五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰兩相短路容錯磁場定向控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰兩相短路容錯磁場定向控制方法。根據故障前后行波磁動勢不變以及非故障相電流和為零的原則，求出非故障相容錯電流；采用內模控制器、一階慣性前饋電壓補償器、反電勢觀測器將該類電機在故障狀態下的非線性強耦合系統變換為一階慣性系統；在此基礎上求出非故障相電壓指令，將該電壓指令分別與各相反電勢相加，實現該電機相鄰兩相短路故障后的容錯磁場定向控制。本發明不但抑制了電機相鄰兩相短路故障導致的電機輸出推力波動，還能實現相鄰兩相一相開路一相短路故障的容錯運行，且更為關鍵的是其動態性能、穩態性能和正常狀態下一致，電壓源逆變器開關頻率恒定，具有一定的通用性。
【專利說明】
五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰兩相短路容錯磁場定向 控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種五相永磁電機相鄰兩相短路故障容錯控制方法，特別是五相容錯 永磁直線電機相鄰兩相短路故障容錯磁場定向控制方法。適用于航空航天、電動汽車、深 海、醫療器械等對電機的可靠性和動態性能有$父尚要求的場合。
【背景技術】
[0002] 隨著社會的發展以及人們生活水平的提高，對汽車駕乘的舒適性和安全穩定性要 求越來越高。作為現代汽車的重要組成部分，懸架系統性能對汽車行駛平順性和操作穩定 性等有著極其重要的影響，因此主動懸架系統的研究受到業內高度重視。作為主動電磁懸 架系統的核心部件，圓筒直線電機研究受到重視。電機在短路故障狀態下的容錯性能，直接 決定著電磁懸架的可靠性和連續運行的能力。
[0003] 容錯電機在某一相或某兩相發生短路故障時，電機仍然具有一定的推力或者轉矩 輸出能力，但是推力或者轉矩波動很大，噪聲增大，嚴重影響系統性能。容錯控制的目標是 針對不同應用場合對容錯電流進行優化，使電機在故障狀態下的輸出推力或者轉矩盡量平 滑，并且使電機性能達到或接近故障前的性能。中國發明專利申請號為201510059387.2的 專利《一種五相容錯永磁電機的短路容錯控制方法》針對五相容錯表貼式永磁旋轉電機，將 短路故障對電機轉矩的影響分解為兩部分:一部分是開路故障對轉矩的影響；另一部分是 短路電流對轉矩影響。針對開路故障，采用故障前后磁動勢和不變原則以及故障后電流幅 值相等原則，優化剩余非故障相的相電流;針對短路電流引起的轉矩波動，采用故障后磁動 勢為零和銅耗最小原則求出非故障相補償電流;最后兩部分電流相加，求得剩余非故障相 的電流指令。根據求得的剩余非故障相電流采用電流滯環控制策略，對五相容錯表貼式永 磁旋轉電機進行控制。該方法用于抑制短路相電流導致轉矩波動的剩余非故障相補償電流 的幅值是常數，與電機轉速無關，且剩余非故障相的補償電流之和不為零。目前，常用的容 錯控制方法是:計算出容錯電流，然后采用電流滯環策略進行控制。但是，該方法存在開關 頻率雜亂、噪聲大、電機動態性能差等問題，不適合功率較大以及對電機動態性能要求高的 場合。中國發明專利申請號為201510661212.9的專利《一種內嵌式混合磁材料容錯圓筒直 線電機短路容錯矢量控制方法》針對五相混合磁材料內嵌式容錯直線電機一相短路故障， 采用以上相同方法優化剩余非故障電流，然后采用矢量控制策略實現該電機一相短路故障 情況的矢量運行。盡管該方法實現了該類電機系統在短路故障狀態下的高容錯性能、高動 態性能、電流良好的跟隨性，但該方法無法實現兩相短路故障情況下的矢量控制。
【發明內容】
[0004] 針對現有電機容錯控制技術中存在的不足，根據五相永磁體內嵌式容錯直線電機 的特性和該類電機相鄰兩相短路故障特點，本發明目的是克服電機相鄰兩相短路故障后現 有容錯策略使用電流滯環控制導致逆變器開關頻率雜亂、電機響應速度下降、動態性能差、 電流無法精確跟隨、噪聲嚴重的缺點、傳統電流PI控制由于響應快速性和超調的矛盾引起 參數調節困難的問題，以及現有容錯矢量控制策略無法實現兩相短路故障情況的容錯運 行，提出一種用于本發明的五相永磁體內嵌式容錯直線電機的相鄰兩相短路容錯轉子磁場 定向控制方法，實現了反電勢的精確估算，降低控制器參數調節難度，實現該類電機系統在 相鄰兩相短路故障狀態下的高容錯性能、高動態性能、電流良好跟隨性，減小CHJ開銷，實現 逆變器開關頻率恒定、降低噪聲，進而提高本發明的五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰 兩相短路故障狀態下的動態性能和可靠性。
[0005] 本發明用于五相永磁體內嵌式容錯直線電機的容錯磁場定向控制方法采用如下 技術方案：
[0006] -種用于五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰兩相短路容錯磁場定向控制方法， 包括以下步驟：
[0007] 步驟1，建立五相永磁體內嵌式容錯直線電機模型；
[0008] 步驟2,永磁體內嵌式容錯直線電機分為A、B、C、D、E這五相，當電機發生C相和D相 短路故障時，根據電機故障前后行波磁動勢不變原則以及剩余非故障相電流之和為零的約 束條件，求出C相和D相短路故障后電機容錯運行的非故障相電流；
[0009] 步驟3,根據步驟2獲得的剩余三相非故障電流求出這三相非故障相電流在同步旋 轉坐標系上的電流；
[0010] 步驟4,設計一階慣性前饋電壓補償器獲得前饋補償電壓，同時該電流指令和反饋 電流的差值經電流內模控制器得到的控制電壓與前饋補償電壓相加得到同步旋轉坐標系 上的電壓指令；
[0011] 步驟5,根據步驟3獲得的非故障相在同步旋轉坐標系上的電流表達式以及動子永 磁磁鏈設計反電勢觀測器觀測相反電勢；
[0012] 步驟6,根據步驟2獲得的非故障相電流表達式，以及故障相短路電流和其反電勢 之間的關系，求出非故障相電壓指令；
[0013] 步驟7,將步驟6所得到的非故障相電壓指令和各相反電勢分別相加得到期望相電 壓指令，將該期望相電壓指令經電壓源逆變器，采用CPWM調制方法實現五相永磁體內嵌式 容錯直線電機相鄰兩相短路故障后的容錯磁場定向無擾運行。
[0014] 當C發生開路故障D相發生短路故障時，電機容錯磁場定向運行在同步旋轉坐標系 上的電流是步驟3中:^^ = 0的情況，自然坐標系上非故障相電壓指令是步驟6中ec = 0的情 況。
[0015] 當C發生短路故障D相發生開路故障時，電機容錯磁場定向運行在同步旋轉坐標系 上的電流是步驟3中;?^_? = 0的情況，自然坐標系上非故障相電壓指令是步驟6中eD = 0的情 況。
[0016] 本發明具有以下有益效果：
[0017] 1、本發明在保證電機任意相鄰兩相短路故障前后電機輸出推力相等的前提下，不 但能有效抑制電機推力波動，而且更為關鍵的是能使電機容錯運行情況下的動態性能、電 流跟隨性能和正常狀態下的性能一致，并且無需復雜的計算，電壓源逆變器開關頻率恒定、 噪聲低、CPU開銷小，算法具有一定的通用性。
[0018] 2、采用本發明相鄰兩相短路容錯磁場定向控制策略后，該類電機在C相和D相短路 故障情況下容錯運行時，其動態性能、穩態性能和電機正常狀態下一樣，且輸出推力幾乎沒 有波動，在電機系統允許的最大電流極限值以下，電磁推力和故障前保持一致，實現了無擾 容錯運行。
[0019] 3、由本發明中的剩余非故障相電流在同步旋轉坐標系上無脈動。而采用傳統磁場 定向控制在相鄰兩相短路故障狀態下剩余非故障相的電流在同步旋轉坐標系上脈動。
[0020] 4、反電勢觀測器實現了該類電機相鄰兩相短路故障情況下的反電勢精確估算，從 而實現了該類電機相鄰兩相短路故障情況下的容錯磁場定向運行。
[0021] 5、和電流PI控制器相比，電流內模控制器和反電勢觀測器以及一階慣性前饋電壓 補償器相結合將該類電機在相鄰兩相短路故障狀態下的非線性強耦合系統變換為一階慣 性系統，降低了控制器參數整定難度，保證了該類電機系統在相鄰兩相短路故障狀態下電 流跟隨性能、穩態性能、動態性能，使電機動態性能、穩態性能和電機故障前的性能一致，并 且能夠實現無超調快速響應。
[0022 ] 6、零序電壓諧波注入的CPWM調制和磁場定向容錯相結合，提高了逆變器母線電壓 利用率，同時減小了容錯磁場定向控制算法的復雜性，降低了 CPU開銷。
[0023] 7、相鄰兩相短路容錯磁場定向控制策略、反電勢估算策略、電流內模控制策略、一 階慣性前饋電壓補償策略、CPWM調制技術與五相永磁體內嵌式容錯直線電機相結合，大大 提高了該電機在相鄰兩相短路故障狀態下的容錯性能、動態性能和穩態性能，節省了 CPU開 銷。和電流滯環控制相比，降低了噪聲，降低了電磁兼容設計難度。進而使得該電機在相鄰 兩相短路故障狀態下控制精度高，電流跟隨性能好，電機效率高、輸出推力響應速度快且推 力脈動和故障前一樣小，實現了電機系統的在相鄰兩相短路故障狀態下的高可靠性以及高 動態性能。
[0024] 8、本發明能夠實現相鄰兩相中一相開路和一相短路的容錯磁場定向控制，具有良 好的通用性。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明實施例五相永磁體內嵌式容錯直線電機的結構示意圖；
[0026]圖2為本發明實施例五相永磁體內嵌式容錯直線電機磁場定向控制策略原理圖；
[0027] 圖3為本發明實施例五相永磁體內嵌式容錯直線電機C相和D相短路容錯磁場定向 控制原理圖；
[0028] 圖4為本發明實施例C相和D相短路故障情況下無容錯和容錯磁場定向運行時的相 電流波形；
[0029] 圖5為本發明實施例C相和D相短路故障情況下無容錯和容錯磁場定向運行時的推 力波形；
[0030] 圖6為本發明實施例無故障運行過程中推力指令階躍時的同步旋轉坐標系上的電 流波形；
[0031] 圖7為本發明實施例無故障運行過程中推力指令階躍時的電機輸出推力波形；
[0032] 圖8為本發明實施例C相和D相短路容錯運行過程中推力指令階躍時的同步旋轉坐 標系上的電流波形；
[0033] 圖9為本發明實施例C相和D相短路容錯運行過程中推力指令階躍時的電機輸出推 力波形；
[0034]圖中：1.初級；2.次級;3.硅鋼片;4.極靴;5.容錯齒;6.電樞齒;7.端部齒;8.永磁 體;9.繞組線圈。
【具體實施方式】
[0035]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述。
[0036] 為了能夠更加簡單明了地說明本發明的永磁體內嵌式容錯直線電機的結構特點 和有益效果，下面結合一個具體的五相永磁體內嵌式容錯直線電機來進行詳細的表述。
[0037] 步驟1，建立五相永磁體內嵌式容錯直線電機模型。
[0038] 如圖1所示，本發明實施例的五相永磁體內嵌式容錯直線電機結構示意圖，包括初 級1、次級2。初級1中包括極靴4、電樞齒6、容錯齒5和集中繞組線圈9,且電樞齒6和容錯齒5 都為10個，次級2上內嵌有稀土永磁體8,初級1和次級2之間存在氣隙，初級1和次級2上除永 磁體、繞組和極靴之外的部分都是由硅鋼片3軸向疊片而成，極靴4由電工純鐵制成，初級1 的兩個端部齒7是不對稱的，且比容錯齒和電樞齒寬。
[0039]在傳統使用正弦波作為調制波的載波脈寬調制(CPWM)方法基礎上，在五相正弦調 制波中注入(3() = -(11^(出)+1]1；[11(出））/2的零序電壓諧波(出是五相正弦調制波每一相函數） 的CPWM方法與五相SVPWM方法能獲得相同的磁鏈控制效果。因此本發明采用基于注入零序 電壓諧波的CPWM方法進行脈寬調制。
[0040]圖2五相永磁體內嵌式容錯直線電機由電壓源逆變器供電，該電機分為A、B、C、D、E 這五相，采用基于零序電壓諧波注入的CPWM技術的磁場定向控制策略，零序電流控制為零， 控制框圖見圖2所示。電機正常狀態穩態運行時，各相繞組電流可表示為
[0042] 式中，ζ分別是旋轉坐標系d軸、q軸的電流指令，Θ為電角度
直線 電機動子運動電速度，τ為極距。
[0043] 電機產生的行波磁動勢(MMF)可表示為
[0045] 式中，a = d2V5，N為各相定子繞組的有效匝數。
[0046] 步驟2,當電機發生C相和D相發生短路故障時，根據電機故障前后行波磁動勢不變 原則以及剩余非故障相電流之和為零的約束條件，求出該故障下電機容錯運行的非故障相 電流指令（4、/;、&)。
[0051]其中，1纟、7纟^[3、7[3、1￡、7￡分別為非故障相補償電流余弦項和正弦項的幅值。
[0052] 假設C相的短路電流為isc_c = IfC〇s( ω t-9fC)，D相的短路電流為isc_D=IfC〇s( ω t-9fD)，其中，If是短路電流的幅值，0fC是C相反電勢和該相短路電流的夾角，0 fD是D相反電勢 和該相短路電流的夾角。
[0053]為實現電機相鄰兩相短路故障后無擾運行，需保持電機故障前后行波磁動勢一 致，因此需調整剩余非故障相定子電流使電機故障前后行波磁動勢的幅值與速度保持不 變。于是，令式(2)、式(3)的實部與虛部均相等。再由非故障相電流之和等于零為約束條件， 求得電機容錯運行的相電流指令為
[0047]當電機相鄰兩相C相和D相發生短路故障，電機內部的行波磁動勢由剩余的三相非 故障相和兩相短路故障相產生，磁動勢可表示為
[0055]上式中非故障相電流以矩陣形式可表示為
[0059] 步驟3,根據步驟2獲得的剩余三相非故障電流求出這三相非故障相電流在同步旋 轉坐標系上的電流(id、iq)。
[0060] 在電流跟隨電流指令的情況下，根據式(6)或式(7)求出剩余非故障相在同步旋轉 坐標系上的電流(id、iq)
[0064] 步驟4,設計一階慣性前饋電壓補償器，同步旋轉坐標系上的電流指令(?、< )經 一階慣性環節
「獲得前饋補償電壓（《ΓΡ、電流指令（^、(6)和反饋電流(id、i q) 的差值經電流內模控制器
得控制電壓（UdQ、uqQ)，將該電壓與前饋補償電壓 ("廠、》廠)相加得到同步旋轉坐標系上的電壓指令(</、\)。
[0065] 同步旋轉坐標系上的電流指令U:、< )經一階慣性環節
補償電壓()
[0067]電流指令( <、<)和反饋電流(id、iq)的差值經電流內模控制器
制電壓(udQ、uqQ)，將該電壓與補償電壓相加得到同步旋轉坐標系上的電壓指令(》〕、< )
[0069]步驟5,根據非故障相在同步旋轉坐標系上的電流(9)以及動子永磁磁鏈設計反電 勢觀測器觀測非故障相反電勢(eA、eB、eE)
[0071 ]根據非故障相反電勢(eA、eB、eE)求出故障相反電勢(ec、eD)
[0073]步驟6,根據非故障相電流表達式(6)或者(7)，以及故障相短路電流和其反電勢之 間的關系，定義非故障相電壓指令（《〕、4、4)
[0077]步驟7,將自然坐標系上的非故障相電壓指令(《〗、<、)和各相反電勢(eA、eB、 eE)分別相加得到期望相電壓指令（<、<、《；：)
[0079] 式（16)期望相電壓經電壓源逆變器采用基于零序電壓諧波注入的CPWM調制實現 五相永磁體內嵌式容錯直線電機C相和D相短路故障情況下的無擾容錯運行。本發明提出的 高性能相鄰兩相短路故障容錯磁場定向控制策略如圖3所示。
[0080] 當C發生開路故障D相發生短路故障時，電機容錯運行在同步旋轉坐標系上的電流 (id、iq)是式⑶或(9)中?^ = 0的情況，自然坐標系上非故障相電壓指令（<、<、4 )是 式(14)或（15)中優=0的情況，即將開路相的電流和反電勢設為零。
[0081] 當C發生短路故障D相發生開路故障時，電機容錯運行在同步旋轉坐標系上的電流 (id、iq)是式⑶或(9)中1。』=0的情況，自然坐標系上非故障相電壓指令是 式(14)或（15)中e D = 0的情況，即將開路相的電流和反電勢設為零。
[0082] 當其它相鄰兩相發生短路或者一相開路一相短路故障時，只需將自然坐標系逆時
(k = 0、l、2、3、4;C相和D相故障時，k = 0;D相和E相故障時，k=l;E相和A相故障 時，k = 2;A相和B相故障時，k = 3;B相和C相故障時，k = 4))電角度，此時式(8)-(15)中Θ由
[0083] 按圖2和圖3在Matlab/Simulink中建立圖1所示五相永磁體內嵌式容錯直線電機 的控制系統仿真模型，進行系統仿真，得五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰兩相短路故 障容錯磁場定向控制仿真結果。
[0084] 圖4是C相和D相短路故障下相電流波形，0.1s短路故障發生，電流波形發生畸變， 0.2s施加本發明容錯磁場定向控制策略，電流正弦度改善。圖5是C相和D相短路故障下推力 波形，0.1s時短路故障發生，電機輸出推力波動明顯，0.2s施加本發明短路容錯磁場定向控 制策略，電機輸出推力脈動得到明顯抑制，幾乎沒有脈動。圖6和圖7分別是電機正常運行過 程中推力指令發生階躍變化時的同步旋轉坐標系上的電流和電機輸出推力響應，推力響應 時間為0.2ms。圖8和圖9是電機C相和D相發生短路故障情況下施加本發明短路容錯磁場定 向控制策略后推力指令發生階躍變化時的同步旋轉坐標系上的電流和電機輸出推力響應， 電機推力響應時間也是〇. 3ms。因此，本發明五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰兩相短路 故障容錯磁場策略能使電機具有正常運行時的動態性能和穩態性能。另外，電流跟隨性能 好，實現了無擾容錯運行。
[0085] 從以上所述可知，本發明用于五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰兩相短路容錯 磁場定向控制策略在電機驅動系統允許最大電流情況下，不但能保證相鄰兩相短路故障時 電機輸出推力和正常狀態下一致，而且能明顯抑制電機相鄰兩相短路故障后的推力波動， 更為關鍵的是具有和故障前相近的動態性能、穩態性能和電流跟隨精度，且適合任何相鄰 兩相發生短路故障的情況，通用性強，無需復雜計算，CPU開銷小。同時，本發明適用于相鄰 兩相一相開路一相短路故障情況下的五相永磁電機容錯控制，該控制器設計時只需將開路 相的電流和反電勢設為零。因此，本發明在電磁主動懸架系統等對運行可靠性要求高的系 統中擁有很好的應用前景。
[0086] 雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但實施例并不是用來限定本發明的。在不 脫離本發明之精神和范圍內，所做的任何等效變化或潤飾，均屬于本申請所附權利要求所 限定的保護范圍。
【主權項】
1. 一種五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰兩相短路容錯磁場定向控制方法，其特征 在于，包括以下步驟： 步驟1，建立五相永磁體內嵌式容錯直線電機模型； 步驟2,永磁體內嵌式容錯直線電機分為A、B、C、D、E這五相，當電機發生C相和D相發生 短路故障時，根據電機故障前后行波磁動勢不變原則以及剩余非故障相電流之和為零的約 束條件，求出該故障下電機容錯運行的非故障相電流指令（/)、/；〇 4)式中，/：、ξ分別是旋轉坐標系下d軸、q軸的電流指令，Θ為電角度，v直線電 機動子運動電速度，τ為極距，分別是C相和D相的短路電流。步驟3,根據步驟2獲得的剩余三相非故障電流求出這三相非故障相電流在同步旋轉坐 標系h.的電流（iH、in)步驟4,設計一階慣性前饋電壓補償器，同步旋轉坐標系上的電流指令（仏、：?)經一階 慣性環節^獲得前饋補償電壓電流指令（<、?)和反饋電流（id、iq)的 S -l· CC 差值經電流內模控制器1 + 4'!得控制電壓（Ud〇、uq())，將該電壓與前饋補償電壓 、SL·) (c' 相加得到同步旋轉坐標系上的電壓指令（<、<); 步驟5,根據步驟3獲得的非故障相在同步旋轉坐標系上的電流表達式以及動子永磁磁 鏈設計反電勢觀測器觀測非故障相反電勢（eA、eB、eE) %步驟7,將步驟6所得到的非故障相電壓指令（《1、*4 )和各相反電勢(eA、eB、eE)分 別相加得到期望相電壓指令（《Γ、將該期望相電壓指令經電壓源逆變器，采用 CPffM調制方法實現五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰兩相短路故障后的容錯磁場定向 無擾運行。2.根據權利要求1所述五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰兩相短路容錯磁場定向控 制方法，其特征在于，當C發生開路故障D相發生短路故障時，電機容錯運行在同步旋轉坐標 系上的電流（id、iq)是步驟3中isc；_c = O的情況，自然坐標系上非故障相電壓指令（、 <、"g)是步驟6中ec = 0的情況。3. 根據權利要求1所述五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰兩相短路容錯磁場定向控 制方法，其特征在于，當C發生短路故障D相發生開路故障時，電機容錯運行在同步旋轉坐標 系上的電流（i d、i q)是步驟3中i s C _ D = 0的情況，自然坐標系上非故障相電壓指令（、 *4、< )是步驟6中eD = 0的情況。4. 根據權利要求1所述五相永磁體內嵌式容錯直線電機相鄰兩相短路容錯磁場定向控 制方法，其特征在于，所述相鄰兩相短路容錯磁場定向控制方法還適用于五相永磁容錯旋 轉電機控制系統。
【文檔編號】H02P29/028GK106026841SQ201610595146
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月26日
【發明人】周華偉, 于曉東, 劉國海, 吉敬華, 徐亮, 陳龍
【申請人】江蘇大學