一種五相容錯(cuò)永磁電機(jī)的全矢量控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種五相容錯(cuò)永磁電機(jī)的全矢量控制方法研究，屬于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng) 域的研究，可用于電動(dòng)汽車、船舶推進(jìn)等高可靠性領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，五相電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究在電動(dòng)汽車領(lǐng)域中得到快速發(fā)展，由于故 障的不可避免性，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)研究也逐漸發(fā)展起來。在所有的故障中，開路 故障一直是大多數(shù)，因此對(duì)五相電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開路故障研究很有必要。
[0003] 目前，已有文獻(xiàn)對(duì)多相電機(jī)的開路故障容錯(cuò)控制進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn) "Fault-tolerant five-phase permanent magnet motor drives'，（公開于 2004 年， Conference Record-IAS Annual Meeting，2 卷，1048-1054 頁）將電流滯環(huán)控制策略應(yīng) 用在五相電機(jī)缺相運(yùn)行狀況中，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)"多相永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研 究"（公開于2005年，中國科學(xué)院研究生院）提出了一種多相電機(jī)的基于有效作用時(shí)間的 載波型PffM控制方法，但僅有理論分析缺乏有效的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。然而大多數(shù)文獻(xiàn)在電機(jī)正 常運(yùn)行時(shí)，為提高電機(jī)效率，采用的是五相SVPffM方法，在故障后采用電流滯環(huán)控制方法， 會(huì)帶來軟硬件的相應(yīng)改變和滯環(huán)環(huán)寬的選擇問題。文獻(xiàn)"Fault-tolerant control for six-phase PMSM drive system via intelligent complementary sliding-mode control using TSKFNN-AMF'，（公開于 2013 年，IEEE Transactions on Industrial Electronics, 60卷，12期，5747-5762頁）對(duì)一臺(tái)六相電機(jī)進(jìn)行，故障前后都采用SVPffM方法，但該六相電 機(jī)被分為兩個(gè)三相電機(jī)進(jìn)行控制，所以在本質(zhì)上仍是使用的三相SVPffM方法，而不是真正 的容錯(cuò)SVPffM方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：針對(duì)上述問題，提出一種五相容錯(cuò)永磁電機(jī)的全矢量控制方法，使得故 障前后都采用SVPffM方法，避免五相SVPffM切換到電流滯環(huán)控制方法帶來的程序及硬件變 化和滯環(huán)環(huán)寬選擇等問題。在保持系統(tǒng)跟蹤性能的同時(shí)有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
[0005] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種五相容錯(cuò)永磁電機(jī)的全矢量控制方法，包括：
[0007] 電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)采用相鄰最近四矢量SVPffM方法，該方法是由三相SVPffM拓展得 到，與其他五相SVPffM方法相比，該方法具有諧波分量小的優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)發(fā)生一相開路后，基 于電流滯環(huán)控制的坐標(biāo)系，對(duì)故障后的四相坐標(biāo)系進(jìn)行重構(gòu)；對(duì)重構(gòu)后的坐標(biāo)系，基于傳統(tǒng) SVPffM方法對(duì)空間矢量進(jìn)行重新選擇和扇區(qū)重構(gòu)，從而對(duì)目標(biāo)矢量進(jìn)行合成。
[0008] 所述容錯(cuò)SVPffM方法的實(shí)現(xiàn)具體步驟包括（假設(shè)A相開路）：
[0009] (1)將剩余四相坐標(biāo)系的B相和E相分別旋轉(zhuǎn)至π /5和-π /5處，其余兩相位置 保持不變；
[0010] (2)在新的坐標(biāo)系上對(duì)空間電壓矢量進(jìn)行重新計(jì)算，得到其大小和方向；
[0011] (3)以降低器件損耗為目標(biāo)，在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)選擇合適的開關(guān)順序進(jìn)行目標(biāo)矢量的 合成；
[0012] (4)應(yīng)用三角形正弦定理計(jì)算得到每個(gè)矢量的作用時(shí)間；
[0013] (5)根據(jù)矢量作用時(shí)間得到占空比，通過程序編寫得到容錯(cuò)SVPffM方法。
[0014] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)合了五相SVPffM方法和電流滯環(huán)方法，在電 機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，采用相鄰最近四矢量SVPffM方法，當(dāng)電機(jī)發(fā)生一相開路故障后通過重構(gòu)故 障后的系統(tǒng)坐標(biāo)系，重新選擇和計(jì)算故障后的空間電壓矢量，避免了相鄰最近四矢量SVPffM 方法切換到電流滯環(huán)控制方法帶來的軟硬件變化、滯環(huán)環(huán)寬選擇和開關(guān)器件損耗等問題。 同時(shí)故障后矢量的大小和方向計(jì)算及矢量選擇順序的優(yōu)化可以保證兩個(gè)扇區(qū)內(nèi)的開關(guān)順 序能夠銜接起來，不會(huì)出現(xiàn)從V。跳變到V 15的情況。
【附圖說明】
[0015] 以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0016] 圖1是本發(fā)明方法中五相容錯(cuò)永磁電機(jī)的截面示意圖。
[0017] 圖2為基波和三次諧波空間坐標(biāo)系示意圖；（a) Sd1-Cil坐標(biāo)系；(b)d3_q3坐標(biāo)系。
[0018] 圖3是本發(fā)明方法中五相容錯(cuò)永磁電機(jī)全矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0019] 圖4故障后逆變器等效電路圖。
[0020] 圖5故障后空間矢量分布圖。
[0021] 圖6容錯(cuò)SVPffM方法在所有扇區(qū)中空間矢量的選擇示意圖。
[0022] 圖7故障后矢量作用時(shí)間示意圖；(a) C^-P1空間電壓矢量合成；(b) α 3_03空間 電壓矢量合成。
[0023] 圖8相鄰最近四矢量SVPffM矢量合成圖（第一扇區(qū)）。
[0024] 圖9相鄰最近四矢量作用順序及時(shí)間示意圖。
[0025] 圖10是故障前后的系統(tǒng)坐標(biāo)系示意圖。
[0026] 圖11是故障后的矢量及扇區(qū)分布圖。
[0027] 圖12是故障后的扇區(qū)選擇方式。
[0028] 圖13是故障后第一扇區(qū)的矢量作用順序示意圖。
[0029] 圖14是故障后第二扇區(qū)的矢量作用順序示意圖。
[0030] 圖15是故障后采用正常SVPffM方法的控制效果圖。
[0031] 圖16是故障后采用容錯(cuò)SVPffM方法的控制效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述。
[0033] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0034] 本發(fā)明不僅適用于容錯(cuò)電機(jī)，也適用于繞組呈星型分布的普通五相電機(jī)。
[0035] 本方法實(shí)驗(yàn)使用了具有集中繞組和容錯(cuò)齒的五相容錯(cuò)永磁電機(jī)，該電機(jī)的輪轂式 結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；集中式分布的繞組使得電機(jī)的自感增加，互感減少；永磁體內(nèi)嵌 式的結(jié)構(gòu)增大了電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；而長方形永磁體和偏心電樞齒的結(jié)構(gòu)，使氣隙徑向磁密 趨于正弦化。
[0036] 圖1為具有集中繞組和容錯(cuò)齒的五相容錯(cuò)永磁電機(jī)的截面圖，包括定子和轉(zhuǎn)子， 所述定子包括電樞齒、容錯(cuò)齒以及繞組，所述轉(zhuǎn)子包括鑲嵌在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的呈倒"V"形的永磁 體，以及轉(zhuǎn)子外周齒端形成的燕尾槽。
[0037] -、電機(jī)數(shù)學(xué)模型：
[0038] 自然坐標(biāo)系下的五相FTPM電機(jī)可以用電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程來表示，如 式（2. 1)至（2. 3)所示。
[0039]
[0040]
[0041] (2*3)
[0042] 其中p為微分算子；Us、&和I 3分別為定子電壓、定子電阻和定子電流；Ls為定子 電感矩陣；Φ JP Φ f分別是定子繞組磁鏈和永磁體磁鏈；θ jp θ分別是轉(zhuǎn)子位置機(jī)械角 度和轉(zhuǎn)子位置電角度；P為電機(jī)極對(duì)數(shù)。
[0044] 式中rs為每相繞組的阻值；Φ fni為轉(zhuǎn)子交軸與定子繞組軸線重合產(chǎn)生的永磁磁 鏈；α為相鄰兩相繞組之間的電角度，大小為2 π/5 ;Lls表示定子漏感；L( Θ )表示定子勵(lì) 磁電感。
[0045] 二、坐標(biāo)變換矩陣：
[0046] 由于五相FTPM電機(jī)中通入五相獨(dú)立的電流，于是認(rèn)為其是一個(gè)五維的系統(tǒng)。為了 降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，將自然坐標(biāo)系下高階次、非線性、多變量的五相電機(jī)系統(tǒng)，通過坐標(biāo)變 換，分解成3個(gè)相互正交的子空間4-?子空間、d 3-q3子空間和零序空間，如圖2所示。
[0047] 圖中靜止坐標(biāo)系的橫軸與自然坐標(biāo)系下的A相軸線重合，Ct1UP α 3_β3為兩 個(gè)靜止坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為dfqJP d3_q3。其中(!^q1的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為ω，(13-9 3的旋 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為3ω，Θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的電角度。
[0048] 其中，從五相自然坐標(biāo)系A(chǔ)B⑶E變換到靜止坐標(biāo)系α「β「α 3- β 3-〇的Clark矩 陣為：
[0049]
[0050] 式中k為約束系數(shù)，本文選擇k = 2/5,為幅值不變?cè)瓌t。
[0051] 式（2. 4)中一、二對(duì)應(yīng)Clfq1子空間，由基波和10k±l(k = 1，2, 3···)次諧波投影 到該空間得到；三、四行對(duì)應(yīng)d3_q3子空間，與(Ifq 1子空間正交，由5k±2(k = 1，3,5…）次 諧波映射到該空間得到；最后一行對(duì)應(yīng)零序空間，電機(jī)變量中的5k(k = 1，3,5…）次諧波 投影到此空間。其中Cl1-Cil子空間中的變量參與能量轉(zhuǎn)換，在電機(jī)中形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而 d；5-q；5子空間中的變量不參與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。
[0052] 由于三次諧波不能參與能量轉(zhuǎn)換，所以只需要對(duì)Cl1-Cil子空間的變量做旋轉(zhuǎn)變換 即可。靜止坐標(biāo)系α廠β廠α 3- β 3-〇到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系di-qi-c^-q^O的廣義Park變換矩陣為：
[0053]
(:2..5:)
[0054] 根據(jù)式（2. 4)和式（2. 5)可以得到繞組正弦分布