一种五相容错永磁游标电机的控制方法与流程

本发明涉及电机领域，特别是一种五相容错永磁游标电机的控制方法。

背景技术：

永磁材料的发展推动了永磁电机的发展，其优势在于永磁体的高效稳定性一定程度上提高了整个电机的效率和功率密度。其中转矩密度也是体现电机性能的重要指标，然而传统永磁电机为了提高转矩性能，电机在体积上的增加必然降低了转矩密度。新型磁齿轮结构的永磁电机不仅克服了传统机械齿轮结构所带来的噪声、振动、损耗等方面的问题，而且大幅提高了转矩密度。因此，这种新型磁齿轮结构与永磁电机相结合的永磁游标电机得到了广泛关注和研究。随着对驱动系统可靠性、电机转矩性能要求的不断提高，具有高容错性能的永磁容错电机成为国内外高校以及研究机构的研究热点。其中，多相永磁容错电机的高效率、功率密度及优越的容错性能尤为突出。除了容错性能，驱动控制技术对电机在低速区间的转矩性能也提出了更高的要求。传统的电机通过减少频率、增大极对数来达到低速大转矩。但是，这样的解决方案势必会因为感应电势的下降，电机的体积和容量需不断增加，从而提高了电机成本，降低了运行效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种五相容错永磁游标电机的控制方法，采用容错闭环控制系统，通过电流滞环控制器控制功率驱动电路，实现电机跟随外部给定电流。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种五相容错永磁游标电机的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、给定转速ωref与实测转速ω的差值，作为pid调节器的输入；

步骤二、对电机进行pid调节，输出交轴和直轴电流id、iq，作为帕克变换的输入；

步骤三、利用帕克变换，将dq坐标系下的电流id、iq转换成静止坐标系的五相电流

步骤四、将电流与电机实际反馈的电流进行比较，通过滞环比较器控制开关器件的关断，从而保证驱动电路pwm的输出，完成五相容错永磁游标电机的控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明是基于容错永磁游标电机的控制方法，该电机集永磁电机的高效率、游标电机的高转矩和容错电机的高可靠性特点为一体；2)本发明对比三相电机系统，多相电机驱动控制系统具有谐波干扰少、转矩脉动小、转矩性能高等优势，并且多相电机本身的结构设计就有一定的容错率，比三相电机带故障运行更加平稳。

附图说明

图1为容错永磁游标电机的控制方法原理框图。

图2为五相容错游标电机的整体系统控制图。

图3为五相电机空间坐标系图。

图中编号所代表的含义为：1为pid调节器，2为park变换模块，3为电流滞环控制器，4为五相容错永磁游标电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明的一种五相容错永磁游标电机的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、给定转速ωref与实测转速ω的差值，作为pid调节器的输入；

步骤二、对电机进行pid调节，输出交轴和直轴电流id、iq，作为帕克变换的输入；

步骤三、利用帕克变换，将dq坐标系下的电流id、iq转换成静止坐标系的五相电流

步骤四、将电流与电机实际反馈的电流进行比较，通过滞环比较器控制开关器件的关断，从而保证驱动电路pwm的输出，完成五相容错永磁游标电机的控制。

下面进行更详细的描述。

如图1所示是容错永磁游标电机的控制方法原理框图。

电机和驱动控制系统的进步对控制算法的要求进一步提高，当系统发生故障时，容错控制算法可以有效地保证其正常运行，避免故障引起的损失。系统连续性、可靠性的研究从三个方面深入：从多相容错永磁电机本身的结构设计出发，提高电机本体容错率，比三相电机带故障运行更加平稳；容错驱动控制硬件电路拓扑结构的不断完善和革新，也提高了整个电机系统容错运行的能力；电机驱动控制系统通过容错控制策略，利用其它相仍然可以正常运行。容错控制策略在不改变硬件电路的基础上，降低了电机整体系统的成本，避免了额外增加电路所带来的故障发生率，改善了电机的转矩性能、转矩脉动下降。

电机绕组发生一相开路故障，保持旋转磁动势前后不变，基于不同约束条件下，通过改变正常相的电流能够保证电机的转矩性能，提高整体系统的连续性、可靠性。电机绕组发生两相开路故障，针对不同的故障情况分别提出相邻两相开路和不相邻两相开路故障时的控制算法。其次，由于多相永磁容错电机的短路容错控制算法相对较少，本文也对一相短路故障提出了新的控制算法。短路故障因短路电流的存在，给控制算法提出了更高的要求。与开路故障相比，绕组发生短路故障对电机转矩性能以及转矩脉动的影响可分为两个部分。一方面，短路电流的存在对其他正常相的影响，转矩脉动增大；另一方面短路故障引起的故障相转矩缺失，降低了电机整体转矩性能。因此，短路容错控制算法需对应地提出了补偿措施。最终将这两部分的电流补偿算法做矢量合成，得到五相容错永磁游标电机一相短路容错控制算法。

1.正常状态控制算法

二十世纪六七十年代，国外学者就提出了针对三相电机的矢量控制算法。此算法的思路是将交流电机模型通过坐标变换等效为直流电机，便于控制系统的简化，控制算法的实现。如图2所示的五相容错永磁游标电机整体系统控制框图，控制原理的步骤是：

步骤一、给定转速ωref与实测转速ω的差值，作为pid调节器的输入；

步骤二、经过pid调节，输出交轴和直轴电流id、iq，作为帕克变换的输入；

步骤三、利用park变换后，将dq坐标系下的电流id、iq转换成静止坐标系的五相电流

步骤四、电流与电机实际反馈的电流相比较，通过滞环比较器控制开关器件的关断，从而保证驱动电路pwm的输出，最终的电机电流能够跟随给定值。

分析的电机模型中，空载反电势呈现高度正弦，因此，五相容错永磁游标电机的空载反电势为：

式中五相容错永磁游标电机反电动势最大值e，电角速度ω。

电机电流控制方式有四种恒磁链控制，控制，最大转矩电流比和id＝0控制。由于电机的反电势正弦度高，为了保证得到最大的输出，采用id＝0控制方式，五相电流的相位与各反电势的相位相同。电流表示为：

式中各相电流的最大值为i。

2.一相开路状态容错控制算法

根据五相容错永磁游标电机的容错性能分析以及短路电流波形可知电机的相间干扰很小。电机绕组发生一相故障时，基于旋转磁动势前后保持一致，利用正常相的电流能够保证电机的转矩性能，提高整体系统的连续性、可靠性，改善电机带故障运行的能力。根据(1)和(2)式列出五相容错永磁游标电机的磁动势如下：

式中每相绕组的匝数为n，电机位置角为φ。由(3-3)式将每相的磁动势相加，得到五相容错永磁游标电机的总的磁动势mmf1如下：

将(3-3)代入(3-4)，经过计算整理和推导得到下式：

2.1铜耗最小约束条件下的容错控制

电机故障发生在某相绕组处，这一相电流的缺失必然会导致正常转矩的下降，转矩脉动也随之增大。如果要保持转矩性能，需要通过其他非故障相电流的幅值和相位的调整，保持前后磁动势的值和故障前一致。容错控制策略没有改变外围电路，避免了额外增加器件设备，降低成本的同时大大改善了电机的转矩性能。

假设绕组a相是故障发生相，可以设其它正常相故障后的电流为则(5)式可以改写为：

设故障后正常相的容错电流为：

式中x2、y2、x3、y3、x4、y4、x5和y5是未知数。根据上面(6)和(7)式，可得以下等式：

(8)式是四个方程八个未知数的方程组，这个方程组有无数个解。因此，为求得容错电流还需要一些约束条件。五相容错永磁游标电机的绕组连接方式是y型连接，所以即使有一相发生开路故障，其它相的电流和仍为零。则根据以上所假设的各相的电流可得：

i'b+i'c+i'd+i'e＝0(9)

将(7)式带入(9)可得：

由(8)和(10)式可知，这七个方程组成的方程组仍然是有无数组解的。以铜耗为目标的函数f，由(7)式中的电流值可以设函数为：

函数f表征故障发生后电机绕组所产生的铜耗值，以铜耗最小为约束条件，利用matlab中的工具“optimizationtool”，可以求得最终的容错控制算法电流结果。将(8)、(10)和(11)分别整理输入工具箱中，最终解得容错电流为：

2.1幅值相等约束条件下的容错控制算法

五相容错永磁游标电机的绕组连接方式是y型连接，中性点处的五相电流相加的结果为零，又基于电流幅值相等的约束条件，可得：

根据(7)和(13)式，可得到下列等式：

将(8)和(14)式组成方程组，这个方程组含有八个方程、八个未知数，可以得到唯一解，最终可以计算得到容错电流为：

3.两相开路状态容错控制算法

上一节主要研究分析了五相绕组中只有某一相发生故障，利用保持磁动势不变，分别基于铜耗最小、幅值相等约束条件，提出了一相开路故障下的容错控制算法。本节进一步分析更严重的绕组故障。

3.1相邻两相开路

设a、b两相开路，则当这两相发生开路故障后，基于磁动势前后不变，其他三相的容错控制电流为：

带入式(5)中可得：

五相电机y型绕组连接方式绕组的中性点处电流和为零，则：

i'c2+i'd2+i'e2＝0(18)

由(16)和(18)式可得以下等式：

由(17)和(19)组成的方程组有唯一解：

3.2不相邻两相开路

设b、e两相开路，则当这两相发生开路故障后，基于磁动势前后不变，其他三相的容错控制电流为：

代入(3-7)式中可得：

五相电机y型绕组连接方式绕组的中性点处电流和为零，则：

i'a2+i'c2+i'd2＝0(23)

由(21)和(23)式可得以下等式：

由(22)和(24)组成的方程组有唯一解：

4.一相短路状态下容错控制算法

前两节提出了五相容错永磁游标电机绕组发生一相开路和两相开路容错控制算法，而多相永磁容错电机的短路容错控制算法相对较少，短路故障也因为短路电流的存在，转矩脉动上升，转矩性能下降。短路电流对其它相的影响增加，给控制算法提出了更高的要求。本节针对五相容错永磁游标电机，当短路故障出现在绕组处，提出了短路容错控制算法。

与开路故障相比，绕组发生短路故障对电机转矩性能以及转矩脉动的影响可分为两个部分。一方面，短路电流的存在对其他正常相的影响，转矩脉动增大；另一方面由于短路故障，故障相转矩缺失，降低了电机整体转矩性能。因此，短路容错控制算法对应的提出了补偿措施。一部分，利用正常相的电流补偿短路电流引起的脉动，保持旋转磁动势为零，降低整体转矩脉动；另一部分，由于短路相的缺失降低了整体转矩，利用正常相电流补偿转矩，保证故障前后旋转磁动势不变，整体转矩达到正常值。最终将这两部分的电流补偿算法做矢量合成，得到五相容错永磁游标电机一相短路容错控制算法。