馬 源，楊家強(qiáng)，楊光輝

基于正負(fù)序矢量解耦控制的七相感應(yīng)電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行

馬 源，楊家強(qiáng)，楊光輝

（浙江大學(xué)，杭州 310027）

現(xiàn)階段多相電機(jī)已被各個(gè)領(lǐng)域廣泛利用，在發(fā)生單相甚至若干相開路故障后，可以在不增加多余硬件的基礎(chǔ)上確保多相電機(jī)維持平穩(wěn)的運(yùn)行。為了解決定子開路故障時(shí)空間諧波磁場耦合對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，本文提出了一種基于正負(fù)序矢量解耦控制的電機(jī)容錯(cuò)控制策略。以七相感應(yīng)電機(jī)單相開路為例，引入對(duì)應(yīng)的附加條件重新計(jì)算剩余各相電流。電流環(huán)采用雙向比例積分控制算法，通過仿真在多相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流的無靜差控制。最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證，表明該策略能保證故障前后基波磁動(dòng)勢不變，使電機(jī)在故障下獲得較好穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

七相感應(yīng)電機(jī)；容錯(cuò)運(yùn)行；缺相故障；雙向比例積分

0 前言

近年來，多相電機(jī)在航空航天、船舶工業(yè)、新能源汽車等重輕工業(yè)行業(yè)得到了普遍應(yīng)用，因而各領(lǐng)域?qū)τ谄湓O(shè)備的安全性和可靠性的要求也在逐漸提高且嚴(yán)格[1-3]。多相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以提供更多的控制自由度，在出現(xiàn)變頻器故障或繞組開路故障時(shí)，能夠直接通過合理容錯(cuò)策略及算法實(shí)現(xiàn)無擾容錯(cuò)運(yùn)行，這對(duì)提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性有著極大意義[3-6]。多相電機(jī)容錯(cuò)控制以抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、降低損耗為主要控制目標(biāo)，因而在缺相下也能在短時(shí)間內(nèi)保持降載運(yùn)行。現(xiàn)階段對(duì)于開路故障后控制存在兩種較為主流的控制思想[3]：（1）對(duì)故障電機(jī)建模后計(jì)算脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相應(yīng)的抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制策略；（2）保持電機(jī)磁動(dòng)勢不變，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場合及條件，解得相應(yīng)容錯(cuò)電流給定值后在靜止坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制[7-10]。

本文以七相感應(yīng)電機(jī)為研究對(duì)象，提出了一種基于正負(fù)序矢量解耦控制的雙PI電流控制電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行策略，可以使得電機(jī)實(shí)際電流有效跟蹤給定電流，故障后電機(jī)轉(zhuǎn)矩最大化輸出，并減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。最后在此基礎(chǔ)上通過進(jìn)行相關(guān)仿真及實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證結(jié)論。

1 基于正負(fù)序矢量解耦的容錯(cuò)控制策略

1.1 七相感應(yīng)電機(jī)單相故障分析

對(duì)于七相感應(yīng)電機(jī)，存在一個(gè)七維的空間解耦變換矩陣：

以a相斷開為例，需要對(duì)單相開路故障情況進(jìn)行剩余相電流重構(gòu)計(jì)算，以獲得平滑的電磁轉(zhuǎn)矩。

假設(shè)對(duì)象電機(jī)故障后無中性線引出，需要滿足相電流之和為零。故三個(gè)平面的電流約束方程為：

利用電流幅值相等法[5]，存在調(diào)整故障后各相電流幅值相等的約束條件：

可得重構(gòu)后的基波電流表達(dá)式：

對(duì)于基波電流的電流空間矢量定義則有：

針對(duì)電流幅值相等的控制策略可以推導(dǎo)出以下系數(shù)：

在這種控制策略下，利用算法對(duì)三、五次諧波電流的參考值進(jìn)行給定，在保證各相電流幅值相同的同時(shí)，也保證了重構(gòu)后基波磁動(dòng)勢不變。若使電機(jī)在故障前后保持磁動(dòng)勢不變，則電機(jī)在斷相故障后仍可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行；多相電機(jī)有額外的自由度，可以通過改變故障后控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)其的容錯(cuò)控制[11-14]。

1.2 單相故障容錯(cuò)控制策略

由前面章節(jié)所推導(dǎo)的結(jié)論可知，缺相故障情況下電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生了改變，諧波空間的電流將不為零，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)中出現(xiàn)波形畸變，產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁場，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這不僅會(huì)降低電機(jī)的運(yùn)行效率，嚴(yán)重情況下還會(huì)損壞電機(jī)系統(tǒng)[15, 16]。

本文提出的容錯(cuò)控制策略為基于PI控制器在相對(duì)于定子坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度和-的坐標(biāo)系內(nèi)的實(shí)現(xiàn)，目的是對(duì)參考電流量正負(fù)序分量進(jìn)行分離并實(shí)現(xiàn)無靜差控制。為了避免在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生噪聲，避免因?yàn)橐氲屯V波器等造成信號(hào)傳輸延遲，這種策略設(shè)計(jì)將不對(duì)電流頻率進(jìn)行直接導(dǎo)數(shù)計(jì)算。通過電機(jī)反饋的轉(zhuǎn)子角頻率r與參考值得到。圖1為電機(jī)斷一相狀態(tài)下的控制框圖，對(duì)正負(fù)序電流同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換，將交流量轉(zhuǎn)換為直流量之后，再通過雙PI調(diào)節(jié)模塊對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制。

即：

控制策略框圖1內(nèi)涉及到的變換矩陣有：

其中，（10）式中涉及的容錯(cuò)系數(shù)由前一小節(jié)推導(dǎo)得出。

圖1 斷相狀態(tài)下控制策略框圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中通過將a相橋臂封鎖來模擬故障情況，并通過實(shí)施本文所提出的控制策略，對(duì)比正常與故障下的電機(jī)運(yùn)行性能。實(shí)驗(yàn)中所用的七相感應(yīng)電機(jī)指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)見表1和表2。

搭建的七相感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)如圖2所示，該平臺(tái)由七相集中繞組感應(yīng)電機(jī)、直流電源、dSPACE控制平臺(tái)、多相逆變器、傳感器和交流伺服負(fù)載組成。相關(guān)電機(jī)參數(shù)與仿真中所用的參數(shù)一致。

表1 七相感應(yīng)電機(jī)參數(shù)

表2 相應(yīng)的電阻和電感參數(shù)

圖2 七相感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)中七相電機(jī)在帶載15N·m的工況下運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)定子電流及其軌跡的實(shí)驗(yàn)波形如圖3（a）所示，映射電流軌跡為圓形；當(dāng)a相發(fā)生開路故障后，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，不施加策略時(shí)剩余六相電流幅值不相等，此時(shí)實(shí)驗(yàn)電流及其軌跡波形如圖3（b）所示。

圖3 正常運(yùn)行和單相開路時(shí)定子電流及其軌跡實(shí)驗(yàn)波形

圖4為全局定子電流波形。未發(fā)生故障時(shí)電流正常，當(dāng)發(fā)生開路故障后a相電流降為零，其余六相電流不再對(duì)稱且發(fā)生畸變。

圖5為采用容錯(cuò)控制策略后的定子電流波形及軌跡，表明在施加容錯(cuò)策略后，電機(jī)能保持穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，剩余相電流能夠基本保持相等幅值且呈現(xiàn)對(duì)稱分布。

圖6為容錯(cuò)控制下的電磁轉(zhuǎn)矩波形。與電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)相比，故障情況下電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了明顯的脈動(dòng)，電機(jī)產(chǎn)生噪聲；但施加容錯(cuò)控制策略后電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有所減小，電機(jī)亦可恢復(fù)且維持穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 全局定子電流波形

圖5 采用容錯(cuò)控制后實(shí)驗(yàn)電流波形及軌跡

圖6 容錯(cuò)控制下的轉(zhuǎn)矩波形

3 結(jié)論

本文通過對(duì)七相感應(yīng)電機(jī)定子繞組開路故障進(jìn)行研究，基于維持故障前后電機(jī)內(nèi)部磁動(dòng)勢不變的原則，對(duì)故障后剩余相電流進(jìn)行重構(gòu)，提出了基于正負(fù)序分量矢量解耦控制的多相電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行策略。以定子繞組a相開路為例，通過理論推導(dǎo)、仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的容錯(cuò)控制，使故障后剩余六相電流幅值相等，并且抑制了故障下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。文中雖然僅對(duì)七相感應(yīng)電機(jī)發(fā)生單相故障的情況進(jìn)行了分析實(shí)驗(yàn)，但上述策略也可應(yīng)用于更多相數(shù)的電機(jī)故障情況，亦可推廣至其余多相電機(jī)容錯(cuò)控制的情況，進(jìn)一步的研究將在后續(xù)項(xiàng)目與工作中進(jìn)行和展開。

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Fault-tolerant Control of Seven Phase Induction Motor based on Positive and Negative Sequence Vector Decoupling Control

MA Yuan, YANG Jiaqiang,YANG Guanghui

(Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

At present, multi-phase motors have been widely used in various fields. After the occurrence of one-phase or even several phases open circuit fault, the corresponding control algorithms and strategies can be selected to ensure the smooth operation of the multi-phase motor on the basis of no additional hardware. A fault tolerance control strategy based on positive and negative sequence vector decoupling control is proposed in this paper. Taking single-phase open circuit of seven phase induction motor as an example, the remaining phase current equations are recalculated by introducing the corresponding additional conditions. The current loop adopts bidirectional proportional integral control algorithm and realizes the current control without static difference under the multi-phase rotating coordinate system through simulation. The proposed algorithm is verified by experiments. It shows that the proposed strategy can effectively suppress the torque ripple and the basic wave magnetomotive force is guaranteed to be constant before and after the fault, the motor can obtain better steady and dynamic performance under the fault.

seven phase induction motor; fault-tolerance operation; phase failure; bidirectional PI

TM346

A

1000-3983(2021)01-0009-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51777191）；浙江省基礎(chǔ)公益研究計(jì)劃（LCZ19E070001）

2020-07-05

馬源（1995-），浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生在讀，研究方向?yàn)槎嘞嚯姍C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其容錯(cuò)控制。