基于正負序矢量解耦控制的七相感應電機容錯運行

馬 源，楊家強，楊光輝

基于正負序矢量解耦控制的七相感應電機容錯運行

馬 源，楊家強，楊光輝

（浙江大學，杭州 310027）

現(xiàn)階段多相電機已被各個領(lǐng)域廣泛利用，在發(fā)生單相甚至若干相開路故障后，可以在不增加多余硬件的基礎(chǔ)上確保多相電機維持平穩(wěn)的運行。為了解決定子開路故障時空間諧波磁場耦合對電機轉(zhuǎn)矩脈動的影響，本文提出了一種基于正負序矢量解耦控制的電機容錯控制策略。以七相感應電機單相開路為例，引入對應的附加條件重新計算剩余各相電流。電流環(huán)采用雙向比例積分控制算法，通過仿真在多相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下實現(xiàn)了對電流的無靜差控制。最后通過實驗對所提出的算法進行驗證，表明該策略能保證故障前后基波磁動勢不變，使電機在故障下獲得較好穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

七相感應電機；容錯運行；缺相故障；雙向比例積分

0 前言

近年來，多相電機在航空航天、船舶工業(yè)、新能源汽車等重輕工業(yè)行業(yè)得到了普遍應用，因而各領(lǐng)域?qū)τ谄湓O(shè)備的安全性和可靠性的要求也在逐漸提高且嚴格[1-3]。多相感應電機驅(qū)動系統(tǒng)可以提供更多的控制自由度，在出現(xiàn)變頻器故障或繞組開路故障時，能夠直接通過合理容錯策略及算法實現(xiàn)無擾容錯運行，這對提高電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性有著極大意義[3-6]。多相電機容錯控制以抑制轉(zhuǎn)矩脈動、降低損耗為主要控制目標，因而在缺相下也能在短時間內(nèi)保持降載運行?，F(xiàn)階段對于開路故障后控制存在兩種較為主流的控制思想[3]：（1）對故障電機建模后計算脈動轉(zhuǎn)矩表達式，在其基礎(chǔ)上設(shè)計相應的抑制轉(zhuǎn)矩脈動控制策略；（2）保持電機磁動勢不變，結(jié)合實際應用場合及條件，解得相應容錯電流給定值后在靜止坐標系下實現(xiàn)容錯控制[7-10]。

本文以七相感應電機為研究對象，提出了一種基于正負序矢量解耦控制的雙PI電流控制電機容錯運行策略，可以使得電機實際電流有效跟蹤給定電流，故障后電機轉(zhuǎn)矩最大化輸出，并減少轉(zhuǎn)矩脈動。最后在此基礎(chǔ)上通過進行相關(guān)仿真及實驗來驗證結(jié)論。

1 基于正負序矢量解耦的容錯控制策略

1.1 七相感應電機單相故障分析

對于七相感應電機，存在一個七維的空間解耦變換矩陣：

以a相斷開為例，需要對單相開路故障情況進行剩余相電流重構(gòu)計算，以獲得平滑的電磁轉(zhuǎn)矩。

假設(shè)對象電機故障后無中性線引出，需要滿足相電流之和為零。故三個平面的電流約束方程為：

利用電流幅值相等法[5]，存在調(diào)整故障后各相電流幅值相等的約束條件：

可得重構(gòu)后的基波電流表達式：

對于基波電流的電流空間矢量定義則有：

針對電流幅值相等的控制策略可以推導出以下系數(shù)：

在這種控制策略下，利用算法對三、五次諧波電流的參考值進行給定，在保證各相電流幅值相同的同時，也保證了重構(gòu)后基波磁動勢不變。若使電機在故障前后保持磁動勢不變，則電機在斷相故障后仍可實現(xiàn)穩(wěn)定運行；多相電機有額外的自由度，可以通過改變故障后控制策略實現(xiàn)對其的容錯控制[11-14]。

1.2 單相故障容錯控制策略

由前面章節(jié)所推導的結(jié)論可知，缺相故障情況下電機運行狀態(tài)發(fā)生了改變，諧波空間的電流將不為零，從而導致控制系統(tǒng)中出現(xiàn)波形畸變，產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁場，進而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，這不僅會降低電機的運行效率，嚴重情況下還會損壞電機系統(tǒng)[15, 16]。

本文提出的容錯控制策略為基于PI控制器在相對于定子坐標系旋轉(zhuǎn)角度和-的坐標系內(nèi)的實現(xiàn)，目的是對參考電流量正負序分量進行分離并實現(xiàn)無靜差控制。為了避免在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生噪聲，避免因為引入低通濾波器等造成信號傳輸延遲，這種策略設(shè)計將不對電流頻率進行直接導數(shù)計算。通過電機反饋的轉(zhuǎn)子角頻率r與參考值得到。圖1為電機斷一相狀態(tài)下的控制框圖，對正負序電流同時進行旋轉(zhuǎn)坐標系變換，將交流量轉(zhuǎn)換為直流量之后，再通過雙PI調(diào)節(jié)模塊對其進行閉環(huán)控制。

即：

控制策略框圖1內(nèi)涉及到的變換矩陣有：

其中，（10）式中涉及的容錯系數(shù)由前一小節(jié)推導得出。

圖1 斷相狀態(tài)下控制策略框圖

2 實驗結(jié)果分析

實驗中通過將a相橋臂封鎖來模擬故障情況，并通過實施本文所提出的控制策略，對比正常與故障下的電機運行性能。實驗中所用的七相感應電機指標及相關(guān)參數(shù)見表1和表2。

搭建的七相感應電機控制系統(tǒng)平臺如圖2所示，該平臺由七相集中繞組感應電機、直流電源、dSPACE控制平臺、多相逆變器、傳感器和交流伺服負載組成。相關(guān)電機參數(shù)與仿真中所用的參數(shù)一致。

表1 七相感應電機參數(shù)

表2 相應的電阻和電感參數(shù)

圖2 七相感應電機控制系統(tǒng)平臺

實驗中七相電機在帶載15N·m的工況下運行。正常運行時定子電流及其軌跡的實驗波形如圖3（a）所示，映射電流軌跡為圓形；當a相發(fā)生開路故障后，由于電機結(jié)構(gòu)的不對稱性，不施加策略時剩余六相電流幅值不相等，此時實驗電流及其軌跡波形如圖3（b）所示。

圖3 正常運行和單相開路時定子電流及其軌跡實驗波形

圖4為全局定子電流波形。未發(fā)生故障時電流正常，當發(fā)生開路故障后a相電流降為零，其余六相電流不再對稱且發(fā)生畸變。

圖5為采用容錯控制策略后的定子電流波形及軌跡，表明在施加容錯策略后，電機能保持穩(wěn)態(tài)運行，剩余相電流能夠基本保持相等幅值且呈現(xiàn)對稱分布。

圖6為容錯控制下的電磁轉(zhuǎn)矩波形。與電機正常運行時相比，故障情況下電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了明顯的脈動，電機產(chǎn)生噪聲；但施加容錯控制策略后電磁轉(zhuǎn)矩脈動有所減小，電機亦可恢復且維持穩(wěn)定運行。

圖4 全局定子電流波形

圖5 采用容錯控制后實驗電流波形及軌跡

圖6 容錯控制下的轉(zhuǎn)矩波形

3 結(jié)論

本文通過對七相感應電機定子繞組開路故障進行研究，基于維持故障前后電機內(nèi)部磁動勢不變的原則，對故障后剩余相電流進行重構(gòu)，提出了基于正負序分量矢量解耦控制的多相電機容錯運行策略。以定子繞組a相開路為例，通過理論推導、仿真及實驗驗證了該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)對電機的容錯控制，使故障后剩余六相電流幅值相等，并且抑制了故障下的轉(zhuǎn)矩脈動，有效實現(xiàn)電機的平穩(wěn)運行。文中雖然僅對七相感應電機發(fā)生單相故障的情況進行了分析實驗，但上述策略也可應用于更多相數(shù)的電機故障情況，亦可推廣至其余多相電機容錯控制的情況，進一步的研究將在后續(xù)項目與工作中進行和展開。

[1] Tani A, Mengoni M, Zarri L, et al. Control of Multiphase Induction Motors With an Odd Number of Phases Under Open-Circuit Phase Faults[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(2): 565-577.

[2] Kong W, Kang M, Li D, et al. Investigation of Spatial Harmonic Magnetic Field Coupling Effect on Torque Ripple for Multiphase Induction Motor Under Open Fault Condition[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017: 1-1.

[3] 孔武斌, 黃進, 康敏, 等. 多相電機非正弦供電下的定子缺相容錯控制[J]. 電機與控制學報, 2013, 17(5): 9-14.

[4] 康敏, 孔武斌, 黃進. 電動汽車用五相感應電機容錯控制[J]. 電機與控制學報, 2014, 18(3): 1-6.

[5] 孔武斌. 電動汽車用多相電機驅(qū)動系統(tǒng)研究[D]. 浙江大學, 2014.

[6] 郭冀嶺. 七相感應電機控制技術(shù)研究[D]. 西南交通大學, 2015.

[7] 朱鵬, 張曉峰, 喬鳴忠, 等. 五相集中整距繞組感應電機缺相容錯控制[J]. 中國電機工程學報, 2011, 31(33): 131-137.

[8] Liu Z, Zheng Z, Wang Q, et al. Enhanced rotor field-oriented control of multiphase induction machines based on symmetrical components theory[J]. Power Electronics, IET, 2019, 12(4): 656-666.

[9] 賀山. 非正弦供電下五相異步電機容錯控制研究[D]. 浙江大學, 2018.

[10] 梅柏杉, 胡蘇, 馮江波. 九相感應電機容錯控制技術(shù)研究[J]. 控制與應用技術(shù), 2016, 43(3): 59-67.

[11] M. Salehifar, R. S. Arashloo, M. Moreno-Eguilaz, V. Sala, and L. Romeral . Observer-based open transistor fault diagnosis and fault-tolerant control of five-phase permanent magnet motor drive for application in electric vehicles[J]. IET Power Electron, 2015,8(1):76-87.

[12] 鄭曉欽. 多相感應電機缺相運行研究[D]. 華中科技大學, 2017.

[13] Trabelsi M , Nguyen N K , Semail E . Real-Time Switches Fault Diagnosis Based on Typical Operating Characteristics of Five-Phase Permanent Magnetic Synchronous Machines[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(8):4683-4694.

[14] 周長攀，楊貴杰，蘇健勇, 等．基于正常解耦變換的雙三相永磁同步電機缺相容錯控制策略[J]. 電工技術(shù)學報, 2017, 31(12): 86-96.

[15] T Boileau, N Leboeuf, B Nahid-Mobarakeh . Synchronous demodulation of control voltages for stator interturn fault detection in PMSM[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(12): 5647-5654.

[16] Estima, Cardoso J O. A New Algorithm for Real-Time Multiple Open-Circuit Fault Diagnosis in Voltage-Fed PWM Motor Drives by the Reference Current Errors[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(8): 3496-3505.

Fault-tolerant Control of Seven Phase Induction Motor based on Positive and Negative Sequence Vector Decoupling Control

MA Yuan, YANG Jiaqiang,YANG Guanghui

(Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

At present, multi-phase motors have been widely used in various fields. After the occurrence of one-phase or even several phases open circuit fault, the corresponding control algorithms and strategies can be selected to ensure the smooth operation of the multi-phase motor on the basis of no additional hardware. A fault tolerance control strategy based on positive and negative sequence vector decoupling control is proposed in this paper. Taking single-phase open circuit of seven phase induction motor as an example, the remaining phase current equations are recalculated by introducing the corresponding additional conditions. The current loop adopts bidirectional proportional integral control algorithm and realizes the current control without static difference under the multi-phase rotating coordinate system through simulation. The proposed algorithm is verified by experiments. It shows that the proposed strategy can effectively suppress the torque ripple and the basic wave magnetomotive force is guaranteed to be constant before and after the fault, the motor can obtain better steady and dynamic performance under the fault.

seven phase induction motor; fault-tolerance operation; phase failure; bidirectional PI

TM346

A

1000-3983(2021)01-0009-05

國家自然科學基金資助項目（51777191）；浙江省基礎(chǔ)公益研究計劃（LCZ19E070001）

2020-07-05

馬源（1995-），浙江大學電氣工程學院碩士研究生在讀，研究方向為多相電機驅(qū)動系統(tǒng)及其容錯控制。