孫劍橋

摘 要：隨著多相永磁電機(jī)的發(fā)展，對(duì)提高其可靠性的方法研究日益廣泛。文章針對(duì)五相永磁同步電機(jī)的一相短路故障的容錯(cuò)控制方法進(jìn)行對(duì)比分析；在Matlab中建立電壓源激勵(lì)的五相PMSM模型，對(duì)一相短路故障容錯(cuò)策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證其可行性。

關(guān)鍵詞：五相永磁同步電機(jī)；短路故障；容錯(cuò)控制；Matlab仿真

中圖分類號(hào)：TM34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）14-0079-02

Abstract： With the development of multi-phase permanent magnet motor （PMSM）， the research on the methods to improve its reliability is more and more extensive. In this paper， the fault tolerant control methods of one phase short circuit fault of five phase permanent magnet synchronous motor are compared and analyzed. The five-phase PMSM model of voltage source excitation is established in Matlab， and the fault tolerant strategy of one-phase short circuit fault is simulated to verify its feasibility.

Keywords： five-phase permanent magnet synchronous motor （PMSM）； short-circuit fault； fault tolerant control； Matlab simulation

1 多相PMSM容錯(cuò)控制方法的研究現(xiàn)狀

近幾十年來(lái)，電機(jī)容錯(cuò)技術(shù)發(fā)展的非常快，電機(jī)的相數(shù)也不再受技術(shù)的制約，多相電機(jī)的容錯(cuò)技術(shù)已經(jīng)推廣應(yīng)用到諸多領(lǐng)域，這勢(shì)必對(duì)多相PMSM的可靠性有很高的要求。電機(jī)的主要且影響最惡劣的故障情況就是繞組故障，多相永磁電機(jī)故障時(shí)的容錯(cuò)控制法，目前主要有：硬件容錯(cuò)法和軟件容錯(cuò)法。

本文使用軟件容錯(cuò)法，從理論上提出電壓容錯(cuò)控制策略對(duì)一相短路故障下的五相永磁同步電機(jī)進(jìn)行容錯(cuò)，并在MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)下驗(yàn)證該方法的可行性。

2 五相PMSM電壓源激勵(lì)的數(shù)學(xué)模型

2.1 自然坐標(biāo)系下的模型

電壓方程 ；磁鏈方程： ；

轉(zhuǎn)矩方程 ；

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：

以上四個(gè)方程用來(lái)模擬五相PMSM自然坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，描述了各個(gè)變量間的關(guān)系。但可看出，變量之間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，不僅與時(shí)間有關(guān)還與空間角度有關(guān)，因此自然坐標(biāo)系下的五相PMSM模型是一個(gè)耦合關(guān)系多、較復(fù)雜的系統(tǒng)，故引入旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型。

2.2 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型

坐標(biāo)變換為矢量控制等高性能控制技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。由于自然坐標(biāo)系下的模型是一個(gè)耦合多變的高階非線性系統(tǒng)，因此引入旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型，需要通過(guò)CLARK變換和PARK變換實(shí)現(xiàn)這兩種坐標(biāo)系下的模型轉(zhuǎn)換。圖1是建立的電壓源激勵(lì)模塊為了后續(xù)仿真使用。

3 一相短路故障時(shí)電壓容錯(cuò)策略

由于短路情況下，雖然該相電流不是固定值，但短路相電壓恒為0，下面對(duì)各相電壓進(jìn)行分析，設(shè)A相相位為0，每相相差72°，則各正常情況下各相通入電壓為：

式3.1

當(dāng)一相短路時(shí)，A相電壓為0，參照對(duì)比一相開(kāi)路情況下A相電流為0的電流容錯(cuò)控制策略，可得一相短路時(shí)電壓容錯(cuò)控制策略如下：

式3.2

4 容錯(cuò)策略的仿真驗(yàn)證

圖2為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波形圖，電機(jī)從0時(shí)刻開(kāi)始帶負(fù)載正常啟動(dòng)，在接近0.4s時(shí)發(fā)生一相短路故障，可見(jiàn)其轉(zhuǎn)矩忽然降低且脈動(dòng)變大，會(huì)影響電機(jī)的正常運(yùn)行，使電機(jī)失步。

當(dāng)在短路情況下，A相電壓為0，給其它各相施加以下電壓時(shí)，電機(jī)將恢復(fù)正常。（圖3）

一相短路電壓容錯(cuò)策略下的轉(zhuǎn)矩波形圖如圖4所示。

由以上分析和仿真可知：在一相短路電壓容錯(cuò)策略下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩恢復(fù)平滑，脈動(dòng)減小，能夠正常平穩(wěn)運(yùn)行。驗(yàn)證了一相短路情況下電壓容錯(cuò)策略的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究從磁動(dòng)勢(shì)不變的原則出發(fā)，推導(dǎo)了五相PMSM一相短路時(shí)，其余相電壓的容錯(cuò)調(diào)整方案，并建立了一種電壓源激勵(lì)的仿真模型，對(duì)推導(dǎo)的容錯(cuò)電壓策略進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了推導(dǎo)過(guò)程和容錯(cuò)策略的正確性。又由于當(dāng)短路時(shí)，短路相電壓為0，因此短路時(shí)電壓容錯(cuò)策略具有通用性。

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