五相永磁同步電機的短路容錯控制策略對比研究

孫劍橋

摘 要：隨著多相永磁電機的發展，對提高其可靠性的方法研究日益廣泛。文章針對五相永磁同步電機的一相短路故障的容錯控制方法進行對比分析；在Matlab中建立電壓源激勵的五相PMSM模型，對一相短路故障容錯策略進行仿真驗證其可行性。

關鍵詞：五相永磁同步電機；短路故障；容錯控制；Matlab仿真

中圖分類號：TM34 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0079-02

Abstract： With the development of multi-phase permanent magnet motor （PMSM）， the research on the methods to improve its reliability is more and more extensive. In this paper， the fault tolerant control methods of one phase short circuit fault of five phase permanent magnet synchronous motor are compared and analyzed. The five-phase PMSM model of voltage source excitation is established in Matlab， and the fault tolerant strategy of one-phase short circuit fault is simulated to verify its feasibility.

Keywords： five-phase permanent magnet synchronous motor （PMSM）； short-circuit fault； fault tolerant control； Matlab simulation

1 多相PMSM容錯控制方法的研究現狀

近幾十年來，電機容錯技術發展的非常快，電機的相數也不再受技術的制約，多相電機的容錯技術已經推廣應用到諸多領域，這勢必對多相PMSM的可靠性有很高的要求。電機的主要且影響最惡劣的故障情況就是繞組故障，多相永磁電機故障時的容錯控制法，目前主要有：硬件容錯法和軟件容錯法。

本文使用軟件容錯法，從理論上提出電壓容錯控制策略對一相短路故障下的五相永磁同步電機進行容錯，并在MATLAB仿真實驗下驗證該方法的可行性。

2 五相PMSM電壓源激勵的數學模型

2.1 自然坐標系下的模型

電壓方程 ；磁鏈方程： ；

轉矩方程 ；

機械運動方程：

以上四個方程用來模擬五相PMSM自然坐標系下的數學模型，描述了各個變量間的關系。但可看出，變量之間關系錯綜復雜，不僅與時間有關還與空間角度有關，因此自然坐標系下的五相PMSM模型是一個耦合關系多、較復雜的系統，故引入旋轉坐標系模型。

2.2 旋轉坐標系下的模型

坐標變換為矢量控制等高性能控制技術奠定了堅實的理論基礎。由于自然坐標系下的模型是一個耦合多變的高階非線性系統，因此引入旋轉坐標系下的模型，需要通過CLARK變換和PARK變換實現這兩種坐標系下的模型轉換。圖1是建立的電壓源激勵模塊為了后續仿真使用。

3 一相短路故障時電壓容錯策略

由于短路情況下，雖然該相電流不是固定值，但短路相電壓恒為0，下面對各相電壓進行分析，設A相相位為0，每相相差72°，則各正常情況下各相通入電壓為：

式3.1

當一相短路時，A相電壓為0，參照對比一相開路情況下A相電流為0的電流容錯控制策略，可得一相短路時電壓容錯控制策略如下：

式3.2

4 容錯策略的仿真驗證

圖2為電機的輸出轉矩波形圖，電機從0時刻開始帶負載正常啟動，在接近0.4s時發生一相短路故障，可見其轉矩忽然降低且脈動變大，會影響電機的正常運行，使電機失步。

當在短路情況下，A相電壓為0，給其它各相施加以下電壓時，電機將恢復正常。（圖3）

一相短路電壓容錯策略下的轉矩波形圖如圖4所示。

由以上分析和仿真可知：在一相短路電壓容錯策略下，電機的轉矩恢復平滑，脈動減小，能夠正常平穩運行。驗證了一相短路情況下電壓容錯策略的可行性。

5 結束語

本研究從磁動勢不變的原則出發，推導了五相PMSM一相短路時，其余相電壓的容錯調整方案，并建立了一種電壓源激勵的仿真模型，對推導的容錯電壓策略進行了驗證，證明了推導過程和容錯策略的正確性。又由于當短路時，短路相電壓為0，因此短路時電壓容錯策略具有通用性。

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