CN105958896B - 一种简化的五相永磁电机的短路容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简化的五相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；用非故障相电流来补偿短路故障相电流造成的转矩脉动，使之与短路相产生的合成转矩为一个恒定的值；用非故障相补偿电流对短路故障造成的正常转矩缺失进行补偿，直接采用开路故障的补偿策略；将上述的补偿电流矢量合成，得到短路故障容错电流；进行仿真分析。本发明根据电机空载反电势的具体情况，对电机进行一相及两相短路容错控制，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

一种简化的五相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、工业等各个领域应用的不断拓展，对于电动汽车、飞行器等一些要求高可靠性的场合，稳定可靠的电机驱动系统就变得尤其的重要。通过容错控制来提高系统的可靠性，减少甚至避免由于故障而造成损失成为了保证系统可靠性的关键。因此，容错永磁电机和简单有效的可靠性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极的五相容错永磁电机是一种转子永磁型电机。相比于传统的容错永磁电机，通过在其定子的齿部开槽来引入调制极，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简单的短路故障的容错控制方法，在极大地减小算法复杂度的同时还保证了系统的可靠性和容错性。

发明内容

本发明的目的是为了简化现有五相容错永磁电机在短路故障运行时的控制算法。便于实现在线实时运算。

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，根据短路电流的幅值和相位，直接给定正常相的电流，使正常相和短路相的电流呈五相对称分布，相位按照相序依次相差幅值相等，这样便能产生一个恒定的转矩，从而消除了由于短路故障所带来的转矩脉动；

步骤2.1，若一相短路时，设a相发生短路故障，则该相的短路电流可表示为：i_a1＝I_fcos(ωt-θ)；若不相邻两相短路，设b、e两相发生短路故障，则这两相的短路电流幅值相等，相位相差可分别表示为：若相邻两相短路，设c、d两相发生短路故障，则这两相的短路电流幅值相等，相位相差可分别表示为：其中，I_f是短路电流的幅值，ω是电机的电角速度，θ是短路相的反电势和短路电流的夹角；

步骤2.2，由步骤2.1获得短路电流的幅值以及反电势和短路电流的夹角，不论是一相短路还是两相短路，直接给定正常相的补偿电流，使正常相和短路相的电流呈五相对称分布，相位按照相序依次相差

步骤3，由于步骤2中已经消除了短路故障所带来的转矩脉动，所以该步骤可以将短路相视为开路，对正常相再使用传统的开路容错策略，通过改变开路容错电流的幅值来产生一个恒定的转矩，使之与步骤2中的转矩之和等于正常转矩；若a相发生短路故障，则其他正常相的补偿电流为： 若b、e两相发生短路故障，则其他正常相的补偿电流为：i_a2＝1.382I′cos(ωt)、 若c、d两相发生短路故障，则其他正常相的补偿电流为：i_a2＝3.618I′cos(ωt)、其中，I′是电流的幅值，ω是电机电角速度；

步骤4，将所述步骤2-3的电流进行矢量合成，得到最终容错电流；

若a相发生短路故障：

i_a＝I_fcos(ωt-θ)

若b、e两相发生短路故障：

i_a＝I_fcos(ωt-θ)+1.382I′cos(ωt)

若c、d两相发生短路故障：

本发明具有以下有益效果：

1)本发明一方面极大地减小了短路容错电流的计算量，而且在现有的基础上延伸到了两相短路故障的情况，且相对于一相短路故障情况并没有增加计算量，使得其方法更适用于实际的状况，这样就有利于在故障情况下进行实时在线控制。

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所示电机的正常运行状态电流波形图；

图5为图1所示电机的正常运行状态转矩波形图；

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故障运行状态转矩波形图；

图8为图1所示电机的不相邻两相相短路故障运行状态电流波形图；

图9为图1所示电机的不相邻两相相短路故障运行状态转矩波形图；

图10为图1所示电机的相邻两相相短路故障运行状态电流波形图；

图11为图1所示电机的相邻两相相短路故障运行状态转矩波形图；

图12为图1所示电机的一相短路容错运行状态电流波形图；

图13为图1所示电机的一相短路容错运行状态转矩波形图；

图14为图1所示电机的不相邻两相相短路容错运行状态电流波形图；

图15为图1所示电机的不相邻两相相短路容错运行状态转矩波形图；

图16为图1所示电机的相邻两相相短路容错运行状态电流波形图；

图17为图1所示电机的相邻两相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。

步骤1，建立五相容错永磁电机模型；电机的反电势公式为：

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：

其中，I是电流的幅值，ω是电机电角速度。图4为图1所示电机的正常运行状态电流波形图；图5为图1所示电机的正常运行状态转矩波形图。

本发明是将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，由短路相的短路电流引起。因此补偿策略分解为两步：一是，根据短路电流的幅值和相位，直接给定正常相的电流，使正常相和短路相的电流呈五相对称分布，相位按照相序依次相差幅值相等，这样便能产生一个恒定的转矩，从而消除了由于短路故障所带来的转矩脉动。二是，由于上一步中已经消除了短路故障所带来的转矩脉动，所以该步骤可以将短路相视为开路，对正常相再使用传统的开路容错策略，通过改变开路容错电流的幅值来产生一个恒定的转矩，使之与上一步中的转矩之和等于正常转矩。最后将两部分的补偿电流矢量合成，即可得到短路容错的电流。

情况1：

步骤2.1，当a相发生短路故障，可得a相的短路电流为：

i_a1＝I_fcos(ωt-θ) (3)

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。

通过仿真可得：

步骤2.2，根据短路电流的幅值以及反电势和短路电流的夹角，直接给定正常相的补偿电流，使正常相和短路相的电流呈五相对称分布，相位按照相序依次相差正常相电流的具体表达式如下：

步骤3，由于上述步骤已经消除了短路故障所带来的转矩脉动，将短路相视为开路，对正常相再使用传统的开路容错策略，通过改变开路容错电流的幅值来产生一个恒定的转矩，使之与步骤2中的转矩之和等于正常转矩，此时正常相的开路补偿电流可表示为：

正常情况下的转矩T满足下式：

Tω＝e_ai_a+e_bi_b+e_ci_c+e_di_d+e_ei_e (7)

短路补偿产生的恒定转矩T₁满足下式：

T₁ω＝e_ai_a1+e_bi_b1+e_ci_c1+e_di_d1+e_ei_e1 (8)

开路补偿所需产生的转矩T₂应满足下式：

T₂ω＝Tω-T₁ω (9)

通过式(7)、(8)、(9)可以求得：

I′＝4.409A (10)

步骤4，将两部分补偿电流进行矢量合成，最终得到短路故障容错电流为：

情况2：

步骤2.1，当b、e两相发生短路故障，b、e两相的短路电流为：

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，数值都与情况1一样。

步骤2.2，根据短路电流的幅值以及反电势和短路电流的夹角，直接给定正常相的补偿电流，使正常相和短路相的电流呈五相对称分布，相位按照相序依次相差正常相电流的具体表达式如下：

通过步骤3，将短路相视为开路，对正常相再使用传统的开路容错策略，通过改变开路容错电流的幅值来产生一个恒定的转矩，使之与步骤2中的转矩之和等于正常转矩，此时正常相的开路补偿电流可表示为：

通过式(7)、(8)、(9)可以求得：

I′＝4.409A (15)

通过步骤4，将两部分补偿电流进行矢量合成，最终得到短路故障容错电流为：

情况3：

步骤2.1，当c、d相短路时，此时c、d两相的短路电流为：

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，数值都与情况1一样。

步骤2.2，根据短路电流的幅值以及反电势和短路电流的夹角，直接给定正常相的补偿电流，使正常相和短路相的电流呈五相对称分布，相位按照相序依次相差正常相电流的具体表达式如下：

步骤3，将短路相视为开路，对正常相再使用传统的开路容错策略，通过改变开路容错电流的幅值来产生一个恒定的转矩，使之与步骤2中的转矩之和等于正常转矩，此时正常相的开路补偿电流可表示为：

通过式(7)、(8)、(9)可以求得：

I′＝4.409A (20)

步骤4，将两部分补偿电流进行矢量合成，最终得到短路故障容错电流为：

给出仿真步骤：1)建立五相容错永磁电机的仿真模型。2)仿真出五相容错永磁电机的反电势和各种情况下的短路电流。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。

表1为正常、各种短路及容错情况下的转矩脉动，各种容错情况的转矩脉动较故障情况下均有较大的减小。

表1

	a相	b、e相	c、d相
				正常转矩脉动％	23.9	23.9	23.9
短路转矩脉动％	233	1757	414
				容错转矩脉动％	27.3	33.3	71.8

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 (1)

1.一种简化的五相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，根据短路电流的幅值和相位，直接给定正常相的电流，使正常相和短路相的电流呈五相对称分布，相位按照相序依次相差幅值相等，这样便能产生一个恒定的转矩，从而消除了由于短路故障所带来的转矩脉动；

步骤2.1，若一相短路时，设a相发生短路故障，则该相的短路电流可表示为：i_a1＝I_fcos(ωt-θ)；若不相邻两相短路，设b、e两相发生短路故障，则这两相的短路电流幅值相等，相位相差可分别表示为：若相邻两相短路，设c、d两相发生短路故障，则这两相的短路电流幅值相等，相位相差可分别表示为：其中，I_f是短路电流的幅值，ω是电机的电角速度，θ是短路相的反电势和短路电流的夹角；

步骤2.2，由步骤2.1获得短路电流的幅值以及反电势和短路电流的夹角，不论是一相短路还是两相短路，直接给定正常相的补偿电流，使正常相和短路相的电流呈五相对称分布，相位按照相序依次相差

步骤3，由于步骤2中已经消除了短路故障所带来的转矩脉动，所以该步骤可以将短路相视为开路，对正常相再使用传统的开路容错策略，通过改变开路容错电流的幅值来产生一个恒定的转矩，使之与步骤2中的转矩之和等于正常转矩；若a相发生短路故障，则其他正常相的补偿电流为： 若b、e两相发生短路故障，则其他正常相的补偿电流为：i_a2＝1.382I′cos(ωt)、 若c、d两相发生短路故障，则其他正常相的补偿电流为：i_a2＝3.618I′cos(ωt)、其中，I′是电流的幅值，ω是电机电角速度；

步骤4，将所述步骤2-3的电流进行矢量合成，得到最终容错电流；

若a相发生短路故障：

i_a＝I_fcos(ωt-θ)

若b、e两相发生短路故障：

i_a＝I_fcos(ωt-θ)+1.382I′cos(ωt)

若c、d两相发生短路故障：

i_a＝I_fcos(ωt-θ)+3.618I′cos(ωt)