六相永磁容错磁通切换电机及其单相故障的容错控制

为了提高永磁电机的可靠性和容错性,研究了一种六相永磁容错磁通切换电机(FaultTolerant Flux Switching Permanent Magnet Motor,FTFSPM)。该电机继承了永磁磁通切换电机的结构特点和功率密度优势,同时具备故障隔离和抑制短路电流的能力。通过有限元仿真研究了该电机电感特性和转矩特性,分析了电机的电磁性能和容错能力。为使该电机在单相故障时仍能提供平滑转矩,提出了容错电流优化控制策略。开路故障时,利用扩展坐标变换,通过控制转子同步旋转坐标系下的交轴电流、零序电流,实现转矩脉动的补偿,同时优化转矩铜耗比。针对短路故障,提出一种故障分解补偿法,对短路电流及绕组正常电流缺失引起的转矩脉动或转矩缺失分别进行补偿,进而矢量合成,实现容错控制的同时,避免了复杂的在线计算。在原理样机上进行了带载实验及容错实验,证明了所研究的永磁容错磁通切换电机的转矩输出能力和容错性能,同时验证了所提容错控制策略的有效性。     

外转子磁通切换永磁电机容错运行转矩脉动抑制研究

为了抑制外转子12/22极磁通切换永磁(FSPM)电机单相开路运行的转矩脉动,提出了一种新颖的FSPM电机控制策略。通过重新分配两相电流的幅值和相位,维持磁动势不变。考虑到FSPM电机较大的定位力矩会引起转矩脉动、振动和噪声问题,在电机容错运行时注入谐波电流补偿定位力矩,进而抑制转矩脉动。仿真验证了该策略的有效性。     

6/19容错型永磁磁通切换电机的短路故障容错控制

短路故障是电机工作时会发生的故障之一。当电机发生短路故障后,由于正常相电流的缺失和短路电流的扰动作用,使得电机不对称运行,电机输出转矩和转速脉动加大。基于直接转矩控制的容错控制策略具有优越的动态性能,但没有对短路电流脉动进行直接抑制。本文提出一种前馈补偿算法,通过对短路电流扰动转矩进行前馈补偿,削弱短路电流对电机输出转矩和转速的扰动。在6/19容错型永磁磁通切换电机实验平台上对所提容错控制算法进行了实验验证。     

三相永磁容错电机单相故障的容错控制

为了使三相永磁容错电机在单相故障后仍能输出满足要求的转矩,提出了容错电流优化控制方法。针对开路故障,利用故障前后磁动势不变的原则,得到了故障时的容错补偿电流,实现对转矩脉动的补偿。针对短路故障,利用分开补偿的策略,对由短路电流引起的转矩脉动和缺相不对称转矩脉动进行分开补偿,进行了电流矢量合成,实现了电机在短路时输出转矩脉动的最小化。通过MATLAB/Simulink进行仿真,验证了所提出容错控制方法的有效性。     

采用无差拍电流跟踪的五相梯形反电动势永磁电机开路容错控制

在开路故障下,为了利用五相梯形反电动势永磁电机的3次谐波反电动势,需注入3次谐波电流.此时,静止坐标系下的容错参考电流为交流量,传统比例积分控制器由于带宽的限制,难以准确跟踪交流容错电流,维持系统的平稳运行.为此,该文提出采用无差拍电流跟踪的新型容错控制策略.首先,根据故障后转矩脉动为零的原则获取故障后的容错参考电流,...     

三相永磁同步电机断相容错控制

为了提高三相永磁同步电机(PMSM)控制系统的容错能力,减小定子绕组断路故障时电机电磁转矩的脉动,提出了三相永磁同步电机断相容错控制策略。基于故障后正常相绕组电流与电压之间的关系,建立了三相PMSM一相绕组开路时的数学模型。通过分析故障前后电机的电磁转矩,提出了电磁转矩输出不变的容错控制策略,通过调整非故障相电流的幅值与相位,计算前馈零轴电压,保证一相绕组开路故障时电机的正常运行。为了提升电机故障下电磁转矩输出的平稳性,提出前馈零轴电压与中线电流闭环修正相结合的容错控制策略,实现了电机控制系统故障条件下的无扰动运行。采用转子磁场定向的方法,通过在旋转坐标系下交直轴电流控制器上增加前馈零轴电压和中线电流闭环修正,实现了一相绕组开路时的转矩脉动的补偿。实验结果表明,该文提出的容错控制算法可以有效减小三相PMSM在定子绕组发生开路故障时的电机电磁转矩脉动,提高电机控制系统的容错性能。     

考虑效率提高的永磁同步电机容错运行控制

为了提高三相永磁同步电机故障容错运行性能,提出了一种考虑降低转矩脉动和效率优化的新型容错运行控制方案。方案在实现非故障相电流的解耦控制后,进一步设计了缺相模式下最小化开关切换次数的SVPWM调制算法。同时,对于永磁同步电机容错稳态运行下的电流参考进行优化求解,补偿了电机反电动势谐波,降低了输出转矩脉动,提高了运行效率。最后,试验结果验证了在新型控制策略作用下,永磁同步电机容错运行效率明显提高。     

双绕组永磁容错电机矢量控制及其容错策略分析

介绍了双绕组永磁容错电机电流矢量控制系统的基本原理,在采用直轴电流id=0控制方法的基础上,提出开路故障、短路故障及组合故障的容错控制策略。在Ansoft Maxwell 14和Simplorer 9.0环境下,建立了系统的联合仿真模型,并研究了在一相、两相、三相开路和单相短路故障下容错控制策略实施前后的电流、转矩和转速响应曲线。仿真结果表明,双绕组永磁容错电机的电流矢量控制具有较强的容错能力和良好的速度、转矩控制特性,当发生故障时,采用所提容错控制策略,能有效抑制转矩脉动,维持转速稳定。     

五相永磁容错电机的相间短路容错控制

永磁电机发生短路故障后,电机内的短路电流急剧增大,电机系统将失去平稳性,威胁重大装备的运行安全。与其他短路故障相比,相间短路破坏性最强。针对这一严重故障,该文提出一种五相永磁容错电机的相间短路容错控制。以稳定的输出转矩为目标,从消除相间短路引起的断相和短路电流这两个负面影响出发,构建最优容错电流。利用故障前后磁动势不变的基波降阶矩阵,重构非故障相电流,弥补相间短路下断相引起的转矩损失和转矩脉动。进一步地,在非故障相中注入补偿电流,以注入电流与短路电流的磁动势和为零为原则,抑制短路电流引起的转矩脉动。利用叠加原理合成所需容错电流,并通过载波脉宽调制技术固定所提容错控制的开关频率。最后,通过实测20槽/14极五相永磁容错电机故障,容错运行下的动、静态特性,验证了所提控制策略的正确性和可行性。     

五相永磁同步电机缺相运行的建模与控制

为提高五相永磁同步电机(PMSM)控制系统的可靠性,减小定子绕组发生开路故障时电机输出转矩的脉动分量,提出了五相PMSM缺相运行时的容错控制策略。从矢量空间解耦的角度,建立了含有3次谐波磁场的五相PMSM缺相运行时的数学模型。根据瞬时功率守恒原理,对故障前后的电磁转矩进行分析,提出了平均转矩保持不变的容错控制策略,通过重新分配各相电流的幅值和相位,实现了控制系统的满负荷运行;为了使电机在缺相故障时仍能提供平滑转矩,提出了脉动转矩保持为零的容错控制策略,实现了控制系统的无扰运行。采用转子磁场定向的方法,通过对旋转坐标系下的交直轴电流和零序电流进行控制,实现了对电机输出转矩的补偿。实验结果表明,所提出的容错控制算法能够有效改善五相PMSM在定子绕组发生开路故障时的运行性能。     

3种谐波电流注入模式下的磁通切换永磁电机缺相容错控制

对矢量控制九相定子36槽/转子34极磁通切换永磁(flux-switching permanent magnet,FSPM)电机驱动系统中一相断路故障工况进行研究。单相故障时,根据转矩电流分量不变及定子铜耗方程,提出了3种谐波电流注入模式下无扰运行的容错控制策略,即在容错运行时分别注入3次,3、5次以及3、5、7次谐波电流,进而获得铜耗最小优化目标的容错电流通用在线生成方法。仿真分析和原理样机容错实验结果,证明了所提方案可以减小定子绕组断路故障引起的转矩脉动,使九相FSPM电机在故障状态下的运行性能得到明显改善,有效提高调速系统的可靠性。     

开路及短路组合故障下容错型永磁磁通切换电机转矩冲量平衡控制策略的研究

为了提高容错型永磁磁通切换(FTFSPM)电机驱动系统的可靠性,该文从定子磁链幅值恒定角度对电机绕组开路及短路组合故障进行分析。对绕组正常电流缺失及短路电流扰动进行磁链补偿,从而实现对电机的容错控制。然而转速的动态性能受到传统直接转矩控制中转速环PI参数的影响,因此,该文提出基于转矩冲量平衡控制的直接转矩控制策略,利用动态过程前后转矩冲量值不变,推导系统发送前进矢量与后退矢量的作用时间,使得电机在组合故障容错后的转速动态性能达到最优。通过仿真和实验实现了电机在开路及短路组合故障下的转矩冲量平衡控制,并对不同组合故障下的动态响应进行比较,验证了所提算法的正确性与有效性。     

无刷直流电机在转子偏心故障时的容错控制研究

在一些工业场合,无刷直流电机需要在转子偏心故障的情形下保持运行状态,而传统的控制策略无法有效地实现容错运行。针对这个问题,提出了一种无刷直流电机在转子偏心时的故障容错控制策略。分析了在传统无刷直流电机控制方法中,每相定子电流参考在波形上是一致的,仅存在一定的相位延迟,而没有考虑电机偏心后导致的反电动势和相电感变化,因此电机偏心将导致未知的转矩脉动。新型控制策略在传统控制策略的基础上采用了在线估计方法,获取了相电感和反电动势的值,从而控制器设置定子电流参考时包含了对偏心故障的考虑和相关运算,从而使电机能够降低转矩脉动,具备一定的故障容错运行能力。最后通过对比试验的方法对新型控制策略进行了试验验证。     

电动汽车用六相感应电机开路故障容错控制

针对传统六相感应电机发生绕组开路故障后转矩脉动大、谐波含量高、可靠性降低的问题,提出和改进了一种容错控制策略。推导了电机断路故障下的统一数学模型,建立了基于故障数学模型下的磁场定向控制,在谐波平面内加入了比例积分控制器,分别以一相、两相和三相定子绕组开路为例,进行了仿真和实验研究。结果表明,该容错控制策略能有效减小绕组开路故障后的转矩脉动和电流谐波,能够实现绕组开路故障后的容错运行。     

多相永磁电机磁场解析预测与容错控制策略

为了提高多相永磁同步电机在单相或多相绕组发生故障时的容错性能,基于傅里叶级数分析方法,建立了多相内转子表贴式永磁同步电机(SPMSM)绕组缺相不对称运行下的磁场解析计算模型,该解析计算模型能够考虑铁磁材料的非线性变化,并对气隙磁通密度、空载反电动势以及电磁输出转矩等性能参数进行准确计算;其次,以一台44极48槽12相SPMSM为例,通过有限元仿真分析和实验测试对磁场解析模型的准确性进行了验证。在此基础上,基于故障前后电机定子绕组合成磁动势不变的原则,提出一种多相永磁电机在单相或多相绕组开路故障下的容错控制策略,并以电磁输出转矩、转矩脉动等性能参数为考核指标,提高了多相永磁电机驱动系统的可靠性。     

单绕组无轴承永磁薄片电机短路容错运行

针对无轴承永磁薄片电机因相绕组出现短路故障,导致电机无法正常工作的问题,以六相单绕组无轴承永磁薄片电机为例,具体分析了相绕组出现短路故障时的短路电流,并提出基于定子电流重构原则的短路故障容错控制方法。该方法通过对非故障相定子电流加入悬浮力与转矩补偿,满足了电机稳定运行所需的悬浮力与转矩,并给出了各相绕组出现短路故障时的非故障相定子电流数学模型。在此基础上,通过对理论短路电流与仿真短路电流的对比分析以及短路故障状态下的悬浮力、转矩脉动的分析,验证了理论分析以及定子电流数学模型的正确性。最后,以齿1相绕组端部短路为例,通过实验验证了所提容错控制策略的正确性。     

新型五相磁通切换永磁电机容错控制研究

介绍了新型五相磁通切换永磁电机的结构和工作原理。针对其电感较大的特点,提出了一种新型容错控制策略,该方法通过控制磁动势保持不变,并考虑了电机故障条件下磁阻转矩的作用。建立了电机驱动系统的瞬态场路耦合仿真模型,并通过仿真结果验证了容错控制策略的正确性,与传统容错控制策略相比,该方法可以提高故障条件下电机的转矩性能。     

转子磁钢离心式六相十极永磁容错电机及控制策略

在转子磁钢采用离心结构的六相十极永磁容错电机基础上,提出一种具有转矩脉动最小化输出及容错能力的电流直接控制法。该控制策略保证电机某一相绕组或控制器发生断路及短路故障时,电机的输出转速及转矩平均值不变,并可使六相正常态平滑过渡到五相故障态,实现系统容错。设计了一台750W六相十极永磁容错电机及其全数字控制器,通过绕组的断路及短路故障试验证明了电机设计的合理性及电流直接控制策略的正确性。     

双绕组永磁容错电机不同故障容错控制策略的比较研究

在分析双绕组三相永磁容错电机基本结构的基础上,讨论了电机在开路和短路故障情况下的转矩脉动和铜耗。详细论述了加倍增加对应相电流容错控制策略、最优转矩容错控制策略和电流矢量容错控制策略的实现方法。通过数学计算和仿真比较分析了3种容错控制策略的性能和优缺点。硬件实验结果验证了所提出的电流矢量容错控制策略的正确性和可行性。     

五相永磁同步电机磁链改进型容错直接转矩控制

针对五相永磁同步电机驱动系统中开路故障导致转矩脉动大且动态性能差的问题,提出一种磁链改进型容错直接转矩控制策略。该策略基于故障前后磁动势不变原则,推导故障状态下的推广克拉克(Clarke)变换矩阵,建立五相永磁同步电机故障时的数学模型。在此基础上,设计一个系数修正定子磁链,使其与正常运行时一致。根据铜损最小原则,优化定子容错电流,同时采用基于零序电压谐波注入式脉宽调制技术,实现了电机转矩和定子磁链的准确控制。实验结果表明,该容错DTC策略能提高电机开路故障情况下转矩的稳态和动态性能,实现五相永磁同步电机的无扰运行。