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。     

五相集中整距绕组感应电机缺相容错控制

定子绕组开路是多相电机调速系统中的常见故障。建立了五相集中整距绕组感应电机绕组开路后的方程,计算了电机绕组开路后的稳态输出电磁转矩,分析了减小转矩脉动的条件,提出了五相电机缺相容错控制方法。此方法在无需额外增加硬件的前提下,可以保证电机继续平稳地运行。对于电机定子绕组多相同时开路,建立相应的变换矩阵、重新计算电感参数后,也可以采用提出的控制方法。对电机定子绕组一相开路进行的仿真和实验结果表明,该容错控制方法可以大大减小电机缺相运行时的转矩脉动。     

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。     

五相永磁同步电机容错控制策略

针对多相电机驱动系统中常见的定子绕组开路故障,提出一种有效的容错电流控制策略。从矢量空间解耦的角度,推导出缺相故障状态下的坐标变换矩阵,建立了五相永磁同步电机(PMSM)在发生一相绕组开路故障时的解耦数学模型。根据同步旋转坐标系下的定子铜耗方程,通过对Z1-Z2子空间的电流设置不同的约束条件,得到相应的矢量控制方法。实验结果表明,该方法可以减小定子绕组开路故障引起的转矩脉动,使五相PMSM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能。     

基于SVPWM的五相永磁同步电机 两相开路故障容错控制策略

针对五相永磁同步电机(PMSM)发生两相开路故障的情况,提出一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的容错控制策略。该控制策略通过对六个扇区的划分和六个非零电压矢量的重构来实现参考矢量的合成,同三相PMSM在正常工况下的SVPWM方法相似,计算简单,易于实现。利用该容错控制策略,可以在保证平均转矩的同时,大幅减小由定子绕组开路故障引起的转矩脉动,使五相PMSM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。仿真和实验结果表明采用该容错控制策略能够实现五相PMSM驱动系统在两相开路故障下的高品质运行。     

基于新型开关表的五相永磁同步电机容错直接转矩控制

针对五相永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)开路故障导致转矩脉动大的问题,提出一种基于新型开关表的容错直接转矩控制(direct torque control,DTC)策略。首先,修正定子磁链以保持开路故障前后定子磁链矢量在两相静止坐标系中具有相同的圆形轨迹。其次,根据故障情况下电压矢量特点,设计新型开关表,确保该开关表同时适用于正常和开路故障情况的DTC运行。该容错DTC策略不但抑制正常和故障情况下的三次电流谐波,避免故障后控制系统的重构,而且抑制开路故障导致的转矩脉动,实现PMSM在开路故障情况下的平稳运行。仿真和实验结果验证所提容错DTC策略的有效性。     

电动汽车用五相感应电机容错控制

多相感应电机具有高效、低转矩脉动,能容错运行以及更易于实现低压大功率等优势,特别适合应用于电动汽车。针对驱动系统常出现的缺相故障,基于故障前后定子磁动势保持不变的原则研究了容错控制策略,并探讨了3次谐波注入后,1、3次谐波之间的磁场耦合及其对电机转矩等性能的影响。为解决滞环控制产生的转矩脉动和效率下降等问题,电流环采用了比例谐振控制方式,利用其谐振点附近的高增益,实现了相坐标系下的无静差控制。构建了一套低直流母线电压供电的五相感应电机控制系统,通过一相和两相绕组断开故障等实验,研究对比了不同控制策略下电机的性能,及各控制策略中谐波耦合的影响。     

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。     

基于MSC的五相感应电机缺两相容错控制

为了使五相感应电机在发生多相缺相故障时仍能平稳运行,提出一种基于对称分量法(Method of Symmetrical Components,MSC)的脉动转矩最小的容错电流优化控制策略。利用MSC对五相感应电机缺两相容错运行时的电流,磁势进行对比,得到转矩脉动最小时的最优容错电流,并对计算结果进行仿真分析,得到缺两相容错运行的电流,磁势结果。仿真结果表明,基于MSC计算出的容错电流可实现对五相感应电机缺两相运行时的容错控制,仿真结果与计算结果相符。     

电动汽车用六相永磁同步容错电机设计

针对传统三相永磁同步电机在发生故障下无法正常运行,设计了适用于电动汽车多相永磁同步容错电机,并分析了容错控制策略。根据电机性能指标,进行尺寸、永磁体、绕组等设计;在Maxwell有限元软件中建立仿真模型并进行分析。采用H桥拓扑电路,当电机绕组或逆变器发生短路、断路故障后,通过检测电流变化后直接切断母线上的开关,使所有故障都转换为电机缺相故障。仿真结果表明,当电机发生缺相故障后,转矩脉动增大,输出转矩减少,采用容错控制策略后,输出转矩略有减少,转矩脉动明显降低,从而验证容错控制策略的可行性以及该电机设计的合理性。     

一相开路时双三相永磁同步电机简化容错控制策略

一相开路时多相电机容错控制策略主要采用基于磁势不变的铜损和转矩优化,降低了系统的动态性能;而基于动态解耦的矢量控制,则增加了系统的复杂度,降低了切换过程的可靠性。从故障前后系统数学模型一致性和软硬件切换简洁性出发,提出了一种中性点隔离的一相开路时双三相永磁同步电机容错控制系统;将剩余有效绕组的作用等效为三相永磁同步电机和单相永磁同步电机的合成;在旋转dq坐标系和静止坐标系融合系统中建立其动态数学模型。通过实验平台验证了该容错控制策略能够实现故障前后的软硬件兼容,改善切换过程可靠性,有效提升了系统的转矩输出能力。     

基于正常解耦变换的双三相永磁同步电机缺相容错控制策略

常用的多相电机缺相容错控制策略需要建立缺相后的降维数学模型,双三相电机缺相时具有两种不同中性点连接方式,每种情况对应不同的解耦变换阵,需要分别进行建模。根据双三相电机开路故障时,如果保持系统解耦变换阵不变,则电压方程、磁链方程和转矩方程不会受到影响的特点,构建了一种基于正常解耦变换阵的缺相容错控制策略,该策略适用于不同中性点连接方式,只需要改变谐波子空间参考电流即可。分别对定子铜耗最小和最大转矩输出两种优化电流工作方式进行分析,并分析了3次谐波磁动势对电磁转矩的影响。对一相开路和正交两相开路情况分别进行理论分析和实验验证,证明了所提控制策略的有效性和可行性。     

Torque-ripple minimization in modular permanent-magnet brushless machines

This paper discusses the suitability of four-phase, five-phase, and six-phase modular machines, for use in applications where servo characteristics and fault tolerance are key requirements. It is shown that an optimum slot number and pole number combination exists, for which excellent servo characteristics could be achieved, under healthy operating conditions, with minimum effects on the power density of the machine. To eliminate torque ripple due to residual cogging and various fault conditions, the paper describes a novel optimal torque control strategy for the modular permanent-magnet machines operating in both constant torque and constant power modes. The proposed control strategy enables ripple-free torque operation to be achieved, while minimizing the copper loss under voltage and current constraints. The utility of the proposed strategy is demonstrated by computer simulations on a four-phase fault-tolerant drive system.     

五相永磁同步电动机单相开路故障的容错控制策略

为使五相永磁同步电动机（five-phase permanent magnetic synchronous motor,FPMSM）在发生单相开路故障时仍能继续提供平滑转矩,提出一种基于解析法的容错电流优化控制策略。利用缺相状态下的扩展派克变换矩阵,分别推导了基波和3次谐波同步旋转坐标系下的转矩和铜损方程。针对磁场为正弦和含3次谐波两种情况,分别提出了仅施加基波电流和注入3次谐波电流消除转矩脉动的解析方法,并从最大转矩电流比和最大转矩的角度分别提出了铜损最小和铜损相等原则的容错电流优化方法。最后,得到了适用于各种磁场类型及优化目标的容错电流通用在线生成方法。仿真和实验结果表明所提容错算法可实现对电机转矩和转速的无扰控制。     

多相永磁同步电机磁场解析建模与容错性能分析

为了快速、准确计算多相永磁同步电机(PMSM)在一相或多相绕组故障发生时的容错运行能力,基于傅里叶级数分析方法,在二维极坐标系下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空载、负载磁场解析计算模型,并对气隙磁密、空载反电动势(EMF)以及电磁输出转矩等性能参数进行准确计算。设计制作一台44极48槽12相船舶用内转子SPMSM,并通过有限元分析和试验测试对磁场解析模型的准确性进行了验证。在此基础上,为了提高多相电机的容错能力,以最小等值相电流为优化目标,建立了多相电机驱动系统一相绕组开路故障容错控制策略,并以电磁输出转矩、转矩脉动等性能参数为考核指标,对12相SPMSM的容错性能进行了深入分析,进一步提高电机驱动系统的可靠性。     

定子错位型混合励磁轴向磁通切换电机容错控制策略研究

定子错位型混合励磁轴向磁通切换(twisted-stator hybrid axial field flux-switching,TS-HAFFS)电机,具有轴向尺寸短、转矩密度大、调节范围宽、容错能力强等优点,适用于电动汽车驱动系统。为提高电驱动在系统故障状态下的运行性能,基于一台三相6/10极TS-HAFFS电机,提出一种基于恒定磁动势法的励磁绕组容错控制策略,并分别对电枢绕组容错策略和励磁绕组容错策略下TS-HAFFS电机控制系统进行仿真研究与实验验证。仿真与实验结果表明,单相绕组开路故障时2种方法均可维持电机转速、转矩基本不变,保证系统带故障运行的稳定性。相比于电枢绕组容错策略,采用励磁绕组容错控制的TS-HAFFS电机容错控制系统具有更广泛的应用场景和更好的系统性能,适用于电动汽车调速控制。     

三电平逆变器驱动双定子绕组PMSM系统容错控制

为了提高三电平逆变器驱动双定子绕组永磁同步电机(PMSM)系统的运行能力,设计了一种针对缺相故障和开关管开路故障的新型容错控制策略。新方案基于矢量空间解耦(VSD)控制实现了2套定子绕组的整体转矩控制。新方案可以实现优化目标下的缺相故障容错控制,如最小电流幅值方差。此外,针对开关管开路故障提出了基于VSD的补偿方案,即通过调整开关调制策略,实现了系统对称运行。新型容错控制方案还能抑制电流谐波和直流母线中点电压偏差。最后,PMSM容错试验结果验证了新型控制方案的有效性。     

多相永磁同步电机缺相故障下的磁链动态特性分析

永磁同步电机(PMSM)电磁动态特性分析对电力传动系统运行与故障诊断策略研究具有重要作用。针对多相PMSM磁链的动态特性进行分析,推导了电感与转子位置关系,基于五相PMSM定子磁链的动态数学模型,采用MATLAB软件对五相PMSM在不同缺相故障下的磁链、电感特性进行建模和仿真,并对仿真结果进行了比较分析。研究结果可以为PMSM缺相故障诊断和容错控制提供一定的理论参考。     

考虑磁链变化率的永磁同步电机失磁故障复合容错控制

针对永磁同步电机(PMSM)失磁故障中磁链变化较快,近似认为磁链变化率为0会导致传统PMSM失磁容错控制方法性能受限的问题,本文提出一种基于智能比例积分微分的无模型超螺旋滑模复合容错控制(iPID-MFSTSMC)方法。首先,构建考虑永磁体磁链变化量的PMSM失磁故障数学模型,根据这一模型设计了磁链滑模观测器,实现了对于磁链及其变化率的观测。此外,针对快速变化的负载转矩设计了负载转矩导数滑模观测器。然后,基于磁链及其变化率、负载转矩导数的观测,设计了iPID无模型容错控制方法,该方法采用超螺旋滑模算法对观测误差及其他扰动进行抑制,改善了动态性能且降低了控制器参数的设计难度。利用Lyapunov稳定性定理证明了所设计容错控制方法的稳定性,并给出了参数的设计条件。最后,在磁链以及负载转矩快速变化工况下,通过仿真和实验分析表明,该方法可以有效减少系统抖振并降低超调量。