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。     

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。     

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。     

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。     

多相无轴承永磁薄片电机故障运行特性分析

为解决多相无轴承永磁薄片电机因某相发生故障无法正常工作的问题,提出了更具通用性的故障容错控制方法.该方法以相应的断路容错控制方法为基础.考虑到故障相对悬浮力与转矩的影响,重构了其它非故障相定子电流.满足了电机在故障状态下稳定运行所需的悬浮力与转矩,实现了该电机短路和断路故障状态的容错控制.同时,介绍了一种基于相电流反馈量的故障检测方法.最后以该电机同时发生断路、短路故障以及两相短路故障为例,通过仿真和实验验证了所提的容错控制策略的正确性.     

十五相感应电机不对称缺相容错运行控制

缺相容错运行是多相电机重要优势之一。针对舰船十五相新型感应推进电机不对称缺相故障,在容错电流有效值不超过额定值的前提下,以输出转矩最大为目标,计算了容错电流并提出相应的容错控制策略。所提缺相容错控制采用与电机正常运行时相同的数学模型及解耦变换矩阵,无需重新计算电机参数,可以尽量少的改动容错控制策略。通过对一台45k W十五相感应电机不同缺相故障进行容错控制试验,验证了容错电流计算及控制方法的有效性。     

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。     

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。     

新型五相BLDC电机的容错控制策略研究

本文针对一种具有144°平顶梯形波的五相容错永磁无刷直流(BLDC)电机提出了基于转矩等效的容错控制策略。在保证输出转矩相等的基础上,推导了故障条件下的BLDC电机容错式BLAC控制策略。仿真和试验结果表明,该容错控制策略可以保证五相DLDC电机在故障条件下保持正常运行时的转矩性能。     

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。     

BLDCM两相短路的四步换相容错运行方法

无刷直流电机运行过程中发生相短路,易引起二次故障,造成电机控制系统的功能丧失。针对无刷直流电机绕组两相短路故障情况,提出一种四步换相容错控制策略,确保电机故障后系统继续运行。通过在电机绕组设置电流检测元件,对三相电流进行检测,将连续两次检测值的差值作为特征量进行故障定位;根据定位结果,改变逆变桥功率管导通次序、导通时间,实现对电机两相短路情况下的容错控制,同时实现故障隔离。针对电机容错运行时转矩脉动较大的问题,采用H_PWM-L_ON调制方式并在换相时刻优化占空比,进行转矩脉动抑制。详细阐述电机两相短路容错控制策略的工作机理与换相过程,并对提出的四步换相容错控制策略进行仿真和实验,结果表明,电机容错运行时非故障相相电流峰值接近电机正常运行时的1.5倍,故障相相电流峰值接近电机正常运行时的1.25倍,转矩脉动增加20%,转速波动在5%以内。     

感应电机系统传感器故障平滑容错控制策略

针对感应电机驱动系统的传感器故障容错运行问题,设计了一种间接磁场定向控制、直接转矩控制和V/f控制相复合的平滑容错控制策略。通过适当改进间接磁场定向控制器和直接转矩控制器,可将其与V/f控制器集成于同步坐标系中,从而允许不同控制器的直流型电压指令来回切换,使得三者在转速、电流或电压传感器故障和故障恢复时相互替换。同时采用了架构简单的速率限制器实现了不同控制器的平滑切换过渡。利用1.2 kW感应电机驱动测试平台开展了实验研究,结果表明,新型容错控制策略通过不同控制器平滑切换实现了感应电机驱动系统各类传感器故障下的故障容错运行。     

一种永磁容错电机短路故障的补偿控制

作为新一代多电/全电飞机的核心部件,电力作动系统必须具备很强的安全可靠性和容错性,高可靠性控制系统是当前该领域亟待解决的难题。本文提出了一种电力作动器用永磁容错电机短路故障容错控制策略。利用转矩等效原理,通过调整非故障相电流的幅值和相位,使故障前后电机输出的电磁转矩相等,以实现短路故障容错控制。分析了电机的工作原理,建立了数学模型,推导了补偿控制策略,运用场路耦合瞬态联合仿真方法,验证了容错控制策略的有效性。     

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。     

考虑反电动势2次谐波的容错型磁通切换电机开路及短路故障控制策略

六相永磁容错磁通切换电机(FTFSPMM)继承了传统永磁磁通切换电机的转子结构简单坚固、功率密度高的优点,同时具备故障隔离和抑制短路电流的能力。研究了考虑反电动势2次谐波时一相开路和短路故障时的容错控制策略。开路故障时,考虑到反电动势2次谐波,调节正常相中其中两相的电流幅值和相位使输出转矩平均值不变,转矩脉动为零。一相短路时,根据测量得出的短路电流,考虑电机的电阻和自感计算出短路相的反电动势。将一相短路时的转矩脉动分解为由该相开路引起的转矩缺失和脉动、由该相短路电流作用电感引起的转矩脉动和作用电阻引起的转矩脉动,分别计算用于补偿电感及电阻引起的转矩脉动的电流合成后即为短路时的补偿电流。在原理样机上进行了容错实验,验证了所提容错控制策略的有效性。     

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。     

适用于多种缺相故障的十五相感应电机统一容错控制

多相电机的缺相容错运行是其安全性、可靠性的重要保证。针对舰船十五相新型推进感应电机可能出现的各种缺相故障,分别从转矩和磁势的角度分析缺相故障对电机性能的影响。从磁动势的角度找到了各种断路故障下输出转矩最大的容错控制方法,并从转矩的角度进行验证。每个五相绕组采用独立的容错控制,依据3个五相绕组在容错运行下带载能力的差异,对其进行能量分配。缺相容错控制采用的电机数学模型与电机正常运行时一致,控制过程中仅需针对不同类型的缺相故障修改对应的控制参数,实现了正常控制策略与缺相容错控制策略的统一。通过对一台45kW十五相感应电机进行容错运行动态加载、容错控制策略在线切换试验,验证了该容错控制方法的有效性。