一种五相容错永磁电机的全矢量控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种五相容错永磁电机的全矢量控制方法研究，属于电机驱动系统领 域的研究，可用于电动汽车、船舶推进等高可靠性领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，五相电机及其驱动系统的研究在电动汽车领域中得到快速发展，由于故 障的不可避免性，对电机驱动系统的容错技术研究也逐渐发展起来。在所有的故障中，开路 故障一直是大多数，因此对五相电机及其驱动系统的开路故障研究很有必要。
[0003] 目前，已有文献对多相电机的开路故障容错控制进行了分析研究。文献 "Fault-tolerant five-phase permanent magnet motor drives'，（公开于 2004 年， Conference Record-IAS Annual Meeting，2 卷，1048-1054 页）将电流滞环控制策略应 用在五相电机缺相运行状况中，并进行了实验验证。文献"多相永磁同步电机驱动技术研 究"（公开于2005年，中国科学院研究生院）提出了一种多相电机的基于有效作用时间的 载波型PffM控制方法，但仅有理论分析缺乏有效的实验验证。然而大多数文献在电机正 常运行时，为提高电机效率，采用的是五相SVPffM方法，在故障后采用电流滞环控制方法， 会带来软硬件的相应改变和滞环环宽的选择问题。文献"Fault-tolerant control for six-phase PMSM drive system via intelligent complementary sliding-mode control using TSKFNN-AMF'，（公开于 2013 年，IEEE Transactions on Industrial Electronics, 60卷，12期，5747-5762页）对一台六相电机进行，故障前后都采用SVPffM方法，但该六相电 机被分为两个三相电机进行控制，所以在本质上仍是使用的三相SVPffM方法，而不是真正 的容错SVPffM方法。
【发明内容】
[0004] 发明目的：针对上述问题，提出一种五相容错永磁电机的全矢量控制方法，使得故 障前后都采用SVPffM方法，避免五相SVPffM切换到电流滞环控制方法带来的程序及硬件变 化和滞环环宽选择等问题。在保持系统跟踪性能的同时有效抑制转矩脉动。
[0005] 技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种五相容错永磁电机的全矢量控制方法，包括：
[0007] 电机正常运行时采用相邻最近四矢量SVPffM方法，该方法是由三相SVPffM拓展得 到，与其他五相SVPffM方法相比，该方法具有谐波分量小的优点。电机发生一相开路后，基 于电流滞环控制的坐标系，对故障后的四相坐标系进行重构；对重构后的坐标系，基于传统 SVPffM方法对空间矢量进行重新选择和扇区重构，从而对目标矢量进行合成。
[0008] 所述容错SVPffM方法的实现具体步骤包括（假设A相开路）：
[0009] (1)将剩余四相坐标系的B相和E相分别旋转至π /5和-π /5处，其余两相位置 保持不变；
[0010] (2)在新的坐标系上对空间电压矢量进行重新计算，得到其大小和方向；
[0011] (3)以降低器件损耗为目标，在每个扇区内选择合适的开关顺序进行目标矢量的 合成；
[0012] (4)应用三角形正弦定理计算得到每个矢量的作用时间；
[0013] (5)根据矢量作用时间得到占空比，通过程序编写得到容错SVPffM方法。
[0014] 有益效果：与现有技术相比，本发明结合了五相SVPffM方法和电流滞环方法，在电 机正常运行时，采用相邻最近四矢量SVPffM方法，当电机发生一相开路故障后通过重构故 障后的系统坐标系，重新选择和计算故障后的空间电压矢量，避免了相邻最近四矢量SVPffM 方法切换到电流滞环控制方法带来的软硬件变化、滞环环宽选择和开关器件损耗等问题。 同时故障后矢量的大小和方向计算及矢量选择顺序的优化可以保证两个扇区内的开关顺 序能够衔接起来，不会出现从V。跳变到V 15的情况。
【附图说明】
[0015] 以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0016] 图1是本发明方法中五相容错永磁电机的截面示意图。
[0017] 图2为基波和三次谐波空间坐标系示意图；（a) Sd1-Cil坐标系；(b)d3_q3坐标系。
[0018] 图3是本发明方法中五相容错永磁电机全矢量控制系统结构图。
[0019] 图4故障后逆变器等效电路图。
[0020] 图5故障后空间矢量分布图。
[0021] 图6容错SVPffM方法在所有扇区中空间矢量的选择示意图。
[0022] 图7故障后矢量作用时间示意图；(a) C^-P1空间电压矢量合成；(b) α 3_03空间 电压矢量合成。
[0023] 图8相邻最近四矢量SVPffM矢量合成图（第一扇区）。
[0024] 图9相邻最近四矢量作用顺序及时间示意图。
[0025] 图10是故障前后的系统坐标系示意图。
[0026] 图11是故障后的矢量及扇区分布图。
[0027] 图12是故障后的扇区选择方式。
[0028] 图13是故障后第一扇区的矢量作用顺序示意图。
[0029] 图14是故障后第二扇区的矢量作用顺序示意图。
[0030] 图15是故障后采用正常SVPffM方法的控制效果图。
[0031] 图16是故障后采用容错SVPffM方法的控制效果图。
【具体实施方式】
[0032] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述。
[0033] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0034] 本发明不仅适用于容错电机，也适用于绕组呈星型分布的普通五相电机。
[0035] 本方法实验使用了具有集中绕组和容错齿的五相容错永磁电机，该电机的轮毂式 结构能够节省传动机构；集中式分布的绕组使得电机的自感增加，互感减少；永磁体内嵌 式的结构增大了电机的电磁转矩；而长方形永磁体和偏心电枢齿的结构，使气隙径向磁密 趋于正弦化。
[0036] 图1为具有集中绕组和容错齿的五相容错永磁电机的截面图，包括定子和转子， 所述定子包括电枢齿、容错齿以及绕组，所述转子包括镶嵌在转子内部的呈倒"V"形的永磁 体，以及转子外周齿端形成的燕尾槽。
[0037] -、电机数学模型：
[0038] 自然坐标系下的五相FTPM电机可以用电压方程、磁链方程和转矩方程来表示，如 式（2. 1)至（2. 3)所示。
[0039]
[0040]
[0041] (2*3)
[0042] 其中p为微分算子；Us、&和I 3分别为定子电压、定子电阻和定子电流；Ls为定子 电感矩阵；Φ JP Φ f分别是定子绕组磁链和永磁体磁链；θ jp θ分别是转子位置机械角 度和转子位置电角度；P为电机极对数。
[0044] 式中rs为每相绕组的阻值；Φ fni为转子交轴与定子绕组轴线重合产生的永磁磁 链；α为相邻两相绕组之间的电角度，大小为2 π/5 ;Lls表示定子漏感；L( Θ )表示定子励 磁电感。
[0045] 二、坐标变换矩阵：
[0046] 由于五相FTPM电机中通入五相独立的电流，于是认为其是一个五维的系统。为了 降低系统的复杂性，将自然坐标系下高阶次、非线性、多变量的五相电机系统，通过坐标变 换，分解成3个相互正交的子空间4-?子空间、d 3-q3子空间和零序空间，如图2所示。
[0047] 图中静止坐标系的横轴与自然坐标系下的A相轴线重合，Ct1UP α 3_β3为两 个静止坐标系，对应的旋转坐标系为dfqJP d3_q3。其中(!^q1的旋转转速为ω，(13-9 3的旋 转转速为3ω，Θ为转子转过的电角度。
[0048] 其中，从五相自然坐标系AB⑶E变换到静止坐标系α「β「α 3- β 3-〇的Clark矩 阵为：
[0049]
[0050] 式中k为约束系数，本文选择k = 2/5,为幅值不变原则。
[0051] 式（2. 4)中一、二对应Clfq1子空间，由基波和10k±l(k = 1，2, 3···)次谐波投影 到该空间得到；三、四行对应d3_q3子空间，与(Ifq 1子空间正交，由5k±2(k = 1，3,5…）次 谐波映射到该空间得到；最后一行对应零序空间，电机变量中的5k(k = 1，3,5…）次谐波 投影到此空间。其中Cl1-Cil子空间中的变量参与能量转换，在电机中形成圆形旋转磁场，而 d；5-q；5子空间中的变量不参与机电能量转换。
[0052] 由于三次谐波不能参与能量转换，所以只需要对Cl1-Cil子空间的变量做旋转变换 即可。静止坐标系α厂β厂α 3- β 3-〇到旋转坐标系di-qi-c^-q^O的广义Park变换矩阵为：
[0053]
(:2..5:)
[0054] 根据式（2. 4)和式（2. 5)可以得到绕组正弦分布