考虑磁阻转矩影响的五相磁通切换永磁电机容错控制方法

摘要

本发明公开一种考虑磁阻转矩影响的五相磁通切换永磁电机容错控制方法，若a相发生断路故障，将b相绕组电流在相位上比正常运行时滞后126度电角度、幅值比正常运行时增大1.179倍；将c相绕组电流在相位上比正常运行时滞后162度电角度、幅值比正常运行时增大1.902倍；将d相绕组电流在相位上比正常运行时提前162度电角度、幅值比正常运行时增大1.902倍；将e相绕组电流在相位上比正常运行时提前126度电角度、幅值比正常运行时增大1.179倍；若其余任一相发生断路故障，调整方法与a相相同；对剩余非故障相的电流在相位和幅值方面进行调整，可补偿a相产生的旋转磁场分量，减小磁阻转矩对转矩脉动的影响。

说明书

技术领域

本发明是一种用于五相20/22极磁通切换永磁电机并考虑磁阻转矩影响的容错控制方法,适用于航空航天、矿井等对连续运行有高要求的电机驱动系统应用场合。

背景技术

电机驱动系统在军事、工农业生产中的应用越来越广泛，特别是在有些对系统可靠性有高要求的领域，如航空航天、军事装备等，对电机驱动系统的可靠性运行能力有很高的要求，当前的关键技术是研究其故障状态下的容错控制方法。

磁通切换永磁电机是一种新型定子永磁式无刷电机，定子、转子呈双凸极结构，永磁体置于定子上，具有结构简单、易于散热等优点，满足高可靠性领域的应用要求。如图1所示的五相20/22极磁通切换永磁电机结构，永磁体1.2置于定子1.1上，转子1.3上无电枢绕组1.4、无永磁体1.2，定子1.1采用集中式绕组，空间相对齿上的线圈两两相连，两组线圈串联或并联形成三相电枢绕组。因此，该类电机具有结构较为简单、功率密度较高等优点。目前该类电机的容错控制方法主要是以保证电机永磁转矩不变和电机铜耗最小为目标，并未考虑磁阻转矩的影响，这在电机匝数较少、电感较小的情况下是可以接受的。电磁转矩主要由永磁转矩和磁阻转矩组成，当电机正常运行情况下，磁阻转矩可以忽略不计；当发生故障时，对于电感较小的电机，磁阻转矩也可以忽略不计；但是，当电机的匝数变多，其本身的电感也较大的时候，一旦电机又发生缺相故障，磁阻转矩对输出转矩的影响将大大增加，不可忽略。此时，传统容错控制方法的控制效果将无法满足应用要求。

发明内容

本发明的目的是针对五相磁通切换电机匝数较多、电感较大的电磁特性，在故障条件下的磁阻转矩对输出转矩会产生影响而提出一种考虑磁阻转矩影响的五相磁通切换永磁电机容错控制方法，降低转矩脉动，减少磁阻转矩在故障条件下对五相磁通切换永磁电机的影响，从而提高系统带故障运行的能力。

本发明采用的技术方案是：电机正常运行状态下采用正弦波控制，若a相发生断路故障，按以下方法调整剩余非故障相电流的相位与幅值，以补偿a相产生的旋转磁场分量：

将b相绕组电流在相位上比正常运行时滞后126度电角度、在幅值上比正常运行时增大1.179倍；

将c相绕组电流在相位上比正常运行时滞后162度电角度、在幅值上比正常运行时增大1.902倍；

将d相绕组电流在相位上比正常运行时提前162度电角度、在幅值上比正常运行时增大1.902倍；

将e相绕组电流在相位上比正常运行时提前126度电角度、在幅值上比正常运行时增大1.179倍；

若b相、c相、d相或e相的任一相发生断路故障，调整剩余非故障相电流的相位与幅值的方法与a相相同。

本发明的有益效果是:

1、本发明将新型容错控制技术引入到大电感五相20/22极磁通切换永磁电机中,搭建高可靠性定子永磁电机驱动系统，克服了传统容错控制方法只考虑永磁转矩而忽略磁阻转矩的缺点。本发明引入的磁通切换永磁电机具有功率密度高、电机可靠性高等优点。

    2、当电机发生缺相故障时，对剩余非故障相的电流在相位和幅值方面进行调整，可由剩余的非故障相提供电流驱动，极大地减小了磁阻转矩对转矩脉动的影响，使得缺相故障发生后能保持磁通切换永磁电机的电磁输出转矩与正常运行状态相近似，使得电机的输出转矩基本不变，且转矩脉动很小，达到保持转矩输出近似等效于正常运行状态的目的，从而提高电机的带故障运行能力。

附图说明

图1为五相20/22极磁通切换永磁电机结构的截面示意图；

图2为磁通切换永磁电机容错方法流程图；

图3为磁通切换永磁电机空载反电动势仿真波形图；

图4为电机正常运行时的五相电流仿真波形图；

图5为电机正常运行时的转矩输出仿真波形图；

图6为电机缺相故障时采用传统容错控制的电流仿真波形图；

图7为电机缺相故障时采用传统容错控制的转矩输出波形图；

图8为电机缺相故障时采用新型容错控制的电流仿真波形图；

图9为电机缺相故障时采用新型容错控制的转矩输出波形图。

具体实施方式

如图2，当磁通切换永磁电机在正常工作状态时, 由于磁通切换永磁电机具有正弦波反电动势，因此采用正弦波控制；当发生缺相故障时,控制器调整剩余非故障相电流的相位和幅值, 消除磁阻转矩对转矩脉动的影响，使系统带故障运行。

当a相发生断路故障时，则电机的输出转矩减小，转矩脉动增大，此时，调整剩余非故障相电流的相位与幅值，补偿a相产生的旋转磁场分量，保持电机内的磁场平衡，使得电机在故障状态下仍可以提高运行特性，保证电机驱动系统的高可靠性。其中，调整剩余非故障相电流的相位与幅值的具体方法是：将b相绕组电流在相位上比系统正常运行时滞后126度电角度、在幅值上比系统正常运行时增大1.179倍；将相c绕组电流在相位上比系统正常运行时滞后162度电角度、在幅值上比系统正常运行时增大1.902倍；将d相绕组电流在相位上比系统正常运行时提前162度电角度、在幅值上比系统正常运行时增大1.902倍；将e相绕组电流在相位上比系统正常运行时提前126度电角度、在幅值上比系统正常运行时增大1.179倍。调整剩余非故障相电流的相位与幅值并没有顺序要求，只要调整到位就可。 

这里仅以a绕组发生断路故障为例，若b相、c相、d相或e相中的任一相发生断路故障，调整剩余非故障相电流的相位与幅值的方法与a相发生断路故障时的调整方法相仿。

以一台大电感五相20/22极磁通切换永磁电机为例，如附图1所示。先建立a、b、c、d、e五相磁通切换永磁电机的反电势e方程为：

                                                     （1）

图3为磁通切换永磁电机空载反电动势仿真波形图。

再建立电机的五相电流方程为：

                                                     （2）

其中，E是五相磁通切换永磁电机反电势基波分量的幅值；ω是电机的电角速度；I为电机采用的正弦波电流峰值；t是电机运行的时间。

由式（2）可知，此时五相磁通切换永磁电机内的旋转磁动势MMF可以表示为五相磁动势之和：

 （3）

其中N为每相的匝数，α＝1∠75o。

，                                             （4）

若a相在某时刻发生故障而无法工作，则此时：

，                                        （5）

由式（4）、（5）得：

，                     （6）

若令，                                                                       （7）

则由式（6）、（7）可得传统容错控制策略下的五相电流控制方程为：

，                                           （8）

图6为电机缺相故障时采用传统容错控制的电流仿真波形图。

如图7所示为五相磁通切换永磁电机缺相故障时采用传统容错控制的转矩输出波形。对比于图5正常运行状态的转矩输出波形可以发现，尽管传统容错控制策略对永磁转矩进行了补偿，但由于磁阻转矩的作用，电机的转矩脉动显著增加。

设，                                                     （9）

若令                                                  （10）

则由式（6）、（9）、（10）可得新型容错控制策略下的五相电流控制方程为：

                                      （11）

图8为电机缺相故障时采用新型容错控制的电流仿真波形图。

如图9所示为电机缺相故障时采用新型容错控制的转矩输出波形图。对比于图4、图5、图7可以发现，此时电机的输出转矩比较接近于正常运行状态，并且电机的转矩脉动保持在较小的范围内，也就是说实现了比较好的容错控制。