基于自然容错开关表的五相永磁同步电机直接转矩控制

五相永磁同步电机(permanent-magnetsynchronous motor,PMSM)传统直接转矩控制(direct torque control,DTC)存在相电流畸变严重、共模电压(common-modevoltage,CMV)高、转矩和磁链脉动大等问题,且无法实现相开路故障情况下的无扰运行。为解决上述问题,提出一种基于自然容错开关表的DTC策略。该策略根据PMSM开路故障前后基电压矢量的特点以及三次平面合成电压矢量为零的原则,构建虚拟矢量(virtual vector,VV),设计故障前后同一套自然容错开关表,进而不但抑制了故障导致的转矩脉动,而且在故障前后均能降低三次谐波电流、减小转矩和磁链脉动、抑制CMV。实验结果验证所提策略的可行性。

宽转子齿无轴承开关磁阻电机开路故障容错控制研究

针对宽转子齿无轴承开关磁阻电机在发生开路故障时无法正常运行,提出了一种基于直接瞬时转矩和直接悬浮力控制(DITC&DFC)的开路故障容错控制策略,在检测到绕组发生开路故障后,利用其它相绕组来为故障相提供悬浮力,保证电机即使发生故障也能稳定悬浮运行。分析了该容错控制策略的工作原理,在此基础上,构建了12/8极单绕组宽转子齿无轴承开关磁阻电机驱动系统,通过Matlab/Simulink仿真平台,验证了该控制策略的有效性。

一种应用于磁悬浮轴承的具有容错功能的多桥臂开关功放电路

功率放大器是磁悬浮轴承系统的重要组成部分,但其中的电力电子器件易发生故障,是整个系统中稳定性较为薄弱的环节。由于器件过压击穿、雪崩击穿、热击穿、器件破裂、焊接线破裂、焊接线浮起等问题,将会使功率放大器工作在非正常状态,轻则影响系统性能,增加其他器件的电压和电流应力;重则会使系统陷入崩溃。该文针对五相六桥臂开关功放的开路故障,提出一种具有容错功能的多桥臂开关功放拓扑,并给出相应的容错控制策略。首先分析容错功放拓扑的工作原理,然后基于电流差值变化的特点给出判断开路故障的方法,并通过相应的容错控制策略,实现冗余桥臂对故障桥臂的替换,以达到故障不停机的目的。最后,仿真与实验结果显示,该容错拓扑能够实现每相电流在发生开路故障后快速恢复控制,证明该容错拓扑的安全性和可行性。

五相PMSM相邻两相开路故障容错控制策略

相永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor, PMSM)发生相邻两相开路故障会导致驱动系统不稳定运行,针对这种故障状况,提出一种基于空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation, SVPWM)技术的容错控制策略。首先构建永磁同步电机数学模型;进而为使机电能量实现平稳转换,重新构建降阶变换矩阵,得到故障后剩余相容错电流表达式;然后利用SVPWM技术,计算故障下空间电压矢量,建立6个扇区,进行目标矢量合成,进而计算相应基本合成电压矢量的作用时间,并给出对应扇区的空间电压矢量选择顺序;最后进行Matlab/Simulink仿真验证,仿真结果与理论计算一致,有效验证了所提SVPWM容错控制策略的正确性。利用该容错控制策略,五相永磁同步电机在故障状态下的运行性能得到明显改善,电机实现稳定运行。所提控制策略与传统电流滞环跟踪脉宽调制(pulse width modulation, PWM)控制方式对比分析,证明所提策略存在优越性。

双三相永磁同步电机驱动系统简易容错控制方法研究

针对双三相电机驱动系统开路故障容错控制问题,依据双三相电机空间矢量解耦理论,提出一种简易的容错控制方法,即虚拟健全系统。研究了双三相永磁同步电机驱动系统单相缺相和开关管故障,给出了基于电流补偿的容错控制和最小铜耗容错控制的参考电流,其中以绕组总铜耗最小为优化目标得到的容错参考电流为全局最优铜耗解。采用重复控制器实现非常规容错控制参考电流的有效精确跟踪。提出的容错控制方法可确保系统容错切换过程中,整体控制框架、数学模型、调制策略均保持不变,仅需改变参考电流,降低了容错控制的复杂度。同时,提出的容错方法也可以扩展到其他相数多相电机的容错控制。

非正弦反电势五相永磁电机开路故障容错控制研究

与正弦波电机相比,具有非正弦反电势波形的多相电机可提升转矩密度,但容错运行时,反电势谐波会产生额外的转矩脉动。为此,该文提出一种非正弦反电势五相永磁同步电机缺相容错控制策略。基于单相开路故障下转矩方程,推导平稳运行时同步坐标系下的电流表达式,给出利用谐波电流抑制转矩脉动的理论依据;并提出在同步旋转坐标系下注入低阶谐波电流,抑制由3次谐波反电势引起的转矩脉动。为了求解最优谐波电流,分别在最小铜耗或最大转矩模式下协同优化电流系数。相比现有方法,该方法在最小铜耗模式下,能够产生相同的定子铜耗;在最大转矩模式下,能够提高转矩输出能力。最后,通过五相永磁同步电机的缺相容错实验,验证所提控制策略的准确性及有效性。

基于谐波电流抑制的双三相PMSM容错型直接转矩控制

针对六相PMSM电机直接转矩控制系统在缺相运行时存在的转矩脉动大和电流谐波大等问题,提出了改进方法。根据矢量空间解耦的思想,推导出电机缺相后的数学模型和电压矢量方程,通过方程画出缺相后的电压矢量在基波平面和谐波平面的分布,分析了电压利用率的问题,在利用原始矢量制作出电机故障前后共用一个开关表的基础上,加入虚拟矢量合成后减少电流谐波的想法,以减小电机在直接转矩控制系统中缺相运行时的转矩脉动和电流谐波。利用虚拟合成矢量制作出电机在故障前后共用的一个开关表。仿真建模并验证了该方法的正确性。

基于降阶解耦的五相容错伺服电机驱动系统容错控制策略

为提高作战装备的统战性能和可靠性,电驱动系统在武器装备中起到越来越重要的作用,高可靠的电驱动武器装备成为各国力求突破的方向。针对导弹电动舵机因工作环境恶劣导致不可避免的电气故障、常常不能可靠稳定运行的问题,提出一种具备高可靠性的五相容错伺服电机(Permanent magnet fault-tolerant servo motor,PMFSM)伺服系统,为了维持有效定子磁动势不变,实现对故障模式下电机驱动系统的矢量控制策略,提出一套适用于单相开路故障下的Clark和Park变换矩阵。针对故障模式下绕组中性点位偏移对空间矢量脉宽调制(Space vector pulse width modulation,SVPWM)的影响,提出了一种电压补偿策略减弱中性点电位偏移对SVPWM的影响,通过仿真和试验验证所提的五相PMFSM驱动系统的容错控制策略可以使五相PMFSM在绕组单相开路故障下高可靠容错运行,使导弹电动舵机系统有更高的可靠性和更强的容错性。

电力有源滤波器故障诊断与容错控制研究

针对电力有源滤波器(active power filter,APF)中IGBT容易损坏的特点,提出一种低成本的基于硬件电路的开路故障诊断与容错控制方案。开路故障诊断与容错控制硬件电路快速诊断并识别故障源,产生容错控制信号,控制继电器并驱动交流接触器切除故障相,将原故障相输出端切换到直流侧电容中点,将APF改变成容错型三相四开关拓扑结构,同时控制器控制算法切换到相应故障相的三相四开关电压空间矢量算法。推导各种开路故障时容错型三相四开关空间矢量的特点,为控制器切换控制算法提供依据。实验结果表明,该硬件开路故障诊断与容错控制方案具有一定的工程参考价值。

双绕组永磁容错电机不同故障容错控制策略的比较研究

在分析双绕组三相永磁容错电机基本结构的基础上,讨论了电机在开路和短路故障情况下的转矩脉动和铜耗。详细论述了加倍增加对应相电流容错控制策略、最优转矩容错控制策略和电流矢量容错控制策略的实现方法。通过数学计算和仿真比较分析了3种容错控制策略的性能和优缺点。硬件实验结果验证了所提出的电流矢量容错控制策略的正确性和可行性。

五相感应电机缺相容错运行的全转矩范围效率优化控制策略

多相电机的缺相容错性是其相比于传统三相电机的一个重要优势,现有的基于带载能力最大化或铜耗最小化策略的缺相容错控制方法在带载能力和驱动效率方面存在一定局限性。针对五相感应电机的几种典型缺相故障,提出一种全转矩范围效率优化容错控制策略,根据实际负载对各相电流间的幅值和相位的相对关系进行实时在线调节,以保证电机在全转矩范围内的任意负载工况均实现定子铜耗最小化,在保证带载能力最大化的同时提高了电机的运行效率。在此基础上,提出一种适用于正常与多种缺相工况的统一容错控制方法。通过阶梯加载和稳态性能对比等试验,证明了所提效率优化控制策略的有效性。

双绕组永磁容错电机驱动的垂直提升系统研究

针对现有容错电机驱动系统的不足,提出一种针对直升机绞车用双绕组永磁容错电机驱动的垂直提升系统,具有可靠性高、功率密度高、提升索降工况双向控制等优点。设计了容错提升系统的系统拓扑结构和双绕组永磁容错电机结构。分析了系统的工作原理,并分别对系统的提升工况和索降工况进行了数学模型的建立。为提高系统的缺相运行特性,提出了基于转速、电流、电压双向控制(电动制动)的热备份余度容错控制策略,以及开路故障诊断与余度通信策略。通过系统试验平台的搭建,对双绕组永磁容错电机驱动的垂直提升系统分别进行了提升工况正常态、绕组开路故障态和索降工况正常态、绕组开路故障态的试验验证。试验结果表明,当系统无论是工作在提升工况,还是索降工况,其发生绕组开路故障时,系统的输出性能仍可保持不变,实现了系统开路故障容错,证明了容错提升系统结构设计的合理性及容错控制策略的正确性。

五相永磁同步电机容错控制策略

针对多相电机驱动系统中常见的定子绕组开路故障,提出一种有效的容错电流控制策略。从矢量空间解耦的角度,推导出缺相故障状态下的坐标变换矩阵,建立了五相永磁同步电机(PMSM)在发生一相绕组开路故障时的解耦数学模型。根据同步旋转坐标系下的定子铜耗方程,通过对Z1-Z2子空间的电流设置不同的约束条件,得到相应的矢量控制方法。实验结果表明,该方法可以减小定子绕组开路故障引起的转矩脉动,使五相PMSM在故障状态下的运行性能得到明显改善,有效提高调速系统的可靠性能。

双绕组永磁容错电机的余度电驱动系统

提出一种基于双绕组永磁容错电机的余度电驱动系统,其电机本体采用转子磁钢离心式对称六相十极永磁容错电机,定子中包含两套相互独立的三相绕组。系统采用了基于矢量控制的热备份余度容错控制策略,同时采取故障诊断与余度通信策略。对基于双绕组永磁容错电机的余度电驱动系统进行了一相绕组断路和一相绕组短路故障态的仿真验证,并搭建了系统试验平台对其进行了试验验证。仿真和试验表明,当系统发生断路或短路故障后,电机输出性能仍可保持不变,实现了系统断路或短路故障容错,证明了电机设计的合理性及余度容错控制策略的正确性。

三相永磁同步电机断相容错控制

为了提高三相永磁同步电机(PMSM)控制系统的容错能力,减小定子绕组断路故障时电机电磁转矩的脉动,提出了三相永磁同步电机断相容错控制策略。基于故障后正常相绕组电流与电压之间的关系,建立了三相PMSM一相绕组开路时的数学模型。通过分析故障前后电机的电磁转矩,提出了电磁转矩输出不变的容错控制策略,通过调整非故障相电流的幅值与相位,计算前馈零轴电压,保证一相绕组开路故障时电机的正常运行。为了提升电机故障下电磁转矩输出的平稳性,提出前馈零轴电压与中线电流闭环修正相结合的容错控制策略,实现了电机控制系统故障条件下的无扰动运行。采用转子磁场定向的方法,通过在旋转坐标系下交直轴电流控制器上增加前馈零轴电压和中线电流闭环修正,实现了一相绕组开路时的转矩脉动的补偿。实验结果表明,该文提出的容错控制算法可以有效减小三相PMSM在定子绕组发生开路故障时的电机电磁转矩脉动,提高电机控制系统的容错性能。

五相永磁同步电机缺相运行的建模与控制

为提高五相永磁同步电机(PMSM)控制系统的可靠性,减小定子绕组发生开路故障时电机输出转矩的脉动分量,提出了五相PMSM缺相运行时的容错控制策略。从矢量空间解耦的角度,建立了含有3次谐波磁场的五相PMSM缺相运行时的数学模型。根据瞬时功率守恒原理,对故障前后的电磁转矩进行分析,提出了平均转矩保持不变的容错控制策略,通过重新分配各相电流的幅值和相位,实现了控制系统的满负荷运行;为了使电机在缺相故障时仍能提供平滑转矩,提出了脉动转矩保持为零的容错控制策略,实现了控制系统的无扰运行。采用转子磁场定向的方法,通过对旋转坐标系下的交直轴电流和零序电流进行控制,实现了对电机输出转矩的补偿。实验结果表明,所提出的容错控制算法能够有效改善五相PMSM在定子绕组发生开路故障时的运行性能。

基于SVPWM的五相永磁同步电机两相开路故障容错控制策略

针对五相永磁同步电机(PMSM)发生两相开路故障的情况,提出一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的容错控制策略。该控制策略通过对六个扇区的划分和六个非零电压矢量的重构来实现参考矢量的合成,同三相PMSM在正常工况下的SVPWM方法相似,计算简单,易于实现。利用该容错控制策略,可以在保证平均转矩的同时,大幅减小由定子绕组开路故障引起的转矩脉动,使五相PMSM在故障状态下的运行性能得到明显改善,有效提高调速系统的可靠性。仿真和实验结果表明采用该容错控制策略能够实现五相PMSM驱动系统在两相开路故障下的高品质运行。

基于NCAV和电路等效替换的PWM整流器容错控制系统

三相脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)整流器因其具有可控的功率因数、网侧三相电流趋于正弦、直流侧电压稳定等优点,在电机控制、风力发电并网、柔性直流输电和微电网等领域得到广泛应用。为了提高三相PWM整流器可靠性,文中提出了一种PWM整流器容错控制系统,该系统结合了归一化电流平均值(normalised current average value,NCAV)故障检测法和基于电路等效替换的容错方法。该控制系统在功率开关管单管开路故障情况下能够实现故障检测和诊断,并进行快速的容错控制,从而减少单管开路故障对系统造成的影响,改善故障下三相电流波形,减小输出电压纹波,提升系统的整体性能和可靠性。通过仿真验证了该控制系统的有效性。

基于五相电流源型逆变器的一种新型PMSM就近空间矢量容错组合策略

随着社会的发展,舰船、卫星、电动汽车等领域对电机驱动系统可靠性的要求越来越高,与电机本体相比,驱动器更容易发生开路故障,这使驱动器开路故障容错策略研究受到越来越广泛的关注。该文基于五相电流源型PMSM驱动系统,针对驱动器开路故障,提出一种就近空间矢量容错组合策略。该策略根据空间电流矢量幅值与相位的特点,结合矢量控制原理,在开路故障条件下就近选择空间电流矢量进行目标电流矢量合成,实现电磁转矩的平稳控制并维持电机的平稳运行。该策略简单方便,解决了传统电压源型驱动系统中容错控制策略开关频率不固定的问题,提高了系统稳定性。仿真实验表明,在故障条件下,该容错策略可以有效地实现电机继续平稳运行的目标。

五相圆筒永磁电机统一容错矢量控制

为使五相圆筒永磁电机(tubularpermanentmagnet motor,TPMM)在发生相开路故障和相短路故障时,仍然具有优良的动态性能,同时提供平滑的推力,该文提出一种统一容错矢量控制策略。根据非故障相容错电流推导降阶正交变换矩阵;利用相短路电流和反电势的关系设计电压补偿器,建立TPMM相开路和相短路故障状态下的统一数学模型。在此基础上,为提高TPMM在相开路和相短路故障下的稳态和动态性能,同时为简化控制策略,将降阶正交变换矩阵代替传统矢量控制策略中的克拉克变换矩阵,并且对两相静止坐标系上的电压进行补偿。实验结果验证了所提控制策略的可行性。