一種簡化的五相永磁電機的短路容錯控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種簡化的五相永磁電機的短路容錯控制方法，包括如下步驟：建立五相容錯永磁電機模型；用非故障相電流來補償短路故障相電流造成的轉矩脈動，使之與短路相產(chǎn)生的合成轉矩為一個恒定的值；用非故障相補償電流對短路故障造成的正常轉矩缺失進行補償，直接采用開路故障的補償策略；將上述的補償電流矢量合成，得到短路故障容錯電流；進行仿真分析。本發(fā)明根據(jù)電機空載反電勢的具體情況，對電機進行一相及兩相短路容錯控制，使故障與正常運行狀態(tài)下輸出轉矩等效，減小轉矩脈動，實現(xiàn)五相容錯永磁電機帶短路故障運行。
【專利說明】
一種簡化的五相永磁電機的短路容錯控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種電機短路故障容錯控制方法，特別是五相容錯永磁電機的控制方 法。適用于航空航天、電動汽車等對電機的可靠性以及連續(xù)性有較高要求的場合。
【背景技術】
[0002] 隨著電機驅動系統(tǒng)在軍事、工業(yè)等各個領域應用的不斷拓展，對于電動汽車、飛行 器等一些要求高可靠性的場合，穩(wěn)定可靠的電機驅動系統(tǒng)就變得尤其的重要。通過容錯控 制來提高系統(tǒng)的可靠性，減少甚至避免由于故障而造成損失成為了保證系統(tǒng)可靠性的關 鍵。因此，容錯永磁電機和簡單有效的可靠性容錯控制方法受到了廣泛的關注。
[0003] 國內外學者對具有容錯性能的電機結構已經(jīng)取得了一些的成果。如圖1所示的20/ 6 2極的五相容錯永磁電機是一種轉子永磁型電機。相比于傳統(tǒng)的容錯永磁電機，通過在其 定子的齒部開槽來引入調制極，五相單層分數(shù)槽集中繞組及容錯齒結構提高了電機的容錯 性能。
[0004] 目前，容錯永磁電機的容錯控制方法的研究多集中于開路故障，而對短路故障的 容錯控制算法較少并且計算過程復雜，所以本發(fā)明提出了一種新的簡單的短路故障的容錯 控制方法，在極大地減小算法復雜度的同時還保證了系統(tǒng)的可靠性和容錯性。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了簡化現(xiàn)有五相容錯永磁電機在短路故障運行時的控制算法。 便于實現(xiàn)在線實時運算。
[0006] 本發(fā)明采用的技術方案是：當電機發(fā)生短路故障時，采用對非故障相電流的控制， 使電機帶故障運行。
[0007] -種五相容錯永磁電機的短路容錯控制方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1，建立五相容錯永磁電機模型；
[0009] 步驟2,根據(jù)短路電流的幅值和相位，直接給定正常相的電流，使正常相和短路相 的電流呈五相對稱分布，相位按照相序依次相差
，幅值相等，這樣便能產(chǎn)生一個恒定的 轉矩，從而消除了由于短路故障所帶來的轉矩脈動；
[0010] 步驟2.1，若一相短路時，設a相發(fā)生短路故障，則該相的短路電流可表示為：ial = IfC〇S( c〇t-0);若不相鄰兩相短路，設b、e兩相發(fā)生短路故障，則這兩相的短路電流幅值相 等，相位相差
，可分別表示為
：若相鄰 兩相短路，設c、d兩相發(fā)生短路故障，則這兩相的短路電流幅值相等，相位相差
，可分別 表不為
其中，If是短路電流的幅值，w是 電機的電角速度，9是短路相的反電勢和短路電流的夾角；
[0011] 步驟2.2,由步驟2.1獲得短路電流的幅值以及反電勢和短路電流的夾角，不論是 一相短路還是兩相短路，直接給定正常相的補償電流，使正常相和短路相的電流呈五相對 稱分布，相位按照相序依次相差
[0012] 步驟3,由于步驟2中已經(jīng)消除了短路故障所帶來的轉矩脈動，所以該步驟可 以將短路相視為開路，對正常相再使用傳統(tǒng)的開路容錯策略，通過改變開路容錯電流的 幅值來產(chǎn)生一個恒定的轉矩，使之與步驟2中的轉矩之和等于正常轉矩;若a相發(fā)生短路故 障，則其他正常相的補償電流為

:;若b、e兩相發(fā)生短路故障，則其他正常 相的補償電流為：
若c、d兩相發(fā)生短路故障，則其他正常相的補償電流為：ia2 = 3.618V cos( ? t)、
其中，V是電流的幅值，w是電機電角 速度；
[0013] 步驟4,將所述步驟2-3的電流進行矢量合成，得到最終容錯電流；
[0014]若a相發(fā)生短路故障：
[0020]若b、e兩相發(fā)生短路故障：
[0026]若c、d兩相發(fā)生短路故障：
[0028] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0029] 1)本發(fā)明一方面極大地減小了短路容錯電流的計算量，而且在現(xiàn)有的基礎上延伸 到了兩相短路故障的情況，且相對于一相短路故障情況并沒有增加計算量，使得其方法更 適用于實際的狀況，這樣就有利于在故障情況下進行實時在線控制。
[0030] 2)本發(fā)明同樣適用于其他五相以及多相電機驅動控制。
【附圖說明】
[0031] 圖1為五相20/62極容錯永磁電機截面圖；
[0032] 圖2為五相容錯永磁電機短路容錯控制方法流程圖；
[0033] 圖3為圖1所示電機的反電勢波形圖；
[0034]圖4為圖1所示電機的正常運行狀態(tài)電流波形圖；
[0035]圖5為圖1所示電機的正常運行狀態(tài)轉矩波形圖；
[0036] 圖6為圖1所示電機的一相短路故障運行狀態(tài)電流波形圖；
[0037] 圖7為圖1所示電機的一相短路故障運行狀態(tài)轉矩波形圖；
[0038] 圖8為圖1所示電機的不相鄰兩相相短路故障運行狀態(tài)電流波形圖；
[0039] 圖9為圖1所示電機的不相鄰兩相相短路故障運行狀態(tài)轉矩波形圖；
[0040] 圖10為圖1所示電機的相鄰兩相相短路故障運行狀態(tài)電流波形圖；
[0041] 圖11為圖1所示電機的相鄰兩相相短路故障運行狀態(tài)轉矩波形圖；
[0042] 圖12為圖1所示電機的一相短路容錯運行狀態(tài)電流波形圖；
[0043] 圖13為圖1所示電機的一相短路容錯運行狀態(tài)轉矩波形圖；
[0044] 圖14為圖1所示電機的不相鄰兩相相短路容錯運行狀態(tài)電流波形圖；
[0045] 圖15為圖1所示電機的不相鄰兩相相短路容錯運行狀態(tài)轉矩波形圖；
[0046] 圖16為圖1所示電機的相鄰兩相相短路容錯運行狀態(tài)電流波形圖；
[0047] 圖17為圖1所示電機的相鄰兩相相短路容錯運行狀態(tài)轉矩波形圖。
[0048] 圖中：1-永磁體;2-外轉子;3-內定子;4-電樞繞組;5-容錯齒;6-調制極;7-電樞 齒。
【具體實施方式】
[0049]下面結合附圖進一步說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0050]如圖1所示，這是五相容錯永磁電機，其結構包括同軸的內定子3和外轉子2,內定 子3和外轉子2之間設置永磁體1、電樞繞組4、電樞齒7、容錯齒5和調制極6,永磁體1沿圓周 方向固定貼于外轉子2的內表面上，永磁體1的充磁方向為徑向且N極和S極交替排列，內定 子3圓周上布置彼此相交錯的10個電樞齒7和10個容錯齒5，電樞齒7上繞有單層集中電樞繞 組4,徑向相對兩電樞齒7上的集中電樞繞組4串聯(lián)成一相，電樞繞組1為五相繞組。電樞齒7 的齒寬和容錯齒5的齒寬不相等，在電樞齒7和容錯齒5的齒頂上設有沿圓周方向上均勻分 布的40個調制極6。
[0051 ]步驟1，建立五相容錯永磁電機模型；電機的反電勢公式為：
(1)
[0053]其中，E是電壓的幅值，co是電機電角速度。對應的電流公式為：
(2)
[0055] 其中，I是電流的幅值，是電機電角速度。圖4為圖1所示電機的正常運行狀態(tài)電 流波形圖；圖5為圖1所示電機的正常運行狀態(tài)轉矩波形圖。
[0056] 本發(fā)明是將短路故障分解為兩種故障的合成:一方面由該相正常轉矩缺失引起， 可認為由該相開路引起；另一方面，由短路相的短路電流引起。因此補償策略分解為兩步： 一是，根據(jù)短路電流的幅值和相位，直接給定正常相的電流，使正常相和短路相的電流呈五 相對稱分布，相位按照相序依次相差
，幅值相等，這樣便能產(chǎn)生一個恒定的轉矩，從而消 除了由于短路故障所帶來的轉矩脈動。二是，由于上一步中已經(jīng)消除了短路故障所帶來的 轉矩脈動，所以該步驟可以將短路相視為開路，對正常相再使用傳統(tǒng)的開路容錯策略，通過 改變開路容錯電流的幅值來產(chǎn)生一個恒定的轉矩，使之與上一步中的轉矩之和等于正常轉 矩。最后將兩部分的補償電流矢量合成，即可得到短路容錯的電流。
[0057]情況 1:
[0058]步驟2.1，當a相發(fā)生短路故障，可得a相的短路電流為：
[0059] iai = IfC〇s( ? t_9) (3)其中，If是短路電流的幅值，《是電機的電角速度，0是短 路相反電勢和電流的夾角。
[0060] 通過仿真可得： =7,95/4
[0061 ] I (4) i 0 - ] .402.T
[0062]步驟2.2,根據(jù)短路電流的幅值以及反電勢和短路電流的夾角，直接給定正常相的 補償電流，使正常相和短路相的電流呈五相對稱分布，相位按照相序依次相差
.正常相 電流的具體表達式如下：
(5 >
[0064]步驟3,由于上述步驟已經(jīng)消除了短路故障所帶來的轉矩脈動，將短路相視為開 路，對正常相再使用傳統(tǒng)的開路容錯策略，通過改變開路容錯電流的幅值來產(chǎn)生一個恒定 的轉矩，使之與步驟2中的轉矩之和等于正常轉矩，此時正常相的開路補償電流可表示為：
(.6)
[0066]正常情況下的轉矩T滿足下式：
[0067] T 〇 -eaia+ebib+ecic+edid+eeie (7)
[0068] 短路補償產(chǎn)生的恒定轉矩1\滿足下式：
[0069] Ti w -eaiai+ebibi+ecici+edidi+eeiei (8)
[0070] 開路補償所需產(chǎn)生的轉矩T2應滿足下式：
[0071] T2w =T〇-Ti〇 (9)
[0072] 通過式(7)、（8)、（9)可以求得：
[0073] r=4.409A (10)
[0074] 步驟4,將兩部分補償電流進行矢量合成，最終得到短路故障容錯電流為：
[0076]情況 2:
[0077]步驟2.1，當b、e兩相發(fā)生短路故障，b、e兩相的短路電流為： (11) M2 !
[0079] 其中，If是短路電流的幅值，c〇是電機的電角速度，0是短路相反電勢和電流的夾 角，數(shù)值都與情況1 一樣。
[0080] 步驟2.2,根據(jù)短路電流的幅值以及反電勢和短路電流的夾角，直接給定正常相的 補償電流，使正常相和短路相的電流呈五相對稱分布，相位按照相序依次相差
，正常相 電流的具體表達式如下：
(13)
[0082]通過步驟3,將短路相視為開路，對正常相再使用傳統(tǒng)的開路容錯策略，通過改變 開路容錯電流的幅值來產(chǎn)生一個恒定的轉矩，使之與步驟2中的轉矩之和等于正常轉矩，此 時正常相的開路補償電流可表示為：
(14)
[0084] 通過式(7)、（8)、（9)可以求得：
[0085] r=4.409A (15)
[0086] 通過步驟4,將兩部分補償電流進行矢量合成，最終得到短路故障容錯電流為：
(16)
[0088]情況 3:
[0089]步驟2 ? 1，當c、d相短路時，此時c、d兩相的短路電流為： (17)
[0091] 其中，If是短路電流的幅值，c〇是電機的電角速度，0是短路相反電勢和電流的夾 角，數(shù)值都與情況1 一樣。
[0092] 步驟2.2,根據(jù)短路電流的幅值以及反電勢和短路電流的夾角，直接給定正常相的 補償電流，使正常相和短路相的電流呈五相對稱分布，相位按照相序依次相差
，正常相 電流的具體表達式如下：
CI8)
[0094]步驟3,將短路相視為開路，對正常相再使用傳統(tǒng)的開路容錯策略，通過改變開路 容錯電流的幅值來產(chǎn)生一個恒定的轉矩，使之與步驟2中的轉矩之和等于正常轉矩，此時正 常相的開路補償電流可表示為：
C19：)
[0096] 通過式(7)、（8)、（9)可以求得：
[0097] r=4.409A (20)
[0098] 步驟4,將兩部分補償電流進行矢量合成，最終得到短路故障容錯電流為：
(21)
[0100]給出仿真步驟：1)建立五相容錯永磁電機的仿真模型。2)仿真出五相容錯永磁電 機的反電勢和各種情況下的短路電流。根據(jù)反電勢和短路電流計算出最終的短路電流容錯 控制方法。3)將計算出的電流輸入五相容錯永磁電機的電樞繞組中。4)得到最終的五相容 錯永磁電機短路容錯控制仿真結果。
[0101] 表1為正常、各種短路及容錯情況下的轉矩脈動，各種容錯情況的轉矩脈動較故障 情況下均有較大的減小。
[0102] 表1
[0104]應理解上述施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明 之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定 的范圍。
【主權項】
1. 一種簡化的五相永磁電機的短路容錯控制方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1，建立五相容錯永磁電機模型； 步驟2,根據(jù)短路電流的幅值和相位，直接給定正常相的電流，使正常相和短路相的電 流呈五相對稱分布，相位按照相序依次相差，幅值相等，這樣便能產(chǎn)生一個恒定的轉矩， 5 從而消除了由于短路故障所帶來的轉矩脈動； 步驟2.1，若一相短路時，設a相發(fā)生短路故障，則該相的短路電流可表示為：ial = If cos (ω t-θ);若不相鄰兩相短路，設b、e兩相發(fā)生短路故障，則這兩相的短路電流幅值相等，相位相差Is ,可分別表示為： ；若相鄰兩相短5. 路，設c、d兩相發(fā)生短路故障，則這兩相的短路電流幅值相等，相位相差，可分別表示為： ΛG中，If是短路電流的幅值，ω是電機的 電角速度，Θ是短路相的反電勢和短路電流的夾角； 步驟2.2,由步驟2.1獲得短路電流的幅值以及反電勢和短路電流的夾角，不論是一相 短路還是兩相短路，直接給定正常相的補償電流，使正常相和短路相的電流呈五相對稱分 布，相位按照相序依次相差4震； 3 步驟3,由于步驟2中已經(jīng)消除了短路故障所帶來的轉矩脈動，所以該步驟可以將短路相視為 開路，對正常相再使用傳統(tǒng)的開路容錯策略，通過改變開路容錯電流的幅值來產(chǎn)生一個恒定的 轉矩，使之與步驟2中的轉矩之和等于正常轉矩;若a相發(fā)生短路故障，則其他正常相的補償電 流為若b、e兩相發(fā)生短路故障，則其他正常相的補償電流為：ia2 = 1.382V cos( ω t)、若c、d兩相發(fā)生短路故障，則其他正常 相的補償電流為：ia2 = 3.6181^ cos( ω t)、 其中，P是電流的幅值，ω是電機電角速度；步驟4，將所述步驟2-3的電流進行矢量合成，得到最終容錯電流； 若a相發(fā)生短路故障： ia=IfC〇s( ω t-θ)若b、e兩相發(fā)生短路故障：若c、d兩相發(fā)生短路故障：
【文檔編號】H02P29/028GK105958896SQ201610266744
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】趙文祥, 顧陳瑜, 陳前, 張步峰, 朱旭輝, 胡德水
【申請人】江蘇大學