CN106026841B - 五相永磁直线电机相邻两相短路容错磁场定向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相短路容错磁场定向控制方法。根据故障前后行波磁动势不变以及非故障相电流和为零的原则，求出非故障相容错电流；采用内模控制器、一阶惯性前馈电压补偿器、反电势观测器将该类电机在故障状态下的非线性强耦合系统变换为一阶惯性系统；在此基础上求出非故障相电压指令，将该电压指令分别与各相反电势相加，实现该电机相邻两相短路故障后的容错磁场定向控制。本发明不但抑制了电机相邻两相短路故障导致的电机输出推力波动，还能实现相邻两相一相开路一相短路故障的容错运行，且更为关键的是其动态性能、稳态性能和正常状态下一致，电压源逆变器开关频率恒定，具有一定的通用性。

Description

五相永磁直线电机相邻两相短路容错磁场定向控制方法

技术领域

本发明涉及一种五相永磁电机相邻两相短路故障容错控制方法，特别是五相容错永磁直线电机相邻两相短路故障容错磁场定向控制方法。适用于航空航天、电动汽车、深海、医疗器械等对电机的可靠性和动态性能有较高要求的场合。

背景技术

随着社会的发展以及人们生活水平的提高，对汽车驾乘的舒适性和安全稳定性要求越来越高。作为现代汽车的重要组成部分，悬架系统性能对汽车行驶平顺性和操作稳定性等有着极其重要的影响，因此主动悬架系统的研究受到业内高度重视。作为主动电磁悬架系统的核心部件，圆筒直线电机研究受到重视。电机在短路故障状态下的容错性能，直接决定着电磁悬架的可靠性和连续运行的能力。

容错电机在某一相或某两相发生短路故障时，电机仍然具有一定的推力或者转矩输出能力，但是推力或者转矩波动很大，噪声增大，严重影响系统性能。容错控制的目标是针对不同应用场合对容错电流进行优化，使电机在故障状态下的输出推力或者转矩尽量平滑，并且使电机性能达到或接近故障前的性能。中国发明专利申请号为201510059387.2的专利《一种五相容错永磁电机的短路容错控制方法》针对五相容错表贴式永磁旋转电机，将短路故障对电机转矩的影响分解为两部分：一部分是开路故障对转矩的影响；另一部分是短路电流对转矩影响。针对开路故障，采用故障前后磁动势和不变原则以及故障后电流幅值相等原则，优化剩余非故障相的相电流；针对短路电流引起的转矩波动，采用故障后磁动势为零和铜耗最小原则求出非故障相补偿电流；最后两部分电流相加，求得剩余非故障相的电流指令。根据求得的剩余非故障相电流采用电流滞环控制策略，对五相容错表贴式永磁旋转电机进行控制。该方法用于抑制短路相电流导致转矩波动的剩余非故障相补偿电流的幅值是常数，与电机转速无关，且剩余非故障相的补偿电流之和不为零。目前，常用的容错控制方法是：计算出容错电流，然后采用电流滞环策略进行控制。但是，该方法存在开关频率杂乱、噪声大、电机动态性能差等问题，不适合功率较大以及对电机动态性能要求高的场合。中国发明专利申请号为201510661212.9的专利《一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机短路容错矢量控制方法》针对五相混合磁材料内嵌式容错直线电机一相短路故障，采用以上相同方法优化剩余非故障电流，然后采用矢量控制策略实现该电机一相短路故障情况的矢量运行。尽管该方法实现了该类电机系统在短路故障状态下的高容错性能、高动态性能、电流良好的跟随性，但该方法无法实现两相短路故障情况下的矢量控制。

发明内容

针对现有电机容错控制技术中存在的不足，根据五相永磁体内嵌式容错直线电机的特性和该类电机相邻两相短路故障特点，本发明目的是克服电机相邻两相短路故障后现有容错策略使用电流滞环控制导致逆变器开关频率杂乱、电机响应速度下降、动态性能差、电流无法精确跟随、噪声严重的缺点、传统电流PI控制由于响应快速性和超调的矛盾引起参数调节困难的问题，以及现有容错矢量控制策略无法实现两相短路故障情况的容错运行，提出一种用于本发明的五相永磁体内嵌式容错直线电机的相邻两相短路容错转子磁场定向控制方法，实现了反电势的精确估算，降低控制器参数调节难度，实现该类电机系统在相邻两相短路故障状态下的高容错性能、高动态性能、电流良好跟随性，减小CPU开销，实现逆变器开关频率恒定、降低噪声，进而提高本发明的五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相短路故障状态下的动态性能和可靠性。

本发明用于五相永磁体内嵌式容错直线电机的容错磁场定向控制方法采用如下技术方案：

一种用于五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相短路容错磁场定向控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立五相永磁体内嵌式容错直线电机模型；

步骤2，永磁体内嵌式容错直线电机分为A、B、C、D、E这五相，当电机发生C相和D相短路故障时，根据电机故障前后行波磁动势不变原则以及剩余非故障相电流之和为零的约束条件，求出C相和D相短路故障后电机容错运行的非故障相电流；

步骤3，根据步骤2获得的剩余三相非故障电流求出这三相非故障相电流在同步旋转坐标系上的电流；

步骤4，设计一阶惯性前馈电压补偿器获得前馈补偿电压，同时该电流指令和反馈电流的差值经电流内模控制器得到的控制电压与前馈补偿电压相加得到同步旋转坐标系上的电压指令；

步骤5，根据步骤3获得的非故障相在同步旋转坐标系上的电流表达式以及动子永磁磁链设计反电势观测器观测相反电势；

步骤6，根据步骤2获得的非故障相电流表达式，以及故障相短路电流和其反电势之间的关系，求出非故障相电压指令；

步骤7，将步骤6所得到的非故障相电压指令和各相反电势分别相加得到期望相电压指令，将该期望相电压指令经电压源逆变器，采用CPWM调制方法实现五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相短路故障后的容错磁场定向无扰运行。

当C发生开路故障D相发生短路故障时，电机容错磁场定向运行在同步旋转坐标系上的电流是步骤3中i_{sc_C}＝0的情况，自然坐标系上非故障相电压指令是步骤6中e_C＝0的情况。

当C发生短路故障D相发生开路故障时，电机容错磁场定向运行在同步旋转坐标系上的电流是步骤3中i_{sc_D}＝0的情况，自然坐标系上非故障相电压指令是步骤6中e_D＝0的情况。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明在保证电机任意相邻两相短路故障前后电机输出推力相等的前提下，不但能有效抑制电机推力波动，而且更为关键的是能使电机容错运行情况下的动态性能、电流跟随性能和正常状态下的性能一致，并且无需复杂的计算，电压源逆变器开关频率恒定、噪声低、CPU开销小，算法具有一定的通用性。

2、采用本发明相邻两相短路容错磁场定向控制策略后，该类电机在C相和D相短路故障情况下容错运行时，其动态性能、稳态性能和电机正常状态下一样，且输出推力几乎没有波动，在电机系统允许的最大电流极限值以下，电磁推力和故障前保持一致，实现了无扰容错运行。

3、由本发明中的剩余非故障相电流在同步旋转坐标系上无脉动。而采用传统磁场定向控制在相邻两相短路故障状态下剩余非故障相的电流在同步旋转坐标系上脉动。

4、反电势观测器实现了该类电机相邻两相短路故障情况下的反电势精确估算，从而实现了该类电机相邻两相短路故障情况下的容错磁场定向运行。

5、和电流PI控制器相比，电流内模控制器和反电势观测器以及一阶惯性前馈电压补偿器相结合将该类电机在相邻两相短路故障状态下的非线性强耦合系统变换为一阶惯性系统，降低了控制器参数整定难度，保证了该类电机系统在相邻两相短路故障状态下电流跟随性能、稳态性能、动态性能，使电机动态性能、稳态性能和电机故障前的性能一致，并且能够实现无超调快速响应。

6、零序电压谐波注入的CPWM调制和磁场定向容错相结合，提高了逆变器母线电压利用率，同时减小了容错磁场定向控制算法的复杂性，降低了CPU开销。

7、相邻两相短路容错磁场定向控制策略、反电势估算策略、电流内模控制策略、一阶惯性前馈电压补偿策略、CPWM调制技术与五相永磁体内嵌式容错直线电机相结合，大大提高了该电机在相邻两相短路故障状态下的容错性能、动态性能和稳态性能，节省了CPU开销。和电流滞环控制相比，降低了噪声，降低了电磁兼容设计难度。进而使得该电机在相邻两相短路故障状态下控制精度高，电流跟随性能好，电机效率高、输出推力响应速度快且推力脉动和故障前一样小，实现了电机系统的在相邻两相短路故障状态下的高可靠性以及高动态性能。

8、本发明能够实现相邻两相中一相开路和一相短路的容错磁场定向控制，具有良好的通用性。

附图说明

图1为本发明实施例五相永磁体内嵌式容错直线电机的结构示意图；

图2为本发明实施例五相永磁体内嵌式容错直线电机磁场定向控制策略原理图；

图3为本发明实施例五相永磁体内嵌式容错直线电机C相和D相短路容错磁场定向控制原理图；

图4为本发明实施例C相和D相短路故障情况下无容错和容错磁场定向运行时的相电流波形；

图5为本发明实施例C相和D相短路故障情况下无容错和容错磁场定向运行时的推力波形；

图6为本发明实施例无故障运行过程中推力指令阶跃时的同步旋转坐标系上的电流波形；

图7为本发明实施例无故障运行过程中推力指令阶跃时的电机输出推力波形；

图8为本发明实施例C相和D相短路容错运行过程中推力指令阶跃时的同步旋转坐标系上的电流波形；

图9为本发明实施例C相和D相短路容错运行过程中推力指令阶跃时的电机输出推力波形；

图中：1.初级；2.次级；3.硅钢片；4.极靴；5.容错齿；6.电枢齿；7.端部齿；8.永磁体；9.绕组线圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

为了能够更加简单明了地说明本发明的永磁体内嵌式容错直线电机的结构特点和有益效果，下面结合一个具体的五相永磁体内嵌式容错直线电机来进行详细的表述。

步骤1，建立五相永磁体内嵌式容错直线电机模型。

如图1所示，本发明实施例的五相永磁体内嵌式容错直线电机结构示意图，包括初级 1、次级2。初级1中包括极靴4、电枢齿6、容错齿5和集中绕组线圈9，且电枢齿6和容错齿5都为10个，次级2上内嵌有稀土永磁体8，初级1和次级2之间存在气隙，初级1 和次级2上除永磁体、绕组和极靴之外的部分都是由硅钢片3轴向叠片而成，极靴4由电工纯铁制成，初级1的两个端部齿7是不对称的，且比容错齿和电枢齿宽。

在传统使用正弦波作为调制波的载波脉宽调制(CPWM)方法基础上，在五相正弦调制波中注入c₀＝-(max(u_i)+min(u_i))/2的零序电压谐波(u_i是五相正弦调制波每一相函数)的 CPWM方法与五相SVPWM方法能获得相同的磁链控制效果。因此本发明采用基于注入零序电压谐波的CPWM方法进行脉宽调制。

图2五相永磁体内嵌式容错直线电机由电压源逆变器供电，该电机分为A、B、C、D、E这五相，采用基于零序电压谐波注入的CPWM技术的磁场定向控制策略，零序电流控制为零，控制框图见图2所示。电机正常状态稳态运行时，各相绕组电流可表示为

式中，分别是旋转坐标系d轴、q轴的电流指令，θ为电角度v为直线电机动子运动电速度，τ为极距。

电机产生的行波磁动势(MMF)可表示为

式中，a＝e^j2π/5，N为各相定子绕组的有效匝数。

步骤2，当电机发生C相和D相发生短路故障时，根据电机故障前后行波磁动势不变原则以及剩余非故障相电流之和为零的约束条件，求出该故障下电机容错运行的非故障相电流指令

当电机相邻两相C相和D相发生短路故障，电机内部的行波磁动势由剩余的三相非故障相和两相短路故障相产生，磁动势可表示为

假设剩余非故障相电流指令为

其中，x_A、y_A、x_B、y_B、x_E、y_E分别为非故障相补偿电流余弦项和正弦项的幅值。

假设C相的短路电流为i_{sc_C}＝I_f cos(ωt-θ_fC)，D相的短路电流为 i_{sc_D}＝I_f cos(ωt-θ_fD)，其中，I_f是短路电流的幅值，θ_fC是C相反电势和该相短路电流的夹角，θ_fD是D相反电势和该相短路电流的夹角。

为实现电机相邻两相短路故障后无扰运行，需保持电机故障前后行波磁动势一致，因此需调整剩余非故障相定子电流使电机故障前后行波磁动势的幅值与速度保持不变。于是，令式(2)、式(3)的实部与虚部均相等。再由非故障相电流之和等于零为约束条件，求得电机容错运行的相电流指令为

上式中非故障相电流以矩阵形式可表示为

或者，

步骤3，根据步骤2获得的剩余三相非故障电流求出这三相非故障相电流在同步旋转坐标系上的电流(i_d、i_q)。

在电流跟随电流指令的情况下，根据式(6)或式(7)求出剩余非故障相在同步旋转坐标系上的电流(i_d、i_q)

或者，

步骤4，设计一阶惯性前馈电压补偿器，同步旋转坐标系上的电流指令经一阶惯性环节获得前馈补偿电压电流指令和反馈电流(i_d、i_q)的差值经电流内模控制器得控制电压(u_d0、u_q0)，将该电压与前馈补偿电压相加得到同步旋转坐标系上的电压指令

同步旋转坐标系上的电流指令经一阶惯性环节得补偿电压

电流指令和反馈电流(i_d、i_q)的差值经电流内模控制器获得控制电压(u_d0、u_q0)，将该电压与补偿电压相加得到同步旋转坐标系上的电压指令

步骤5，根据非故障相在同步旋转坐标系上的电流(9)以及动子永磁磁链设计反电势观测器观测非故障相反电势(e_A、e_B、e_E)

根据非故障相反电势(e_A、e_B、e_E)求出故障相反电势(e_C、e_D)

步骤6，根据非故障相电流表达式(6)或者(7)，以及故障相短路电流和其反电势之间的关系，定义非故障相电压指令

或者，

步骤7，将自然坐标系上的非故障相电压指令和各相反电势(e_A、e_B、 e_E)分别相加得到期望相电压指令

式(16)期望相电压经电压源逆变器采用基于零序电压谐波注入的CPWM调制实现五相永磁体内嵌式容错直线电机C相和D相短路故障情况下的无扰容错运行。本发明提出的高性能相邻两相短路故障容错磁场定向控制策略如图3所示。

当C发生开路故障D相发生短路故障时，电机容错运行在同步旋转坐标系上的电流(i_d、i_q)是式(8)或(9)中i_{sc_C}＝0的情况，自然坐标系上非故障相电压指令是式(14)或(15)中e_C＝0的情况，即将开路相的电流和反电势设为零。

当C发生短路故障D相发生开路故障时，电机容错运行在同步旋转坐标系上的电流(i_d、i_q)是式(8)或(9)中i_{sc_D}＝0的情况，自然坐标系上非故障相电压指令是式(14)或(15)中e_D＝0的情况，即将开路相的电流和反电势设为零。

当其它相邻两相发生短路或者一相开路一相短路故障时，只需将自然坐标系逆时针旋转(k＝0、1、2、3、4；C相和D相故障时，k＝0；D相和E相故障时，k＝1；E相和 A相故障时，k＝2；A相和B相故障时，k＝3；B相和C相故障时，k＝4))电角度，此时式(8)-(15)中θ由代替。

按图2和图3在Matlab/Simulink中建立图1所示五相永磁体内嵌式容错直线电机的控制系统仿真模型，进行系统仿真，得五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相短路故障容错磁场定向控制仿真结果。

图4是C相和D相短路故障下相电流波形，0.1s短路故障发生，电流波形发生畸变，0.2s施加本发明容错磁场定向控制策略，电流正弦度改善。图5是C相和D相短路故障下推力波形，0.1s时短路故障发生，电机输出推力波动明显，0.2s施加本发明短路容错磁场定向控制策略，电机输出推力脉动得到明显抑制，几乎没有脉动。图6和图7分别是电机正常运行过程中推力指令发生阶跃变化时的同步旋转坐标系上的电流和电机输出推力响应，推力响应时间为0.2ms。图8和图9是电机C相和D相发生短路故障情况下施加本发明短路容错磁场定向控制策略后推力指令发生阶跃变化时的同步旋转坐标系上的电流和电机输出推力响应，电机推力响应时间也是0.3ms。因此，本发明五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相短路故障容错磁场策略能使电机具有正常运行时的动态性能和稳态性能。另外，电流跟随性能好，实现了无扰容错运行。

从以上所述可知，本发明用于五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相短路容错磁场定向控制策略在电机驱动系统允许最大电流情况下，不但能保证相邻两相短路故障时电机输出推力和正常状态下一致，而且能明显抑制电机相邻两相短路故障后的推力波动，更为关键的是具有和故障前相近的动态性能、稳态性能和电流跟随精度，且适合任何相邻两相发生短路故障的情况，通用性强，无需复杂计算，CPU开销小。同时，本发明适用于相邻两相一相开路一相短路故障情况下的五相永磁电机容错控制，该控制器设计时只需将开路相的电流和反电势设为零。因此，本发明在电磁主动悬架系统等对运行可靠性要求高的系统中拥有很好的应用前景。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，均属于本申请所附权利要求所限定的保护范围。

Claims (4)

1.一种五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相短路容错磁场定向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立五相永磁体内嵌式容错直线电机模型；

步骤2，永磁体内嵌式容错直线电机分为A、B、C、D、E这五相，当电机发生C相和D相发生短路故障时，根据电机故障前后行波磁动势不变原则以及剩余非故障相电流之和为零的约束条件，求出该故障下电机容错运行的非故障相电流指令

或者，

式中，分别是旋转坐标系下d轴、q轴的电流指令，θ为电角度v为直线电机动子运动电速度，τ为极距，i_{sc_C}和i_{sc_D}分别是C相和D相的短路电流；

步骤3，根据步骤2获得的剩余三相非故障电流求出这三相非故障相电流在同步旋转坐标系上的电流i_d、i_q：

或者，

步骤4，设计一阶惯性前馈电压补偿器，同步旋转坐标系上的电流指令经一阶惯性环节获得前馈补偿电压电流指令和反馈电流i_d、i_q的差值经电流内模控制器得控制电压u_d0、u_q0，将该电压与前馈补偿电压相加得到同步旋转坐标系上的电压指令

步骤5，根据步骤3获得的非故障相在同步旋转坐标系上的电流表达式以及动子永磁磁链设计反电势观测器观测非故障相反电势e_A、e_B、e_E：

根据非故障相反电势e_A、e_B、e_E求出故障相反电势e_C、e_D：

步骤6，根据步骤2获得的非故障相电流，以及故障相短路电流和其反电势之间的关系，定义非故障相电压指令

或者，

步骤7，将步骤6所得到的非故障相电压指令和各相反电势e_A、e_B、e_E分别相加得到期望相电压指令将该期望相电压指令经电压源逆变器，采用CPWM调制方法实现五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相短路故障后的容错磁场定向无扰运行。

2.根据权利要求1所述五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相短路容错磁场定向控制方法，其特征在于，当C相发生开路故障D相发生短路故障时，电机容错运行在同步旋转坐标系上的电流i_d、i_q是步骤3中i_{sc_C}＝0的情况，自然坐标系上非故障相电压指令 是步骤6中e_C＝0的情况。

3.根据权利要求1所述五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相短路容错磁场定向控制方法，其特征在于，当C相发生短路故障D相发生开路故障时，电机容错运行在同步旋转坐标系上的电流i_d、i_q是步骤3中i_{sc_D}＝0的情况，自然坐标系上非故障相电压指令 是步骤6中e_D＝0的情况。

4.根据权利要求1所述五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相短路容错磁场定向控制方法，其特征在于，所述相邻两相短路容错磁场定向控制方法还适用于五相永磁容错旋转电机控制系统。