕组中。4)得到最终的五相容错永磁电机短路容错控制仿真结果。

图8为正常运行状态下输出转矩。得到的平均输出转矩为3.6Nm，转矩脉动为24.5％。

图9为一相短路故障运行状态下输出转矩，未实施容错控制的输出转矩，平均转矩为降为2.0Nm，转矩脉动增大到242.1％，不能达到要求。

图10为一相短路容错运行状态下输出转矩，平均转矩为3.5Nm，转矩脉动降为37.0％。短路故障发生时，利用保持故障前后磁动势不变，计算出短路故障的补偿电流，对电机进行一相短路容错控制，故障运行时的输出转矩与正常运行状态下等效，同时降低了转矩脉动，实现五相容错永磁电机带短路故障运行。输出转矩保持正常转矩水平，转矩脉动明显下降。

应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种五相容错永磁电机的短路容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立五相容错永磁电机模型；

步骤2，用非故障相补偿电流对短路故障相正常转矩缺失进行补偿，直接采用开路故障的补偿策略；

步骤3，用非故障相补偿电流对短路故障相电流造成的脉动磁动势进行补偿，使得合成磁动势为零，消除短路电流引起的转矩脉动；

步骤4，将所述步骤2-3的补偿电流矢量合成，得到短路故障容错电流；

步骤5，进行Maxwell短路容错控制仿真。

2.根据权利要求1所述的五相容错永磁电机的短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤2中，设a相为短路故障相，则其补偿电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b^{\′}=1.382I\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{5})\\ i_c^{\′}=1.382I\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_d^{\′}=1.382I\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_e^{\′}=1.382I\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{5})\end{array}\right.$

其中，I是电流的幅值，ω是电机电角速度。

3.根据权利要求1所述的五相容错永磁电机的短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：

步骤3.1，设a相为短路故障相，表示出该相的短路电流为：i_af＝I_f sin(ωt-θ)，其中，I_f是短路电流的幅值，ω是电机的电角速度，θ是短路相反电势和电流的夹角；

步骤3.2，通过非故障相补偿电流表示出短路电流电流引起的磁动势，令该磁动势为零，保持短路故障前后磁动势和不变，消除了短路电流造成的脉动磁动势；

步骤3.3，由步骤3.1获得短路电流的幅值以及反电势和电流的夹角，步骤3.2获得磁动势为零时的方程组，根据铜耗最小，设定目标函数，当目标函数取最小值时得到非故障相补偿电流。

4.根据权利要求3所述的五相容错永磁电机的短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤3.3中，非故障相补偿电流可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b^{\′\′}=-1.60\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+0.43\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_c^{\′\′}=4.19\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1.12\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_d^{\′\′}=4.19\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1.12\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_e^{\′\′}=-1.60\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+0.43\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right..$

5.根据权利要求1所述的五相容错永磁电机的短路容错控制方法，其特征在于，所述步骤4中短路故障容错电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_b^{*}=-1.60\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+0.43\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+1.382I\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{5})\\ i_c^{*}=4.19\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1.12\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+1.382I\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_d^{*}=4.19\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1.12\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+1.382I\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{4\mathrm{\π}}{5})\\ i_e^{*}=-1.60\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+0.43\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+1.382I\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{5})\end{array}\right.$

其中，I是电流的幅值，ω是电机电角速度。