一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机短路容错矢量控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型电机和相短路故障容错控制方法，特别是五相容错永磁直线 电机及其相短路故障容错矢量控制方法。适用于航空航天、电动汽车等对电机的可靠性和 动态性能有较高要求的场合。
【背景技术】
[0002] 随着社会的发展以及人们生活水平的提高，对汽车驾乘的舒适性和安全稳定性要 求越来越高。作为现代汽车的重要组成部分，悬架系统性能对汽车行驶平顺性和操作稳定 性等有着极其重要的影响，因此主动悬架系统的研究受到业内高度重视。作为主动电磁悬 架系统的核心部件，圆筒直线电机研究受到重视。电机在故障状态下的容错性能，直接决定 着电磁悬架的可靠性和连续运行的能力。
[0003] 容错电机是指通过改变绕组方式和定子齿结构，在空间上实现相与相之间的电隔 离、磁隔离、热隔离和物理隔离，从而提高电机带故障运行能力的一类新型电机。文献IEEE Transactions on plasma science 39(1) :83-86,2011(Magnetic field of a tubular linear motor with special permanent magnet)中提出的内嵌式电机没有容错能力，当某 一相发生故障，便不能正常运行，无法满足高可靠性和连续运行的要求。中国发明专利申请 号201010120847. 5《一种容错式永磁直线电机》公开了一种三相容错磁通反向永磁单边平 板直线电机，虽然其引入了隔离齿，容错性能提高，但没有解决漏磁严重的问题，其电枢齿 表面贴装有两块磁化方向相反的永磁体，导致大量的磁力线不经过动子辄部形成磁回路， 在齿端造成磁路短路的现象，产生比较严重的漏磁；另外，由于永磁体表贴在电枢齿表面， 由于永磁体和电枢齿之间的机械强度较小，电机的推力或者推力密度很难做大。另一方面， 近年来，国内外对稀土永磁体的使用量不断递增，而稀土材料储备有限且价格昂贵，所以电 机设计过程中应关注如何减少稀土永磁体的用量，降低电机成本。铁氧体永磁材料价格低 廉，产量丰富，供应稳定，所以铁氧体材料是稀土永磁体很好的替代品。
[0004] 容错电机在某一相发生开路或者短路故障时，电机仍然具有一定的推力或者转矩 输出能力，但是推力或者转矩波动很大，噪声增大，严重影响系统性能。容错控制的目标是 针对不同应用场合对容错电流进行优化，使电机在故障状态下的输出推力或者转矩尽量平 滑，并且使电机性能达到或接近故障前的性能。中国发明专利申请号为201510059387. 2的 专利《一种五相容错永磁电机的短路容错控制方法》针对五相容错表贴式永磁旋转电机，将 短路故障对电机转矩的影响分解为两部分：一部分是开路故障对转矩的影响；另一部分是 短路电流对转矩影响。针对开路故障，采用故障前后磁动势和不变原则以及故障后电流幅 值相等原则，优化剩余非故障相的相电流；针对短路电流引起的转矩波动，采用故障后磁动 势为零和铜耗最小原则求出非故障相补偿电流；最后两部分电流相加，求得剩余非故障相 的电流指令。根据求得的剩余非故障相电流采用电流滞环控制策略，对五相容错表贴式永 磁旋转电机进行控制。该方法用于抑制短路相电流导致转矩波动的剩余非故障相补偿电 流的幅值是常数，与电机转速无关，且剩余非故障相的补偿电流之和不为零；更为主要的是 仅仅给出了短路容错电流，用Maxwell进行了仿真验证，没有提及具体使用何种控制策略 进行控制。目前，常用的容错控制方法是：计算出容错电流，然后采用电流滞环策略进行控 制。但是，该方法存在开关频率杂乱、噪声大、电机动态性能差等问题，不适合功率较大以及 对电机动态性能要求高的场合。
【发明内容】
[0005] 针对现有直线电机技术的不足，基于原有次级永磁型圆筒直线电机结构，本发明 提出一种节省稀土永磁材料且容错性能好的永磁体内嵌式圆筒直线电机。该电机既能降低 稀土永磁体的用量，降低电机成本，同时更为关键的是在保持传统永磁体内嵌式电机优点 的基础上提高了直线电机的容错性能。
[0006] 针对现有电机容错控制技术中存在的不足，以及本发明提出的五相内嵌式混合磁 材料容错圆筒直线电机的特性和该类电机相短路故障特点，本发明目的是克服电机相短路 故障后现有容错策略使用电流滞环控制导致逆变器开关频率杂乱、电机响应速度下降、动 态性能差、电流无法精确跟随、噪声严重的缺点以及现有容错控制算法运算复杂的缺陷，提 出一种用于本发明的五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机的高性能短路容错矢量控 制方法，实现该类电机系统在短路故障状态下的高容错性能、高动态性能、电流良好的跟随 性，减小CPU开销，实现逆变器开关频率恒定、降低噪声，便于电磁兼容设计，进而提高本发 明的五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机短路故障状态下的动态性能和可靠性。
[0007] 本发明的方法的技术方案为：
[0008] 当电机的相数m = 5时分为A、B、C、D、E五相，该圆筒直线电机为五相内嵌式混合 磁材料容错圆筒直线电机，其短路容错矢量控制方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1，当电机发生A相短路故障时，使用电机剩余非故障相电流补偿短路故障相 导致该相正常推力缺失，根据求得的电流求取剩余的四个非故障相坐标到两相静止坐标变 换的推广克拉克变换矩阵T 4s/2s及其逆变换矩阵T 2s/4s，定义两相静止坐标系到同步旋转坐 标系的变换矩阵(：2；3/&及其逆变换矩阵C W2s;
[0010] 步骤2,建立五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机相开路故障状态下在同步 旋转坐标系上的数学模型；
[0011] 步骤3,使用非故障相电流抑制短路故障相电流导致的推力波动，求取用于抑制故 障相短路电流导致推力波动的非故障相的短路补偿电流（i" B、i" e、i" D、i" E)，采用推 广克拉克变换矩阵T4s/2s将该电流（i" B、i" e、i" D、i" E)变换到两相静止坐标系上的短 路补偿电流（i" a、i" e、i" z);
[0012] 步骤4,使用步骤1获得的推广克拉克变换矩阵T4s/2s将在自然坐标系上采样的剩 余四相非故障相电流（i B、ie、iD、iE)变换到两相静止坐标系上的电流。、广 z)， 并将该电流减去步骤3中获得的电流（i" a、i" e、i" z)得到（1。、％、〇，采用派克变 换矩阵C2s/d# (i a、ie、iz)变换到旋转坐标系上的电流（id、i q、iz);
[0013] 或步骤4,将在自然坐标系上采样到的剩余四相非故障相电流（iB、ic、i D、iE)，同 用于抑制短路电流导致推力波动的非故障相的短路补偿电流a" B、i" e、i" D、i" E)相 减得到B、y ε、y D、y E)，采用推广克拉克变换矩阵T4s/2s和派克变换矩阵C 2；3/&将 (i' B、i' c、i' D、i' E)变换到旋转坐标系上的电流（id、iq、iz);
[0014] 步骤5,将旋转坐标系下的电流指令?《_ ip和旋转坐标系上的反馈电流（id、 iq、iz)的差值经电流调节器得到旋转坐标系上的电压指令、<.、〃=>，采用派克逆变换 矩阵C w2s将该电压指令变换到两相静止坐标系上的电压（\
[0015] 步骤6,为使该电机产生用于抑制短路电流导致推力波动的非故障相补偿电流 (i" B、i" e、i" D、i" E)，根据A相短路电流和A相反电势的关系以及短路补偿电流的数学 表达方式，定义剩余非故障相的短路补偿电压
使用推广克拉克变换矩阵T4s/2$所述补偿电压变换到两相静止坐标系上的短路补偿电压
[0016] 步骤7,将两相静止坐标系上的电压指令（<、： <、<)与（<>:<、<)湘加得
使用推广克拉克逆变换矩阵T2s/4s将（"；；、<、f )变换到自然坐标 系上的电压指令^4、再和各相反电势相加得到期望相电压指令(<、#、 .电** >,· 「j、^E, ^
[0017] 或步骤7,采用推广克拉克逆变换矩阵T2s/4s将两相静止坐标系上的电压指令 (<、<·、<)变换到自然坐标系上的电压指令屯、4)，然后和剩余非故障 相的补偿电压（u" B、u" e、u" D、u" E)相加，再和各相反电势相加得期望相电压指令 中氺 -i-ψ .岑 ￥ 、 i 'M,：g % > ?")、"￡);
[0018] 步骤8,将步骤7所得到的期望相电压指令经电压源逆变器采用基于零序电压谐 波注入的CPffM调制实现五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机一相短路故障后无扰容 错矢量运行。
[0019] 本发明具有以下有益效果：
[0020] 1、本发明的永磁体采用内嵌方式安装在次级上，结构简单、可靠性高（永磁体不 会因为推力过大而从次级上脱落、牢固性好）、推力大、推力密度高、效率高、恒功率范围宽、 有较大的弱磁调速范围。
[0021] 2、电机初级上电枢绕组采用圆盘状集中绕组，绕线方便且没有端部绕组，减小了 电机电阻和铜耗，且能提高电机效率。每个初级电枢齿两侧的槽里只放置一套绕组，容错齿 上没有绕组，起到了对电机相