五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路容錯(cuò)磁場定向控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路容錯(cuò)磁場定向控制方法。根據(jù)故障前后行波磁動(dòng)勢不變以及非故障相電流和為零的原則，求出非故障相容錯(cuò)電流；采用內(nèi)?？刂破?、一階慣性前饋電壓補(bǔ)償器、反電勢觀測器將該類電機(jī)在故障狀態(tài)下的非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)變換為一階慣性系統(tǒng)；在此基礎(chǔ)上求出非故障相電壓指令，將該電壓指令分別與各相反電勢相加，實(shí)現(xiàn)該電機(jī)相鄰兩相短路故障后的容錯(cuò)磁場定向控制。本發(fā)明不但抑制了電機(jī)相鄰兩相短路故障導(dǎo)致的電機(jī)輸出推力波動(dòng)，還能實(shí)現(xiàn)相鄰兩相一相開路一相短路故障的容錯(cuò)運(yùn)行，且更為關(guān)鍵的是其動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和正常狀態(tài)下一致，電壓源逆變器開關(guān)頻率恒定，具有一定的通用性。
【專利說明】
五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路容錯(cuò)磁場定向 控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種五相永磁電機(jī)相鄰兩相短路故障容錯(cuò)控制方法，特別是五相容錯(cuò) 永磁直線電機(jī)相鄰兩相短路故障容錯(cuò)磁場定向控制方法。適用于航空航天、電動(dòng)汽車、深 海、醫(yī)療器械等對(duì)電機(jī)的可靠性和動(dòng)態(tài)性能有$父尚要求的場合。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會(huì)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，對(duì)汽車駕乘的舒適性和安全穩(wěn)定性要 求越來越高。作為現(xiàn)代汽車的重要組成部分，懸架系統(tǒng)性能對(duì)汽車行駛平順性和操作穩(wěn)定 性等有著極其重要的影響，因此主動(dòng)懸架系統(tǒng)的研究受到業(yè)內(nèi)高度重視。作為主動(dòng)電磁懸 架系統(tǒng)的核心部件，圓筒直線電機(jī)研究受到重視。電機(jī)在短路故障狀態(tài)下的容錯(cuò)性能，直接 決定著電磁懸架的可靠性和連續(xù)運(yùn)行的能力。
[0003] 容錯(cuò)電機(jī)在某一相或某兩相發(fā)生短路故障時(shí)，電機(jī)仍然具有一定的推力或者轉(zhuǎn)矩 輸出能力，但是推力或者轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很大，噪聲增大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。容錯(cuò)控制的目標(biāo)是 針對(duì)不同應(yīng)用場合對(duì)容錯(cuò)電流進(jìn)行優(yōu)化，使電機(jī)在故障狀態(tài)下的輸出推力或者轉(zhuǎn)矩盡量平 滑，并且使電機(jī)性能達(dá)到或接近故障前的性能。中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮?01510059387.2的 專利《一種五相容錯(cuò)永磁電機(jī)的短路容錯(cuò)控制方法》針對(duì)五相容錯(cuò)表貼式永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)，將 短路故障對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響分解為兩部分:一部分是開路故障對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響；另一部分是 短路電流對(duì)轉(zhuǎn)矩影響。針對(duì)開路故障，采用故障前后磁動(dòng)勢和不變?cè)瓌t以及故障后電流幅 值相等原則，優(yōu)化剩余非故障相的相電流;針對(duì)短路電流引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，采用故障后磁動(dòng) 勢為零和銅耗最小原則求出非故障相補(bǔ)償電流;最后兩部分電流相加，求得剩余非故障相 的電流指令。根據(jù)求得的剩余非故障相電流采用電流滯環(huán)控制策略，對(duì)五相容錯(cuò)表貼式永 磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行控制。該方法用于抑制短路相電流導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的剩余非故障相補(bǔ)償電流 的幅值是常數(shù)，與電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，且剩余非故障相的補(bǔ)償電流之和不為零。目前，常用的容 錯(cuò)控制方法是:計(jì)算出容錯(cuò)電流，然后采用電流滯環(huán)策略進(jìn)行控制。但是，該方法存在開關(guān) 頻率雜亂、噪聲大、電機(jī)動(dòng)態(tài)性能差等問題，不適合功率較大以及對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能要求高的 場合。中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮?01510661212.9的專利《一種內(nèi)嵌式混合磁材料容錯(cuò)圓筒直 線電機(jī)短路容錯(cuò)矢量控制方法》針對(duì)五相混合磁材料內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)一相短路故障， 采用以上相同方法優(yōu)化剩余非故障電流，然后采用矢量控制策略實(shí)現(xiàn)該電機(jī)一相短路故障 情況的矢量運(yùn)行。盡管該方法實(shí)現(xiàn)了該類電機(jī)系統(tǒng)在短路故障狀態(tài)下的高容錯(cuò)性能、高動(dòng) 態(tài)性能、電流良好的跟隨性，但該方法無法實(shí)現(xiàn)兩相短路故障情況下的矢量控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有電機(jī)容錯(cuò)控制技術(shù)中存在的不足，根據(jù)五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī) 的特性和該類電機(jī)相鄰兩相短路故障特點(diǎn)，本發(fā)明目的是克服電機(jī)相鄰兩相短路故障后現(xiàn) 有容錯(cuò)策略使用電流滯環(huán)控制導(dǎo)致逆變器開關(guān)頻率雜亂、電機(jī)響應(yīng)速度下降、動(dòng)態(tài)性能差、 電流無法精確跟隨、噪聲嚴(yán)重的缺點(diǎn)、傳統(tǒng)電流PI控制由于響應(yīng)快速性和超調(diào)的矛盾引起 參數(shù)調(diào)節(jié)困難的問題，以及現(xiàn)有容錯(cuò)矢量控制策略無法實(shí)現(xiàn)兩相短路故障情況的容錯(cuò)運(yùn) 行，提出一種用于本發(fā)明的五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)的相鄰兩相短路容錯(cuò)轉(zhuǎn)子磁場 定向控制方法，實(shí)現(xiàn)了反電勢的精確估算，降低控制器參數(shù)調(diào)節(jié)難度，實(shí)現(xiàn)該類電機(jī)系統(tǒng)在 相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的高容錯(cuò)性能、高動(dòng)態(tài)性能、電流良好跟隨性，減小CHJ開銷，實(shí)現(xiàn) 逆變器開關(guān)頻率恒定、降低噪聲，進(jìn)而提高本發(fā)明的五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰 兩相短路故障狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)性能和可靠性。
[0005] 本發(fā)明用于五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)的容錯(cuò)磁場定向控制方法采用如下 技術(shù)方案：
[0006] -種用于五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路容錯(cuò)磁場定向控制方法， 包括以下步驟：
[0007] 步驟1，建立五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)模型；
[0008] 步驟2,永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)分為A、B、C、D、E這五相，當(dāng)電機(jī)發(fā)生C相和D相 短路故障時(shí)，根據(jù)電機(jī)故障前后行波磁動(dòng)勢不變?cè)瓌t以及剩余非故障相電流之和為零的約 束條件，求出C相和D相短路故障后電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行的非故障相電流；
[0009] 步驟3,根據(jù)步驟2獲得的剩余三相非故障電流求出這三相非故障相電流在同步旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流；
[0010] 步驟4,設(shè)計(jì)一階慣性前饋電壓補(bǔ)償器獲得前饋補(bǔ)償電壓，同時(shí)該電流指令和反饋 電流的差值經(jīng)電流內(nèi)?？刂破鞯玫降目刂齐妷号c前饋補(bǔ)償電壓相加得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 上的電壓指令；
[0011] 步驟5,根據(jù)步驟3獲得的非故障相在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流表達(dá)式以及動(dòng)子永 磁磁鏈設(shè)計(jì)反電勢觀測器觀測相反電勢；
[0012] 步驟6,根據(jù)步驟2獲得的非故障相電流表達(dá)式，以及故障相短路電流和其反電勢 之間的關(guān)系，求出非故障相電壓指令；
[0013] 步驟7,將步驟6所得到的非故障相電壓指令和各相反電勢分別相加得到期望相電 壓指令，將該期望相電壓指令經(jīng)電壓源逆變器，采用CPWM調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)五相永磁體內(nèi)嵌式 容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路故障后的容錯(cuò)磁場定向無擾運(yùn)行。
[0014] 當(dāng)C發(fā)生開路故障D相發(fā)生短路故障時(shí)，電機(jī)容錯(cuò)磁場定向運(yùn)行在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 上的電流是步驟3中:^^ = 0的情況，自然坐標(biāo)系上非故障相電壓指令是步驟6中ec = 0的情 況。
[0015] 當(dāng)C發(fā)生短路故障D相發(fā)生開路故障時(shí)，電機(jī)容錯(cuò)磁場定向運(yùn)行在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 上的電流是步驟3中;?^_? = 0的情況，自然坐標(biāo)系上非故障相電壓指令是步驟6中eD = 0的情 況。
[0016] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0017] 1、本發(fā)明在保證電機(jī)任意相鄰兩相短路故障前后電機(jī)輸出推力相等的前提下，不 但能有效抑制電機(jī)推力波動(dòng)，而且更為關(guān)鍵的是能使電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行情況下的動(dòng)態(tài)性能、電 流跟隨性能和正常狀態(tài)下的性能一致，并且無需復(fù)雜的計(jì)算，電壓源逆變器開關(guān)頻率恒定、 噪聲低、CPU開銷小，算法具有一定的通用性。
[0018] 2、采用本發(fā)明相鄰兩相短路容錯(cuò)磁場定向控制策略后，該類電機(jī)在C相和D相短路 故障情況下容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)，其動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和電機(jī)正常狀態(tài)下一樣，且輸出推力幾乎沒 有波動(dòng)，在電機(jī)系統(tǒng)允許的最大電流極限值以下，電磁推力和故障前保持一致，實(shí)現(xiàn)了無擾 容錯(cuò)運(yùn)行。
[0019] 3、由本發(fā)明中的剩余非故障相電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上無脈動(dòng)。而采用傳統(tǒng)磁場 定向控制在相鄰兩相短路故障狀態(tài)下剩余非故障相的電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上脈動(dòng)。
[0020] 4、反電勢觀測器實(shí)現(xiàn)了該類電機(jī)相鄰兩相短路故障情況下的反電勢精確估算，從 而實(shí)現(xiàn)了該類電機(jī)相鄰兩相短路故障情況下的容錯(cuò)磁場定向運(yùn)行。
[0021] 5、和電流PI控制器相比，電流內(nèi)?？刂破骱头措妱萦^測器以及一階慣性前饋電壓 補(bǔ)償器相結(jié)合將該類電機(jī)在相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)變換為一階慣 性系統(tǒng)，降低了控制器參數(shù)整定難度，保證了該類電機(jī)系統(tǒng)在相鄰兩相短路故障狀態(tài)下電 流跟隨性能、穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能，使電機(jī)動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和電機(jī)故障前的性能一致，并 且能夠?qū)崿F(xiàn)無超調(diào)快速響應(yīng)。
[0022 ] 6、零序電壓諧波注入的CPWM調(diào)制和磁場定向容錯(cuò)相結(jié)合，提高了逆變器母線電壓 利用率，同時(shí)減小了容錯(cuò)磁場定向控制算法的復(fù)雜性，降低了 CPU開銷。
[0023] 7、相鄰兩相短路容錯(cuò)磁場定向控制策略、反電勢估算策略、電流內(nèi)?？刂撇呗?、一 階慣性前饋電壓補(bǔ)償策略、CPWM調(diào)制技術(shù)與五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相結(jié)合，大大 提高了該電機(jī)在相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的容錯(cuò)性能、動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，節(jié)省了 CPU開 銷。和電流滯環(huán)控制相比，降低了噪聲，降低了電磁兼容設(shè)計(jì)難度。進(jìn)而使得該電機(jī)在相鄰 兩相短路故障狀態(tài)下控制精度高，電流跟隨性能好，電機(jī)效率高、輸出推力響應(yīng)速度快且推 力脈動(dòng)和故障前一樣小，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)系統(tǒng)的在相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的高可靠性以及高 動(dòng)態(tài)性能。
[0024] 8、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰兩相中一相開路和一相短路的容錯(cuò)磁場定向控制，具有良 好的通用性。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明實(shí)施例五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)磁場定向控制策略原理圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)C相和D相短路容錯(cuò)磁場定向 控制原理圖；
[0028] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例C相和D相短路故障情況下無容錯(cuò)和容錯(cuò)磁場定向運(yùn)行時(shí)的相 電流波形；
[0029] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例C相和D相短路故障情況下無容錯(cuò)和容錯(cuò)磁場定向運(yùn)行時(shí)的推 力波形；
[0030] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例無故障運(yùn)行過程中推力指令階躍時(shí)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電 流波形；
[0031] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例無故障運(yùn)行過程中推力指令階躍時(shí)的電機(jī)輸出推力波形；
[0032] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例C相和D相短路容錯(cuò)運(yùn)行過程中推力指令階躍時(shí)的同步旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系上的電流波形；
[0033] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例C相和D相短路容錯(cuò)運(yùn)行過程中推力指令階躍時(shí)的電機(jī)輸出推 力波形；
[0034]圖中：1.初級(jí)；2.次級(jí);3.硅鋼片;4.極靴;5.容錯(cuò)齒;6.電樞齒;7.端部齒;8.永磁 體;9.繞組線圈。
【具體實(shí)施方式】
[0035]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。
[0036] 為了能夠更加簡單明了地說明本發(fā)明的永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 和有益效果，下面結(jié)合一個(gè)具體的五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)來進(jìn)行詳細(xì)的表述。
[0037] 步驟1，建立五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)模型。
[0038] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，包括初 級(jí)1、次級(jí)2。初級(jí)1中包括極靴4、電樞齒6、容錯(cuò)齒5和集中繞組線圈9,且電樞齒6和容錯(cuò)齒5 都為10個(gè)，次級(jí)2上內(nèi)嵌有稀土永磁體8,初級(jí)1和次級(jí)2之間存在氣隙，初級(jí)1和次級(jí)2上除永 磁體、繞組和極靴之外的部分都是由硅鋼片3軸向疊片而成，極靴4由電工純鐵制成，初級(jí)1 的兩個(gè)端部齒7是不對(duì)稱的，且比容錯(cuò)齒和電樞齒寬。
[0039]在傳統(tǒng)使用正弦波作為調(diào)制波的載波脈寬調(diào)制(CPWM)方法基礎(chǔ)上，在五相正弦調(diào) 制波中注入(3() = -(11^(出)+1]1；[11(出））/2的零序電壓諧波(出是五相正弦調(diào)制波每一相函數(shù)） 的CPWM方法與五相SVPWM方法能獲得相同的磁鏈控制效果。因此本發(fā)明采用基于注入零序 電壓諧波的CPWM方法進(jìn)行脈寬調(diào)制。
[0040]圖2五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)由電壓源逆變器供電，該電機(jī)分為A、B、C、D、E 這五相，采用基于零序電壓諧波注入的CPWM技術(shù)的磁場定向控制策略，零序電流控制為零， 控制框圖見圖2所示。電機(jī)正常狀態(tài)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，各相繞組電流可表示為
[0042] 式中，ζ分別是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸、q軸的電流指令，Θ為電角度
直線 電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)電速度，τ為極距。
[0043] 電機(jī)產(chǎn)生的行波磁動(dòng)勢(MMF)可表示為
[0045] 式中，a = d2V5，N為各相定子繞組的有效匝數(shù)。
[0046] 步驟2,當(dāng)電機(jī)發(fā)生C相和D相發(fā)生短路故障時(shí)，根據(jù)電機(jī)故障前后行波磁動(dòng)勢不變 原則以及剩余非故障相電流之和為零的約束條件，求出該故障下電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行的非故障相 電流指令（4、/;、&)。
[0051]其中，1纟、7纟^[3、7[3、1￡、7￡分別為非故障相補(bǔ)償電流余弦項(xiàng)和正弦項(xiàng)的幅值。
[0052] 假設(shè)C相的短路電流為isc_c = IfC〇s( ω t-9fC)，D相的短路電流為isc_D=IfC〇s( ω t-9fD)，其中，If是短路電流的幅值，0fC是C相反電勢和該相短路電流的夾角，0 fD是D相反電勢 和該相短路電流的夾角。
[0053]為實(shí)現(xiàn)電機(jī)相鄰兩相短路故障后無擾運(yùn)行，需保持電機(jī)故障前后行波磁動(dòng)勢一 致，因此需調(diào)整剩余非故障相定子電流使電機(jī)故障前后行波磁動(dòng)勢的幅值與速度保持不 變。于是，令式(2)、式(3)的實(shí)部與虛部均相等。再由非故障相電流之和等于零為約束條件， 求得電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行的相電流指令為
[0047]當(dāng)電機(jī)相鄰兩相C相和D相發(fā)生短路故障，電機(jī)內(nèi)部的行波磁動(dòng)勢由剩余的三相非 故障相和兩相短路故障相產(chǎn)生，磁動(dòng)勢可表示為
[0055]上式中非故障相電流以矩陣形式可表示為
[0059] 步驟3,根據(jù)步驟2獲得的剩余三相非故障電流求出這三相非故障相電流在同步旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流(id、iq)。
[0060] 在電流跟隨電流指令的情況下，根據(jù)式(6)或式(7)求出剩余非故障相在同步旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系上的電流(id、iq)
[0064] 步驟4,設(shè)計(jì)一階慣性前饋電壓補(bǔ)償器，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流指令(?、< )經(jīng) 一階慣性環(huán)節(jié)
「獲得前饋補(bǔ)償電壓（《ΓΡ、電流指令（^、(6)和反饋電流(id、i q) 的差值經(jīng)電流內(nèi)?？刂破?br>得控制電壓（UdQ、uqQ)，將該電壓與前饋補(bǔ)償電壓 ("廠、》廠)相加得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電壓指令(</、\)。
[0065] 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流指令U:、< )經(jīng)一階慣性環(huán)節(jié)
補(bǔ)償電壓()
[0067]電流指令( <、<)和反饋電流(id、iq)的差值經(jīng)電流內(nèi)?？刂破?br>制電壓(udQ、uqQ)，將該電壓與補(bǔ)償電壓相加得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電壓指令(》〕、< )
[0069]步驟5,根據(jù)非故障相在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流(9)以及動(dòng)子永磁磁鏈設(shè)計(jì)反電 勢觀測器觀測非故障相反電勢(eA、eB、eE)

[0071 ]根據(jù)非故障相反電勢(eA、eB、eE)求出故障相反電勢(ec、eD)
[0073]步驟6,根據(jù)非故障相電流表達(dá)式(6)或者(7)，以及故障相短路電流和其反電勢之 間的關(guān)系，定義非故障相電壓指令（《〕、4、4)
[0077]步驟7,將自然坐標(biāo)系上的非故障相電壓指令(《〗、<、)和各相反電勢(eA、eB、 eE)分別相加得到期望相電壓指令（<、<、《；：)
[0079] 式（16)期望相電壓經(jīng)電壓源逆變器采用基于零序電壓諧波注入的CPWM調(diào)制實(shí)現(xiàn) 五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)C相和D相短路故障情況下的無擾容錯(cuò)運(yùn)行。本發(fā)明提出的 高性能相鄰兩相短路故障容錯(cuò)磁場定向控制策略如圖3所示。
[0080] 當(dāng)C發(fā)生開路故障D相發(fā)生短路故障時(shí)，電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流 (id、iq)是式⑶或(9)中?^ = 0的情況，自然坐標(biāo)系上非故障相電壓指令（<、<、4 )是 式(14)或（15)中優(yōu)=0的情況，即將開路相的電流和反電勢設(shè)為零。
[0081] 當(dāng)C發(fā)生短路故障D相發(fā)生開路故障時(shí)，電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流 (id、iq)是式⑶或(9)中1?！?0的情況，自然坐標(biāo)系上非故障相電壓指令是 式(14)或（15)中e D = 0的情況，即將開路相的電流和反電勢設(shè)為零。
[0082] 當(dāng)其它相鄰兩相發(fā)生短路或者一相開路一相短路故障時(shí)，只需將自然坐標(biāo)系逆時(shí)
(k = 0、l、2、3、4;C相和D相故障時(shí)，k = 0;D相和E相故障時(shí)，k=l;E相和A相故障 時(shí)，k = 2;A相和B相故障時(shí)，k = 3;B相和C相故障時(shí)，k = 4))電角度，此時(shí)式(8)-(15)中Θ由
[0083] 按圖2和圖3在Matlab/Simulink中建立圖1所示五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī) 的控制系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真，得五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路故 障容錯(cuò)磁場定向控制仿真結(jié)果。
[0084] 圖4是C相和D相短路故障下相電流波形，0.1s短路故障發(fā)生，電流波形發(fā)生畸變， 0.2s施加本發(fā)明容錯(cuò)磁場定向控制策略，電流正弦度改善。圖5是C相和D相短路故障下推力 波形，0.1s時(shí)短路故障發(fā)生，電機(jī)輸出推力波動(dòng)明顯，0.2s施加本發(fā)明短路容錯(cuò)磁場定向控 制策略，電機(jī)輸出推力脈動(dòng)得到明顯抑制，幾乎沒有脈動(dòng)。圖6和圖7分別是電機(jī)正常運(yùn)行過 程中推力指令發(fā)生階躍變化時(shí)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流和電機(jī)輸出推力響應(yīng)，推力響應(yīng) 時(shí)間為0.2ms。圖8和圖9是電機(jī)C相和D相發(fā)生短路故障情況下施加本發(fā)明短路容錯(cuò)磁場定 向控制策略后推力指令發(fā)生階躍變化時(shí)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流和電機(jī)輸出推力響應(yīng)， 電機(jī)推力響應(yīng)時(shí)間也是〇. 3ms。因此，本發(fā)明五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路 故障容錯(cuò)磁場策略能使電機(jī)具有正常運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。另外，電流跟隨性能 好，實(shí)現(xiàn)了無擾容錯(cuò)運(yùn)行。
[0085] 從以上所述可知，本發(fā)明用于五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路容錯(cuò) 磁場定向控制策略在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)允許最大電流情況下，不但能保證相鄰兩相短路故障時(shí) 電機(jī)輸出推力和正常狀態(tài)下一致，而且能明顯抑制電機(jī)相鄰兩相短路故障后的推力波動(dòng)， 更為關(guān)鍵的是具有和故障前相近的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和電流跟隨精度，且適合任何相鄰 兩相發(fā)生短路故障的情況，通用性強(qiáng)，無需復(fù)雜計(jì)算，CPU開銷小。同時(shí)，本發(fā)明適用于相鄰 兩相一相開路一相短路故障情況下的五相永磁電機(jī)容錯(cuò)控制，該控制器設(shè)計(jì)時(shí)只需將開路 相的電流和反電勢設(shè)為零。因此，本發(fā)明在電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)等對(duì)運(yùn)行可靠性要求高的系 統(tǒng)中擁有很好的應(yīng)用前景。
[0086] 雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，但實(shí)施例并不是用來限定本發(fā)明的。在不 脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，所做的任何等效變化或潤飾，均屬于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所 限定的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路容錯(cuò)磁場定向控制方法，其特征 在于，包括以下步驟： 步驟1，建立五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)模型； 步驟2,永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)分為A、B、C、D、E這五相，當(dāng)電機(jī)發(fā)生C相和D相發(fā)生 短路故障時(shí)，根據(jù)電機(jī)故障前后行波磁動(dòng)勢不變?cè)瓌t以及剩余非故障相電流之和為零的約 束條件，求出該故障下電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行的非故障相電流指令（/)、/；〇 4)式中，/：、ξ分別是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d軸、q軸的電流指令，Θ為電角度，v直線電 機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)電速度，τ為極距，分別是C相和D相的短路電流。步驟3,根據(jù)步驟2獲得的剩余三相非故障電流求出這三相非故障相電流在同步旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系h.的電流（iH、in)步驟4,設(shè)計(jì)一階慣性前饋電壓補(bǔ)償器，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流指令（仏、：?)經(jīng)一階 慣性環(huán)節(jié)^獲得前饋補(bǔ)償電壓電流指令（<、?)和反饋電流（id、iq)的 S -l· CC 差值經(jīng)電流內(nèi)?？刂破? + 4'!得控制電壓（Ud〇、uq())，將該電壓與前饋補(bǔ)償電壓 、SL·) (c' 相加得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電壓指令（<、<); 步驟5,根據(jù)步驟3獲得的非故障相在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流表達(dá)式以及動(dòng)子永磁磁 鏈設(shè)計(jì)反電勢觀測器觀測非故障相反電勢（eA、eB、eE) %步驟7,將步驟6所得到的非故障相電壓指令（《1、*4 )和各相反電勢(eA、eB、eE)分 別相加得到期望相電壓指令（《Γ、將該期望相電壓指令經(jīng)電壓源逆變器，采用 CPffM調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路故障后的容錯(cuò)磁場定向 無擾運(yùn)行。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路容錯(cuò)磁場定向控 制方法，其特征在于，當(dāng)C發(fā)生開路故障D相發(fā)生短路故障時(shí)，電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 系上的電流（id、iq)是步驟3中isc；_c = O的情況，自然坐標(biāo)系上非故障相電壓指令（、 <、"g)是步驟6中ec = 0的情況。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路容錯(cuò)磁場定向控 制方法，其特征在于，當(dāng)C發(fā)生短路故障D相發(fā)生開路故障時(shí)，電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 系上的電流（i d、i q)是步驟3中i s C _ D = 0的情況，自然坐標(biāo)系上非故障相電壓指令（、 *4、< )是步驟6中eD = 0的情況。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相鄰兩相短路容錯(cuò)磁場定向控 制方法，其特征在于，所述相鄰兩相短路容錯(cuò)磁場定向控制方法還適用于五相永磁容錯(cuò)旋 轉(zhuǎn)電機(jī)控制系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】H02P29/028GK106026841SQ201610595146
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月26日
【發(fā)明人】周華偉, 于曉東, 劉國海, 吉敬華, 徐亮, 陳龍
【申請(qǐng)人】江蘇大學(xué)