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。     

五相磁通切换永磁电机滑模控制

针对传统五相磁通切换永磁电机控制方法的不足,提出一种新颖的小波滑模控制算法,在分析五相磁通切换永磁的工作原理和数学模型基础上,以五相电机转子速度和负载转矩为观测对象,以速度误差为基本变量,设计具有积分和小波运算功能的滑模面,利用小波多尺度因子和指数趋近律调节滑模切换过程,减少滑模抖振,给出了q轴电流的控制律,同时为抑制五相磁通切换永磁电机定位力矩的不利影响,设计注入补偿电流方法,减少了转速和转矩脉振。仿真和实验结果表明所提出的滑模控制方法可以提高五相电机系统的稳定性和动态性能,提高对负载转矩变化的鲁棒性。     

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。     

五相容错式磁通切换永磁电机的气隙磁场调制运行机理分析

从气隙磁场调制的角度分析五相容错式磁通切换永磁(fault-tolerant flux-switching permanent-magnet,FT-FSPM)电机的运行机理。对10/18极、10/19极FT-FSPM电机永磁体和电枢电流单独作用下的气隙磁密进行解析计算,并运用有限元对其进行验证。磁场分别由永磁体和电枢绕组产生,当两者产生的气隙磁密的谐波次数以及旋转速度相等时,这些谐波才能称为有效工作波。在此基础上,用气隙磁场调制理论分析各次有效工作波产生的转矩占总平均转矩的比例。研究表明,五相FT-FSPM电机由一些工作波产生电磁转矩,这些工作波产生的转矩占总平均转矩的比例大于97%。实验验证解析计算和有限元仿真的合理性。     

基于模型预测转矩控制的五相磁通切换永磁电机开路故障容错策略

为了提高单相开路故障下五相磁通切换永磁电机的控制性能,将模型预测转矩控制技术应用于其容错控制中。为了实现对基波和谐波空间状态的综合控制,该研究选择转矩、磁链幅值和谐波空间电流作为控制目标。针对容错算法中模型预测控制计算量大的问题,根据直接转矩控制中设置开关状态表的思想,提出一种基于电压矢量预筛选的模型预测转矩控制策略。该方法通过确定定子磁链所处的扇区位置,并结合转矩和磁链幅值的变换,通过查表法选定对应的电压矢量集作为预测模型的备选矢量,能够在满足控制性能的基础上有效地降低遍历次数,实现简化计算。最后,通过仿真和实验,验证所提模型预测转矩控制策略的有效性。     

基于载波的五相永磁容错电机SVPWM算法

为避免五相永磁容错电机空间矢量脉宽调制(SVPWM)推导及实现的复杂性,分析基于载波的脉宽调制(CPWM)和SVPWM算法的原理,研究SVPWM算法中两种不同零电压矢量作用时间的分配机制,提出一种零序电压谐波注入策略,实现等效于SVPWM的CPWM算法。该零序电压谐波由每个PWM周期内电机最大和最小相电压构成。理论分析表明该算法与传统SVPWM等效且实现简单。仿真和实验结果表明该算法达到了SVPWM的控制效果。     

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。     

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。     

基于虚拟电压矢量的双三相直线磁通切换永磁电机容错SVPWM策略

高可靠性是电梯驱动系统的首要指标。针对双三相直线磁通切换永磁(dual-three-phase linear flux switching permanent magnet,DTP-LFSPM)电机单相开路故障,提出一种基于虚拟电压矢量的容错空间矢量脉宽调制策略。首先,基于单相开路故障下的五维变换矩阵计算得到故障后的32个空间电压矢量分布。然后,筛选部分空间电压矢量,以z子空间电压幅值为零且每个扇区产生对称的脉宽调制波形为目标,重构得到12个虚拟电压矢量,相邻的2个虚拟电压矢量都由3个基本电压矢量组成,并用于合成参考电压矢量,不仅可以减少单相开路故障容错控制时的电流谐波,而且具有计算简单,易于硬件实现等优点。最后,搭建DTP-LFSPM电机驱动控制系统仿真与实验平台,仿真和实验测试结果证明所提容错策略的正确性和有效性。     

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。     

五相圆筒永磁电机统一容错矢量控制

为使五相圆筒永磁电机(tubularpermanentmagnet motor,TPMM)在发生相开路故障和相短路故障时,仍然具有优良的动态性能,同时提供平滑的推力,该文提出一种统一容错矢量控制策略。根据非故障相容错电流推导降阶正交变换矩阵;利用相短路电流和反电势的关系设计电压补偿器,建立TPMM相开路和相短路故障状态下的统一数学模型。在此基础上,为提高TPMM在相开路和相短路故障下的稳态和动态性能,同时为简化控制策略,将降阶正交变换矩阵代替传统矢量控制策略中的克拉克变换矩阵,并且对两相静止坐标系上的电压进行补偿。实验结果验证了所提控制策略的可行性。     

单绕组无轴承磁通切换电机缺两相容错控制

针对六相无轴承磁通切换电机(BFSPMM),提出了一种在缺两相的情况下实现转矩和悬浮控制的方法。由于六相电机在不引出中性点的情况下只有5个可独立控制的自由度,在缺两相的情况下,没有足够的自由度可同时控制转矩平面和悬浮平面,所以提出一种引出电机中性点的电路拓扑。基于该控制拓扑,推导出缺相运行控制策略。用中性点的自由度平衡缺相后的转矩电流和悬浮电流,实现电机的转矩和悬浮的稳定控制。仿真验证了该理论的可行性。     

基于非对称SVPWM的电动汽车五相永磁无刷电机容错控制

针对电动汽车用五相永磁无刷电机单相开路故障,提出了一种基于非对称空间矢量脉宽调制策略的故障容错控制方案。新型故障容错控制的设计分为两个部分,对五相永磁无刷电机驱动系统开路故障下的电压矢量关系进行了分析,然后对空间矢量调制算法进行改进,即在一个扇区中选择构成不对称波形的开关状态作为输出。该非对称空间矢量调制可以降低非故障相的电流谐波和降低转矩脉动。基于试验平台开展了试验研究,试验结果验证了新型容错控制可实现系统故障期间的低转矩脉动,且保持较好的动态性能。     

九相磁通切换永磁电机主动缺相运行控制策略

为提高电驱系统轻载工作时的运行效率,提出一种九相磁通切换永磁(FSPM)电机主动缺相方案,即按照不同功率要求,运行不同绕组系统,进而获得不同绕组组合状态下的最大效率。首先建立九相FSPM电机及变流器的损耗模型,并从系统运行功耗角度分析,讨论最佳的绕组通电模式。在此基础上,精确计算主动缺相运行时谐波子空间的电流分量,进而设计主动缺相控制策略。最后,按照绕组最优投切顺序给出直接切换和容错切换两种投切方式。仿真和实验结果验证了主动缺相控制策略的有效性。     

五相永磁直线电机开路容错直接推力控制

五相永磁直线电机(permanent-magnetlinearmotor,PMLM)具有推力密度大、可靠性高等优点。为了抑制PMLM一相开路故障导致的推力脉动,并提高其开路故障状态下的稳态和动态性能,该文提出一种新型容错直接推力控制(fault-tolerant direct thrust force control,FT-DTFC)策略。在两相静止坐标系中提出虚拟定子磁链,实现故障前后相同的定子磁链与电流轨迹圆。在此基础上,推导补偿电压,结合基于容错电流推导出的降阶正交变换矩阵,解决相开路故障导致电机模型不对称的问题,以建立故障PMLM的对称模型。构建磁链和推力观测器,采用载波脉宽调制技术实现开路故障状态下的直接推力控制。实验结果验证了所提控制策略的有效性。     

单绕组五相永磁无轴承电机的SVPWM控制

针对单绕组五相永磁型无轴承电机,利用多相电机多控制自由度,在转矩平面(d1-q1)和悬浮平面(d2-q2)内选取了合适的电压矢量,根据在两个平面内实时的反馈,按照给出的SVPWM算法和电压矢量的选择方式,可以唯一确定五相逆变器各个功率元件在该周期内的导通时间.区别于传统多相电机利用谐波平面空间电压矢量来实现改善磁场,提...     

轴向磁场磁通切换型永磁电机矢量控制

轴向磁场磁通切换型永磁(AFFSPM)电机是一种新型结构的定子永磁型双凸极电机.分析了AFFSPM电机结构和工作原理,确定了矢量控制系统方案,给出了采用无刷直流控制方式起动时寻找转子零点位置的方法.针对AFFSPM电机定位力矩对系统性能的影响,建立了AFFSPM电机控制系统仿真模型.以一台三相12/10极AFFSPM电机为样机,进行了AFFSPM电机矢量控制的无刷直流方式起动,空载和负载调速试验.试验结果表明,AFFSPM电机矢量控制系统具有良好的起动、调速性能及较好的抗负载扰动能力.     

轴向磁场磁通切换永磁电机单位功率因数控制

轴向磁场磁通切换永磁(AFFSPM)电机是一种定子永磁型双凸极电机,它结合了磁通切换电机与永磁电机的优点,且轴向长度短,转子结构简单,功率密度高,非常适合用于电动汽车与风力发电系统。本文推导了AFFSPM电机的数学模型,建立了AFFSPM电机驱动系统。针对AFFSPM电机id=0控制和最大转矩电流比(MTPA)控制策略存在功率因数降低的问题,本文以提高功率因数为目标,采用一种单位功率因数控制策略对AFFSPM电机进行了研究。仿真与实验结果表明,单位功率因数控制策略基本能够将AFFSPM电机功率因数调节到所需范围。     

五相圆筒永磁直线电机两相故障容错矢量控制

为确保五相圆筒永磁直线电机(tubular permanent magnet linear motor,TPMLM)在任意两相开路或短路故障情况下仍然具有平滑的推力和优良的动态性能,该文提出一种容错矢量控制策略。根据优化所得的非故障相容错电流推导降阶正交变换矩阵,实现故障状态下的矢量空间解耦;采用相短路电流与其反电势的关系求取抑制短路电流影响的电压。在同步旋转坐标系上,建立TPMLM任意两相故障情况下的数学解耦模型。最后,为简化控制器设计,在传统矢量控制基础上构建容错矢量控制器。实验结果表明,该策略能提高TPMLM在任意两相故障情况下的稳态和动态性能。     

磁通切换永磁电机的空间矢量脉宽调制控制

针对磁通切换永磁电机采用电流滞环控制方法精确度不高的问题,提出采用空间矢量脉宽调制算法对磁通切换永磁电机进行控制的方法.以一台12/10极磁通切换型永磁电机作为控制对象,建立此控制方法下的电机仿真模型,并采用dSPACE平台进行实验研究.通过改变电机负载来测试此控制方法的动态调速性能及转矩响应速度.静态和动态仿真以及实验结果表明,采用空间矢量脉宽调制算法控制后,电机转速及转矩平稳,电流波形正弦度高,而在负载发生突变时转速经过一个小波动后能迅速恢复为给定值,电流也能迅速地响应变化,并保持较高的正弦度.