五相永磁同步电机绕组端部短路故障的低转矩波动容错控制策略

1.本发明涉及一种多相永磁同步电机绕组故障容错控制技术，属于电机领域。


背景技术：

2.五相永磁同步电机相比传统三相永磁同步电机具有相冗余特性，能够在一相或多相绕组发生故障后，通过切换电机控制策略，实现故障下的容错运行。为了提升五相永磁同步电机的容错能力和故障容错状态下的运行性能，电机常采用开绕组形式，配合全桥或五相六桥臂逆变器进行驱动，最大程度上保证了电机各相之间独立运行，当电机某相或某些相绕组发生故障后，其余相能够不受故障的影响。电机绕组端部短路故障通常是由逆变器开关管短路，电机绕组线圈绝缘不良等原因造成的，当发生绕组端部短路故障时，电机的平均输出转矩下降，而且旋转的转子永磁磁场在故障相绕组中感应出不可控的短路电流，该短路电流会造成电机转矩波动大幅上升，导致系统机械震动严重，输出转矩性能和运行稳定性下降。


技术实现要素：

3.本发明目的是为了解决五相永磁同步电机在发生一相绕组端部短路故障后，电机输出的平均转矩下降，转矩波动大幅上升，导致电机输出转矩品质下降的问题，提供了五相永磁同步电机绕组端部短路故障的低转矩波动容错控制策略。
4.本发明所述五相永磁同步电机绕组端部短路故障的低转矩波动容错控制策略，五相永磁同步电机在a相绕组发生端部短路故障时的容错控制策略为：
5.调整b，c，d，e相绕组电流按：
[0006][0007]
进行工作，以抑制a相绕组端部短路故障造成的输出平均转矩下降和转矩波动上升；
[0008]
式中：ib′
、ic′
、id′
、ie′
分别为调整后的b、c、d、e相绕组电流；
[0009]ib_i
′
、i
c_i
′
、i
d_i
′
、i
e_i
′
为b、c、d、e相转矩波动抑制电流，利用四相转矩波动抑制电流合成的磁动势来消除故障相短路电流产生的磁动势中的转矩波动项，从而抑制故障相短路电流造成的转矩波动；
[0010]ib_ii
′
、i
c_ii
′
、i
d_ii
′
、i
e_ii
′
为b、c、d、e相转矩补偿电流，利用四相转矩补偿电流合
成的磁动势与电机正常状态下定子五相电流合成的磁动势相同，来确保电机输出正常运行状态下的平均转矩。
[0011]
优选地，b、c、d、e相转矩波动抑制电流i
b_i
′
、i
c_i
′
、i
d_i
′
、i
e_i
′
按下式获取：
[0012][0013][0014]
其中：ωe为电机的电角速度；ia"为a相绕组在发生端部短路故障后的稳态短路电流幅值。
[0015]
优选地，b、c、d、e相转矩补偿电流i
b_ii
′
、i
c_ii
′
、i
d_ii
′
、i
e_ii
′
按下式获取：
[0016][0017]
式中，im为正常状态下b、c、d、e相绕组中电流的幅值。
[0018]
优选地，a相绕组在发生端部短路故障后的稳态短路电流幅值ia"按
[0019]
获取，
[0020]
式中，n为a相绕组串联匝数，ξ
w4
为基波绕组因数，φ
pm
为与a相绕组交链的永磁磁通，ra为a相绕组电阻，l
aa
为a相绕组自感。
[0021]
优选地，五相永磁同步电机绕组的相间互感数值不高于自感的4％，其中a相绕组与其它绕组的相间互感值应满足下式：
[0022][0023]
式中：m
ab
为a相与b相绕组之间的互感，m
ac
为a相与c相绕组之间的互感，m
ad
为a相与d相绕组之间的互感，m
ae
为a相与e相绕组之间的互感，l
aa
为a相绕组自感。
[0024]
优选地，五相永磁同步电机空载反电势谐波畸变率thd
emf
低于15％，空载反电势谐波畸变率thd
emf
按下式获取：
[0025][0026]
式中：e1为空载反电势基波幅值，ei为空载反电势i次谐波幅值，i为空载反电势谐波次数。
[0027]
优选地，在电机正常运行状态下，即未发生绕组端部短路故障时，电机a、b、c、d、e相绕组电流为：
[0028]
ia＝imcos(ωet)
[0029][0030][0031][0032][0033]
式中：ia，ib，ic，id，ie分别为正常运行状态下电机a、b、c、d、e相绕组电流，im为正常状态下b、c、d、e相绕组中电流的幅值。
[0034]
优选地，五相永磁同步电机转子采用表贴式永磁体，具体可采用的表贴式永磁体类型包括：瓦形永磁体、正弦型永磁体、偏心型永磁体或halbach阵列永磁体。
[0035]
优选地，采用五相全桥或五相六桥臂逆变器为五相永磁同步电机供电。
[0036]
本发明的有益效果：本发明公开五相永磁同步电机绕组端部短路故障的低转矩波动容错控制策略，应用该策略进行容错控制时要求五相永磁同步电机满足以下两个条件：第一、电机相间互感不高于自感的4％，相间几乎不存在磁耦合，当电机发生一相绕组端部短路故障时，故障相和剩余正常相绕组电流不会相互影响；第二、电机反电势谐波畸变率低
于15％，电机空载反电势波形正弦度较高，电机在发生一相绕组端部短路故障时，由于电机空载反电势波形接近正弦，故障相电流波形也接近正弦。
[0037]
采用本发明策略不仅能够有效降低五相永磁同步电机一相绕组端部短路故障造成的转矩波动，还能够提升电机在故障容错状态下的平均输出转矩。
附图说明
[0038]
图1是五相永磁同步电机的绕组空间排布方式图；
[0039]
图2是五相全桥逆变器拓扑示意图；
[0040]
图3是五相六桥臂逆变器拓扑示意图；
[0041]
图4是采用10槽8极单层分数槽集中绕组的五相永磁同步电机各相自感与互感波形图(以a相为例)；其中图4(a)为ab相互感和a相自感波形图，图4(b)为ac相互感和a相自感波形图，图4(c)为ad相互感和a相自感波形图，图4(d)为ae相互感和a相自感波形图；
[0042]
图5是转子采用halbach永磁体阵列的10槽8极单层分数槽集中绕组五相电机空载反电势波形及谐波分析(以a相为例)；其中图5(a)为空载反电势波形，图5(b)为谐波波形；
[0043]
图6是a相绕组发生端部短路故障后，a相绕组中的短路电流波形图；
[0044]
图7是a相绕组发生端部短路故障后，剩余b，c，d，e相绕组中通入的故障容错电流波形图；
[0045]
图8是电机在正常运行状态下，a相绕组端部短路故障不控状态下，以及a相绕组端部短路故障容错状态下的转矩波形对比图。
具体实施方式
[0046]
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0048]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0049]
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述五相永磁同步电机绕组端部短路故障的低转矩波动容错控制策略，五相永磁同步电机在a相绕组发生端部短路故障时的容错控制策略为：
[0050]
调整b，c，d，e相绕组电流按：
[0051]
[0052]
进行工作，以抑制a相绕组端部短路故障造成的输出平均转矩下降和转矩波动上升；
[0053]
式中：ib′
、ic′
、id′
、ie′
分别为调整后的b、c、d、e相绕组电流；
[0054]ib_i
′
、i
c_i
′
、i
d_i
′
、i
e_i
′
为b、c、d、e相转矩波动抑制电流，利用四相转矩波动抑制电流合成的磁动势来消除故障相短路电流产生的磁动势中的转矩波动项，从而抑制故障相短路电流造成的转矩波动；
[0055]ib_ii
′
、i
c_ii
′
、i
d_ii
′
、i
e_ii
′
为b、c、d、e相转矩补偿电流，利用四相转矩补偿电流合成的磁动势与电机正常状态下定子五相电流合成的磁动势相同，来确保电机输出正常运行状态下的平均转矩。
[0056]
五相永磁同步电机采用开绕组形式，各相绕组空间排布如图1所示，采用如图2所示的五相全桥逆变器或如图3所示的五相六桥臂逆变器拓扑驱动五相电机，为每相绕组独立供电。电机在正常运行状态下，即未发生一相绕组端部短路故障时的各相电流为：
[0057]
ia＝imcos(ωet)
[0058][0059][0060][0061][0062]
其中，ia，ib，ic，id，ie分别为正常运行状态下a，b，c，d，e相绕组电流，各相电流幅值相等，均为im；ωe为电机的电角速度。
[0063]
此时，电机正常状态下定子五相电流合成的磁动势f
nor
为：
[0064][0065]
其中，b4为合成磁动势系数，θ为空间位置角。由上式可以看出，正常运行状态下五相电机的合成磁动势可以等效为空间旋转的相量。
[0066]
当五相永磁同步电机相间互感较小时，即相间互感数值不高于自感的4％，电机相间几乎不存在磁耦合，因此，当电机发生一相绕组端部短路故障时，故障相和剩余正常相绕组电流不会相互影响。此外，若电机空载反电势波形正弦度较高，即反电势谐波畸变率thd
emf
低于15％，电机在发生一相绕组端部短路故障时，由于电机空载反电势波形接近正弦，故障相电流波形也接近正弦。
[0067]
以a相绕组发生端部短路故障为例(其它相故障与a相处理方案相同)，给出故障相稳态短路电流ia"的表达式：
[0068][0069]
式中，n为a相绕组串联匝数，ξ
w4
为基波绕组因数，φ
pm
为与a相绕组交链的永磁磁通，ra为a相绕组电阻，l
aa
为a相绕组电感，θ0为发生短路故障时永磁转子d轴与a相绕组轴线之间的夹角，因此a相绕组在发生端部短路故障后的稳态短路电流幅值ia"按获取。
[0070]
当电机处于a相绕组端部短路故障不控状态时，合成磁动势f
fau
为：
[0071][0072]
其中cos(ωet-4θ)项与sin(ωet-4θ)项对应的磁动势空间旋转方向相同，将f
fau
与f
nor
对比可知，cos(ωet-4θ)项对应的磁动势与电机输出平均转矩成正比，而sin(ωet-4θ)项对应的磁动势既不会产生平均转矩也不会产生转矩波动。类似地，cos(ωet+4θ)项和sin(ωet+4θ)项对应的磁动势空间旋转方向相同，但cos(ωet+4θ)项、sin(ωet+4θ)项对应的磁动势空间旋转方向与cos(ωet-4θ)项、sin(ωet-4θ)项对应的磁动势空间旋转方向相反，因此，cos(ωet+4θ)项和sin(ωet+4θ)项对应的磁动势不仅不能产生输出转矩，还会造成转矩波动。进一步分析cos(ωet+4θ)项和sin(ωet+4θ)项的系数可以看出，cos(ωet+4θ)项的系数为(-b4im/2)，sin(ωet+4θ)项的系数为(-b4ia"/2)，因此，当电机发生一相绕组端部短路故障时，电机的转矩波动上升一方面是由短路相故障电流造成的，另一方面是由电机一相绕组发生故障后，剩余正常相绕组电流无法合成圆形旋转磁动势造成的。
[0073]
为了对电机绕组端部短路故障进行容错控制，当电机a相绕组发生端部短路故障时，向剩余的b，c，d，e相绕组中通入故障容错电流，分别为ib'，ic'，id'和ie'：
[0074][0075]
由上式可以看出，各相绕组的故障容错电流均包含两部分，即b相绕组故障容错电流ib'包含i
b_i
'和i
b_ii
'，c相绕组故障容错电流ic'包含i
c_i
'和i
c_ii
'，d相绕组故障容错电流id'包含i
d_i
'和i
d_ii
'，e相绕组故障容错电流ie'包含i
e_i
'和i
e_ii
'。
[0076]
给出i
b_i
'，i
c_i
'，i
d_i
'，i
e_i
'如下式所示：
[0077][0078][0079]
推导b、c、d、e相转矩波动抑制电流i
b_i
'，i
c_i
'，i
d_i
'，i
e_i
'的合成磁动势f
ftc_i
如下式所示：
[0080][0081]
当a相发生绕组端部短路故障时，由故障相短路电流产生的磁动势fa"为：
[0082][0083]
对比fa"和f
ftc_i
可以看出，f
ftc_i
中的sin(ωet+4θ)项与fa"中的sin(ωet+4θ)项系数之和为零，两者可以相互抵消，即f
ftc_i
可以消除fa"中造成转矩波动的sin(ωet+4θ)项，从而抑制故障相短路电流造成的转矩波动，因此i
b_i
'，i
c_i
'，i
d_i
'，i
e_i
'为转矩波动抑制电
流。
[0084]
给出i
b_ii
'，i
c_ii
'，i
d_ii
'，i
e_ii
'如下式所示：
[0085][0086]
推导b、c、d、e相转矩补偿电流i
b_ii
'，i
c_ii
'，i
d_ii
'，i
e_ii
'的合成磁动势f
ftc_ii
如下式所示：
[0087][0088]
对比f
ftc_ii
和f
nor
可以看出，f
ftc_ii
与f
nor
相同，即i
b_ii
'，i
c_ii
'，i
d_ii
'，i
e_ii
'能够合成正常运行状态下的磁动势，从而确保电机输出正常运行状态下的平均转矩，因此，i
b_ii
'，i
c_ii
'，i
d_ii
'，i
e_ii
'为转矩补偿电流。
[0089]
将fa"，f
ftc_i
和f
ftc_ii
进行叠加可以获得在a相绕组端部短路故障容错状态下的电机定子五相电流合成磁动势f
ftc
，如下式所示：
[0090][0091]
对比f
ftc
和f
nor
可以看出，应用五相永磁同步电机绕组端部短路故障的低转矩波动容错控制策略后，电机能够合成正常运行状态下的旋转磁动势，即上式中cos(ωet-4θ)项。上式中的sin(ωet-4θ)项空间旋转方向与cos(ωet-4θ)项相同，不会造成故障容错状态下
电机转矩波动上升。f
ftc
中不含与cos(ωet-4θ)项空间旋转方向相反的磁动势分量，即不含有cos(ωet+4θ)项和sin(ωet+4θ)项，因此能够实现低转矩波动容错控制。
[0092]
综上所述，b，c，d，e相绕组故障容错电流ib'，ic'，id'和ie'为：
[0093][0094][0095][0096][0097][0098]
将ib'，ic'，id'和ie'作为b，c，d，e相绕组的工作电流，能抑制a相绕组端部短路故障造成的输出平均转矩下降和转矩波动上升。
[0099]
具体实施方式二：下面结合图1至图8给出一个具体实施例来说明本实施方式，本实施方式所述五相永磁同步电机绕组端部短路故障的低转矩波动容错控制策略，五相永磁同步电机采用开绕组形式，各相绕组空间排布如图1所示，采用如图2所示的五相全桥逆变器或如图3所示的五相六桥臂逆变器拓扑驱动五相电机，为每相绕组独立供电。电机在正常运行状态下，即未发生一相绕组端部短路故障时的各相电流为：
[0100]
ia＝60cos(ωet)
[0101][0102][0103]
[0104][0105]
其中，ia，ib，ic，id，ie分别为正常运行状态下a，b，c，d，e相绕组电流，各相电流幅值相等，均为60a，即im＝60a。
[0106]
由于五相永磁同步电机采用10槽8极单层分数槽集中绕组，电机相间互感相比自感很小，如图4所示，以a相绕组为例，a相绕组的自感、互感以及互感与自感的比值如表1所示：
[0107]
表1
[0108]
l
aamabmacmadmae
913.91uh16.89uh5.71uh5.71uh16.90uhm
ab
/l
aamac
/l
aamad
/l
aamae
/l
aa-1.85％0.62％0.62％1.85％-[0109]
在表1中，l
aa
为a相绕组自感，m
ab
为a相绕组与b相绕组之间的互感，m
ac
为a相绕组与c相绕组之间的互感，m
ad
为a相绕组与d相绕组之间的互感，m
ae
为a相绕组与e相绕组之间的互感。
[0110]
较小的互感表明电机相间几乎不存在磁耦合，因此，当电机发生一相绕组端部短路故障时，故障相和剩余正常相绕组电流不会相互影响。
[0111]
此外，电机转子采用halbach永磁体阵列，电机空载反电势波形正弦度较高，如图5所示，由反电势的谐波分析可以看出，反电势中仅含有少量的7次和13次谐波，空载反电势谐波畸变率thd
emf
等于6.35％。由于电机空载反电势波形接近正弦，当电机发生一相绕组端部短路故障时，故障相电流波形也接近正弦，以a相绕组发生端部短路故障为例，给出故障相稳态短路电流波形如图6所示，a相绕组短路电流表达式为：
[0112]
ia″
＝-60.66sin(ωet)
[0113]
其中，ia"为a相绕组在发生端部短路故障后的短路电流，短路电流幅值为60.66a，即ia"＝60.66a。
[0114]
当电机a相绕组发生端部短路故障时，将im＝60a，ia"＝60.66a代入b，c，d，e相绕组故障容错电流ib'，ic'，id'和ie'的表达式中:
[0115][0116]
[0117][0118][0119][0120]
计算得：
[0121][0122]
b，c，d，e相绕组中通入的故障容错电流如图7所示。
[0123]
电机在正常运行状态下，a相绕组端部短路故障不控状态下，以及a相绕组端部短路故障容错状态下的转矩波形如图8所示，结合表2中的具体数值，可以看出，施加五相永磁同步电机绕组端部短路故障的低转矩波动容错控制策略后，电机的平均转矩由故障不控状态的25.78nm上升至31.57nm，电机的转矩波动相比故障不控状态大幅下降，转矩波动由故障不控状态的35.49％降低至7.00％，即转矩波动峰峰值由故障不控状态的18.30nm降低至4.42nm。因此，尽管电机在施加容错控制策略时，输出转矩品质略低于正常运行状态，但所提出的容错控制策略已能够对电机一相绕组端部短路故障进行有效的容错控制。
[0124]
表2
[0125] 平均转矩(n
·
m)转矩波动(％)正常32.481.09故障不控25.7835.49故障容错31.577.00
[0126]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在
其它所述实施例中。