五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方法。根据故障前后行波磁动势不变以及非故障相电流和为零的原则，以不相邻两相电流幅值相等作为约束条件，求出非故障相容错电流，从而推导出非故障相所在自然坐标系到两相静止坐标系变换的推广克拉克变换矩阵；采用该变换矩阵的转置矩阵观测出非故障相反电势；采用电流内模控制器、一阶惯性前馈电压补偿器、反电势观测器将该类电机在相邻两相开路故障状态下的非线性强耦合系统变换为一阶惯性系统。本发明不但抑制了电机故障导致的推力波动，而且更为关键的是其动态性能、稳态性能和正常状态下的性能一致，实现了无超调快速响应，且电压源逆变器开关频率恒定。
【专利说明】
五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制 方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种永磁直线电机相邻两相开路故障容错控制方法，特别是五相容错 永磁直线电机相邻两相开路故障容错矢量控制方法。适用于航空航天、电动汽车、深海、医 疗器械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W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 架系统的核屯、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] 容错电机在某一相或某两相发生开路故障时，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201510075347.7的 专利《一种用于五相容错永磁直线电机的容错控制方法》针对五相容错表贴式永磁直线电 机一相开路故障，根据故障前后旋转磁动势幅值和相角不变W及剩余正常相电流幅值相等 的原则，W相电流和等于零为约束条件，优化剩余非故障相的相电流;再由该非故障相电流 求出非故障相坐标系到两相静止坐标系变换的推广派克矩阵及其逆变换矩阵;从而实现五 相容错永磁直线电机一相开路故障情况下的矢量控制。但该方法无法实现五相电机两相开 路故障情况下的矢量控制。中国发明专利申请号为201410492490.1的专利《基于铜耗最小 原则的五相磁通切换电机容错控制方法》针对五相磁通切换电机两相开路故障，W电磁转 矩和给定转矩相等W及电流和为零为约束条件，W铜耗最小为目标求出非故障相电流，但 是仅仅给出容错电流没有给出具体的控制方法。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W及对电机动态性能要求高的场合。
【发明内容】
[0004] 针对现有电机容错控制技术中存在的不足，W及本发明提出的五相永磁体内嵌式 容错直线电机的特性和该类电机相邻两相开路故障特点，本发明目的是克服电机相邻两相 开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，现有容错矢量控制策略无法实现两 相开路故障情况下容错运行的缺陷，W及传统电流PI控制由于响应快速性和超调的矛盾引 起参数调节困难的问题，提出一种用于本发明的五相永磁体内嵌式容错直线电机的相邻两 相开路容错矢量控制方法，实现了反电势的精确估算，降低控制器参数调节难度，实现该类 电机系统在相邻两相开路故障状态下的高容错性能、高动态性能、电流良好跟随性，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 永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路故障状态下的动态性能和可靠性。
[0005] 本发明用于五相永磁体内嵌式容错直线电机的容错矢量控制方法采用如下技术 方案：
[0006] -种用于五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方法，包括 W下步骤：
[0007] 步骤1，建立五相永磁体内嵌式容错直线电机模型；
[000引步骤2,永磁体内嵌式容错直线电机分为A、B、C、D、E运五相，当电机发生C相和D相 开路故障时，根据电机故障前后行波磁动势不变原则W及剩余非故障相电流之和为零的约 束条件，再由不相邻两相B相和E相电流幅值相等作为约束条件，求出故障后电机容错运行 的非故障相电流；
[0009] 步骤3,根据非故障相电流，求取Ξ个非故障相自然坐标系到两相静止坐标系变换 的推广克拉克变换矩阵TpDst、逆变换矩阵W及转置矩阵;
[0010] 步骤4,建立五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两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5，采用推广克拉克变换矩阵TpDst将在自然坐标系下采样到的剩余Ξ相非故 障相电流变换到两相静止坐标系上的电流，运用派克变换矩阵C2s/2r将两相静止坐标系上的 电流变换到同步旋转坐标系上的电流；
[0012] 步骤6,设计一阶惯性前馈电压补偿器获得前馈补偿电压，同时该电流指令和反馈 电流的差值经电流内模控制器获得控制电压与前馈补偿电压相加得到同步旋转坐标系上 的电压指令，采用C2T/2S和将该电压指令变换到自然坐标系上的A相、B相和E相的电压指 令（i':、ul、)；
[OOU] 步骤7,采用及动子永磁磁链设计反电势观测器观测出非故障相反电 势；
[0014]步骤8,非故障的电压指令和非故障相反电势相加得期望相电压指令；
[001引步骤9,将期望相电压指令经电压源逆变器，采用CPWM调审巧法实现五相永磁体内 嵌式容错直线电机相邻两相开路故障后的无扰容错矢量运行。
[0016] 本发明具有W下有益效果：
[0017] 1、本发明在保证电机任意相邻两相开路故障前后电机输出推力相等的前提下，不 但能有效抑制电机推力波动，而且更为关键的是能使电机容错运行情况下的动态性能、电 流跟随性能和正常状态下的性能一致，并且无需复杂的计算，电压源逆变器开关频率恒定、 噪声低、CPU开销小，算法具有一定的通用性。
[0018] 2、由本发明中的剩余非故障相电流矢量推导出的推广克拉克变换矩阵和派克变 换矩阵能在相邻两相开路故障状态下将剩余非故障相的稳态电流变换到同步旋转坐标系 上无脉动的电流。而采用传统克拉克变换矩阵及帕克变换矩阵在相邻两相故障状态下只能 将剩余非故障相的电流变换到同步旋转坐标系上脉动的电流。
[0019] 3、推广克拉克变换矩阵和派克变换矩阵相结合实现了相邻两相开路故障状态下 剩余非故障相构成的自然坐标系到同步旋转坐标系的变换，为电机相邻两相开路故障状态 下的容错矢量控制创造了前提条件。
[0020] 4、推广克拉克变换矩阵的转置矩阵和派克逆变换矩阵和动子永磁磁链相结合设 计的反电势观测器实现了该类电机相邻两相开路故障情况下的反电势精确估算，从而实现 了该类电机相邻两相开路故障情况下的容错矢量运行。
[0021] 5、和电流PI控制器相比，电流内模控制器和推广克拉克逆变换矩阵、派克逆变换 矩阵、反电势观测器W及一阶惯性前馈电压补偿器相结合将该类电机在相邻两相开路故障 状态下的非线性强禪合系统变换为一阶惯性系统，降低了控制器参数整定难度，保证了该 类电机系统在相邻两相开路故障状态下电流跟随性能、稳态性能、动态性能，使电机动态性 能、稳态性能和电机故障前的性能一致，并且能够实现无超调快速响应。
[0022] 6、推广克拉克变换矩阵和派克变换矩阵W及零序电压谐波注入的CPWM调制相结 合，提高了该类电机相邻两相开路故障状态下逆变器母线电压利用率，同时减小了容错矢 量控制算法的复杂性，降低了 CPU开销。
[0023] 7、相邻两相开路容错矢量控制策略、反电势观测策略、电流内模控制策略、一阶惯 性前馈电压补偿策略、CPWM调制技术与五相永磁体内嵌式容错直线电机相结合，大大提高 了该电机在相邻两相开路故障状态下的容错性能、动态性能和稳态性能，节省了 CPU开销。 和电流滞环控制相比，降低了噪声，降低了电磁兼容设计难度。进而使得该电机在相邻两相 开路故障状态下控制精度高，电流跟随性能好，电机效率高、输出推力响应速度快且推力脉 动和故障前一样小，实现了电机系统的在相邻两相开路故障状态下的高可靠性W及高动态 性能。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明实施例五相永磁体内嵌式容错直线电机的结构示意图；
[0025] 图2为本发明实施例五相永磁体内嵌式容错直线电机矢量控制策略原理图；
[0026] 图3为本发明实施例五相永磁体内嵌式容错直线电机C相和D相开路容错矢量控制 原理图；
[0027] 图4为本发明实施例C相和D相开路故障情况下无容错和容错矢量运行时的相电流 波形；
[0028] 图5为本发明实施例C相和D相开路故障情况下无容错和容错矢量运行时的推力波 形；
[0029] 图6为本发明实施例无故障运行过程中推力指令阶跃时的同步旋转坐标系上的电 流波形；
[0030] 图7为本发明实施例无故障运行过程中推力指令阶跃时的电机输出推力波形；
[0031] 图8为本发明实施例C相和D相开路容错运行过程中推力指令阶跃时的同步旋转坐 标系上的电流波形；
[0032] 图9为本发明实施例C相和D相开路容错运行过程中推力指令阶跃时的电机输出推 力波形。
[0033] 图中：1.初级；2.次级；3.娃钢片;4.极靴;5.容错齿;6.电枢齿；7.端部齿;8.永磁 体;9.绕组线圈。
【具体实施方式】
[0034] 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。
[0035] 为了能够更加简单明了地说明本发明的五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两 相开路容错矢量控制方法的特点和有益效果，下面结合一个具体的五相永磁体内嵌式容错 直线电机来进行详细的表述。
[0036] 步骤1，建立五相永磁体内嵌式容错直线电机模型。
[0037] 如图1所示，本发明实施例的五相永磁体内嵌式容错直线电机结构示意图，包括初 级1、次级2。初级1中包括极靴4、电枢齿6、容错齿5和集中绕组线圈9,且电枢齿6和容错齿5 都为10个，次级2上内嵌有稀±永磁体8,初级巧日次级2之间存在气隙，初级1和次级2上除永 磁体、绕组和极靴之外的部分都是由娃钢片3轴向叠片而成，极靴4由电工纯铁制成，初级1 的两个端部齿7是不对称的，且比容错齿和电枢齿宽。
[003引在传统使用正弦波作为调制波的载波脉宽调制(CPWM)方法基础上，在五相正弦调 审峨中注入。日=-(111曰义(化)+111；[]1(化））/2的零序电压谐波(化是五相正弦调制波每一相函数） 的CPWM方法与五相SVPWM方法能获得相同的磁链控制效果。因此本发明采用基于注入零序 电压谐波的CPWM方法进行脉宽调制。
[0039] 五相永磁体内嵌式容错直线电机由电压源逆变器供电，该电机分为A、B、C、D、E运 五相，采用基于零序电压谐波注入的CPWM技术的矢量控制策略，零序电流控制为零，控制框 图见图2所示。电机正常状态稳态运行时，各相绕组电流可表示为
[0040]
(1)
[0041] 式中，Z；；、（分别是旋转坐标系d轴、q轴的电流指令，Θ为电角度0 = ]·^成，V直线 电机动子运动电速度，τ为极距。
[0042] 电机产生的行波磁动势(MMF)可表示为
[0043]
掛
[0044] 式中，a = eW"/5，N为各相定子绕组的有效应数。
[0045] 步骤2,当电机发生C相和D相开路故障时，根据电机故障前后行波磁动势不变原则 W及剩余非故障相电流之和为零的约束条件，再由不相邻两相B相和E相电流幅值相等作为 约束条件，求出故障后电机容错运行的非故障相电流。
[0046] 当电机相邻两相发生开路故障时，假设C相和D相发生开路故障。此时，电机的行波 磁动势由剩余的Ξ相非故障相绕组产生，可表示为
[0047]
贷）
[004引为实现电机相邻两相开路故障后无扰运行，需保持电机故障前后行波磁动势一 致，因此需调整剩余非故障相定子电流使电机故障前后行波磁动势的幅值与速度保持不 变。于是，令式(2)、式(3)的实部与虚部均相等。
[0049]电机绕组采用星形连接，且其中屯、点与直流母线电压的中屯、点不相连，因此，绕组 相电流之和为零。W相邻两相电流幅值相等为原则优化非故障相电流，假设
[00 加]
(4)
[0化1 ] 式中，Ib和Ie分别是財时蛇相电流幅值。
[0052]由上述约束条件优化非故障相电流，得电机容错运行的相电流指令为
[0059] 步骤3,根据非故障相电流，求取Ξ个非故障相自然坐标系到两相静止坐标系变换 的两行Ξ列的推广克拉克变换矩阵TpDst、S行两列的逆变换矩阵及转置矩阵Γρ?ι。
[0060] 根据式(8)定义两相静止坐标系到剩余非故障相自然坐标系的变换矩阵为
[0064] 式中，k = 0.386。
[0065] 由于绕组星形连接，其相电流之和为零，因此去掉式(9)第Ξ行和式（10)第Ξ列， 得
[0068]式(12)的转置矩阵为
[0069]
(13)
[0070] 步骤4,采用推广克拉克变换矩阵TpDst及其逆变换矩阵?二将五相永磁体内嵌式容 错直线电机相邻两相开路故障状态下在自然坐标系上的模型变换到同步旋转坐标系上的 数学模型。
[0071] 由于零序子空间的电流为零，不需要将其变换到同步旋转坐标系；基波子空间需 要进行能量转换，因此将基波子空间的能量转换到同步旋转坐标系。因此定义两相静止坐 标系到同步旋转坐标系的变换矩阵C2s/2r及其逆变换矩阵C2r/2s分别为
[0074] 由于该容错永磁直线电机的相电感的互感相对自感很小，可忽略不计，假设相电 感近似为常数，假设电机反电势为正弦波。反电势矢量角是由每相绕组在空间的位置决定 的，因此反电势不能像电流一样使用本发明提出的坐标变换矩阵。因此，为了实现该类容错 永磁直线电机在C相和D相开路故障状态下的矢量控制，该电机开路故障状态下在自然坐标 系下的模型可表示为
[0075]
(16)
[0076] 采用坐标变换矩阵Tpost和C2S/2T将式（16)变换到同步旋转坐标系
[0077]
(17)
[007引式中ω =3?ν/τ，τ为极距，V是次级运行电速度。
[0079] 采用磁共能法，由式（11)-(15)推导出该电机在相邻两相开路故障容错状态下推 力方程
[0080]
(化）
[00川式中，λη为永磁磁链，θ为电角度θ = /ω化。
[0082] 因此，只要在同步旋转坐标系下控制id、iq就能使本发明中的五相永磁体内嵌式容 错直线电机在故障状态下输出期望的推力。
[0083] 步骤5,使用推广克拉克变换矩阵TpDst将在自然坐标系下采样的剩余Ξ相非故障 相电流(iA、iB、iE)变换菌J两相静止坐标系上的电流(ia、ie)。
[0084] 采用派克变换矩阵C2s/山隐(ia、ie)变换到旋转坐标系上的电流(id、iq)。
[0085] 步骤6,设计一阶惯性前馈电压补偿器，同步旋转坐标系上的电流指令（祥、)经 一阶惯性环节^得补偿电压（的胃、<""'>
[0086]
〇))
[0087]电流指令（％、C)和反馈电流（id、iq)的差值经电流内模控制器
获得 控制电压(Ud0、Uq0)，将该电压与补偿电压相加得到同步旋转坐标系上的电压指令(《；；、< )
[008引
（20)
[0089] 步骤7,采用TpL和C2r/2sW及动子永磁磁链设计反电势观测器观测出非故障相反 电势（eA、eB、eE)
[0090]
斟）
[0091] 步骤8,采用C2T/2S和推广克拉克逆变换矩阵将（A',、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期望相电压指令("；、"Γ、咕、"：、省）
[oow]
脚
[0093] 步骤9,将期望相电压指令（皆、！Mp经电压源逆变器，采用CPWM调制方法实 现五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路故障后的无扰容错矢量运行。
[0094] 式（22)期望相电压经电压源逆变器采用基于零序电压谐波注入的CPWM调制实现 五相永磁体内嵌式容错直线电机C相和D相开路故障情况下的无扰容错运行。本发明提出的 高性能相邻两相开路故障容错矢量控制策略如图3所示。
[00M]当其它相邻两相发生开路故障时，只需将自然坐标系逆时针旋转化=〇、1、2、 3、4;C相和D相故障时，k = 0;D相和E相故障时，k=l;E相和A相故障时，k = 2;A相和B相故障 时，k = 3; B相和C相故障时，k = 4)电角度，此时派克变换矩阵及其逆变换矩阵分别为
[009引按图2和图3在Matlab/Simulink中建立图1所示五相永磁体内嵌式容错直线电机 的控制系统仿真模型，进行系统仿真，得五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路故 障容错矢量控制仿真结果。
[0099] 图4是C相和D相开路故障下相电流波形，0.1s开路故障发生，电流波形发生崎变， 0.2s施加本发明容错矢量控制策略，电流正弦度改善。图5是C相和D相开路故障下推力波 形，0.1s时开路故障发生，电机输出推力波动明显，0.2s施加本发明容错矢量控制策略，电 机输出推力脉动得到明显抑制，几乎没有脉动。图6和图7分别是电机正常运行过程中推力 指令发生阶跃变化时的同步旋转坐标系上的电流和电机输出推力响应，推力响应时间为 0.2ms。图8和图9是电机C相和D相发生开路故障情况下施加本发明容错矢量控制策略后推 力指令发生阶跃变化时的同步旋转坐标系上的电流和电机输出推力响应，可见故障情况下 同步旋转坐标系上的电流和电机正常情况下的一样，电机推力响应时间也是0.2ms。因此， 本发明五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路故障容错矢量策略能使电机具有正 常运行时的动态性能和稳态性能。另外，电流跟随性能好，实现了无扰容错运行。
[0100] 从W上所述可知，本发明用于五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错 矢量控制策略在电机驱动系统允许最大电流情况下，不但能保证相邻两相开路故障时电机 输出推力和正常状态下一致，而且能明显抑制电机相邻两相开路故障后的推力波动，更为 关键的是具有和故障前一样的动态性能、稳态性能和电流跟随精度，且适合任何相邻两相 发生开路故障的情况，通用性强，无需复杂计算，CPU开销小，电流调节器参数整定简单。因 此，本发明在电磁主动悬架系统等对运行可靠性要求高的系统中拥有很好的应用前景。
[0101] 虽然本发明已W较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不 脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，均属于本申请所附权利要求所 限定的保护范围。
【主权项】
1. 一种五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方法，其特征在 于，包括以下步骤： 步骤1，建立五相永磁体内嵌式容错直线电机模型； 步骤2,永磁体内嵌式容错直线电机分为A、B、C、D、E这五相，当电机发生C相和D相开路 故障时，根据电机故障前后行波磁动势不变原则以及剩余非故障相电流之和为零的约束条 件，再由不相邻两相B相和E相电流幅值相等作为约束条件，求出故障后电机容错运行的非 故障相电流；式中，ζ、?分别是旋转坐标系下d轴、q轴的电流指令，Θ为电角度 直线电 机动子运动电速度，τ为极距； 步骤3,根据非故障相电流，求取三个非故障相自然坐标系到两相静止坐标系变换的两 行三列的推广克拉克变换矩阵Tpcist、三行两列的逆变换矩阵^〖以及转置矩阵?；Lt步骤4,建立五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路故障状态下在同步旋转坐 标系上的数学模型； 步骤5,采用Tpcist和派克变换矩阵将在自然坐标系下采样到的剩余A相电流、B相电流和E 相电流变换到同步旋转坐标系上的电流(id、iq); 步骤6,设计一阶惯性前馈电压补偿器，获得前馈补偿电压（ ttrp、wr9 )，电流指令 :(<、ip和反馈电流（id、iq)的差值经电流内模控制器I得控制电压(UdQ、uqQ)，将 该电压与前馈补偿电压（相加得到同步旋转坐标系上的电压指令（《〕、<)，采 用C2r/2dP7=将该电压指令变换到自然坐标系上的Α相、Β相和Ε相的电压指令（<、 * * uB> uE ): 步骤7,采用:ist和c2r/2s以及动子永磁磁链设计反电势观测器观测出非故障相反电势 (θα、θβ、θε)步骤8,非故障相电压指令（<、<、< )和非故障相反电势(eA、eB、eE)相加得期望相 电压指令（<、<、《ρ步骤9,将期望相电压指令(<、<、<)经电压源逆变器，采用CP丽调制方法实现五 相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路故障后的无扰容错矢量运行。2.根据权利要求1所述五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方 法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为： 步骤4.1，本发明相电感近似为常数Ls，电机相电压减去反电势后，电机C相和D相开路故 障后在自然坐标系上的模型表示为式中，UA、UB和UE是电机非故障相的相电压;ΘΑ、ΘΒ和ΘΕ是电机非故障相的反电势;UAe、UBe、 和Ife是电机非故障相相电压分别减去各相反电势后的电压;R是相电阻； 步骤4.2，采用坐标变换矩阵Tpcis4PC2s/2d#自然坐标系上的电机相邻两相开路故障模 型变换到同步旋转坐标系上式中，ω = πν/τ，τ为极距，v是次级运行电速度；步骤4.3，米用磁共能法，由变换矩阵Tp〇st、^Jt、C2s/2r和C2r/2s推导出该电机在相邻两相 开路故障容错状态下的推力方程 式中，为永磁磁链。3. 根据权利要求1所述五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方 法，其特征在于，所述步骤6的具体过程为： 步骤6.1，设计一阶惯性前馈电压补偿器，同步旋转坐标系上的电流指令（/〕、< )经一 阶惯性环节获得前馈补偿电压（)步骤6.2，电流指令（^、<)和反馈电流(1<1、1(1)的差值经电流内模控制器控制电压(udQ、uqQ)，将该电压与前馈补偿电压（<' ^^相加得同步旋转坐标系上的电 压指令（"，、：?〉4. 根据权利要求1所述五相永磁体内嵌式容错直线电机相邻两相开路容错矢量控制方 法，其特征在于，所述相邻两相开路容错矢量控制方法还适用于五相容错永磁旋转电机控 制系统。
【文档编号】H02P21/00GK106059442SQ201610592151
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月26日 公开号201610592151.X, CN 106059442 A, CN 106059442A, CN 201610592151, CN-A-106059442, CN106059442 A, CN106059442A, CN201610592151, CN201610592151.X
【发明人】周华伟, 刘国海, 赵文祥, 陈前, 徐亮, 陈龙
【申请人】江苏大学