本發(fā)明涉及一種五相永磁電機不相鄰兩相短路故障容錯控制方法，特別是五相容錯永磁直線電機不相鄰兩相短路故障容錯磁場定向控制方法。適用于航空航天、電動汽車、深海、醫(yī)療器械等對電機的可靠性和動態(tài)性能有較高要求的場合。
背景技術：
：隨著社會的發(fā)展以及人們生活水平的提高，對汽車駕乘的舒適性和安全穩(wěn)定性要求越來越高。作為現(xiàn)代汽車的重要組成部分，懸架系統(tǒng)性能對汽車行駛平順性和操作穩(wěn)定性等有著極其重要的影響，因此主動懸架系統(tǒng)的研究受到業(yè)內高度重視。作為主動電磁懸架系統(tǒng)的核心部件，圓筒直線電機研究受到重視。電機在短路故障狀態(tài)下的容錯性能，直接決定著電磁懸架的可靠性和連續(xù)運行的能力。容錯電機在某一相或某兩相發(fā)生短路故障時，電機仍然具有一定的推力或者轉矩輸出能力，但是推力或者轉矩波動很大，噪聲增大，嚴重影響系統(tǒng)性能。容錯控制的目標是針對不同應用場合對容錯電流進行優(yōu)化，使電機在故障狀態(tài)下的輸出推力或者轉矩盡量平滑，并且使電機性能達到或接近故障前的性能。中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?01510059387.2的專利《一種五相容錯永磁電機的短路容錯控制方法》針對五相容錯表貼式永磁旋轉電機，將短路故障對電機轉矩的影響分解為兩部分：一部分是開路故障對轉矩的影響；另一部分是短路電流對轉矩影響。針對開路故障，采用故障前后磁動勢和不變原則以及故障后電流幅值相等原則，優(yōu)化剩余非故障相的相電流；針對短路電流引起的轉矩波動，采用故障后磁動勢為零和銅耗最小原則求出非故障相補償電流；最后兩部分電流相加，求得剩余非故障相的電流指令。根據求得的剩余非故障相電流采用電流滯環(huán)控制策略，對五相容錯表貼式永磁旋轉電機進行控制。該方法用于抑制短路相電流導致轉矩波動的剩余非故障相補償電流的幅值是常數，與電機轉速無關，且剩余非故障相的補償電流之和不為零。目前，常用的容錯控制方法是：計算出容錯電流，然后采用電流滯環(huán)策略進行控制。但是，該方法存在開關頻率雜亂、噪聲大、電機動態(tài)性能差等問題，不適合功率較大以及對電機動態(tài)性能要求高的場合。中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?01510661212.9的專利《一種內嵌式混合磁材料容錯圓筒直線電機短路容錯矢量控制方法》針對五相混合磁材料內嵌式容錯直線電機一相短路故障，采用以上相同方法優(yōu)化剩余非故障電流，然后采用矢量控制策略實現(xiàn)該電機一相短路故障情況的矢量運行。盡管該方法實現(xiàn)了該類電機系統(tǒng)在短路故障狀態(tài)下的高容錯性能、高動態(tài)性能、電流良好的跟隨性，但該方法無法實現(xiàn)兩相短路故障情況下的矢量控制。技術實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有電機容錯控制技術中存在的不足，根據五相永磁體內嵌式容錯直線電機的特性和該類電機不相鄰兩相短路故障特點，本發(fā)明目的是克服電機不相鄰兩相短路故障后現(xiàn)有容錯策略使用電流滯環(huán)控制導致逆變器開關頻率雜亂、電機響應速度下降、動態(tài)性能差、電流無法精確跟隨、噪聲嚴重的缺點、傳統(tǒng)電流PI控制由于響應快速性和超調的矛盾引起參數調節(jié)困難的問題，以及現(xiàn)有容錯矢量控制策略無法實現(xiàn)兩相短路故障情況的容錯運行，提出一種用于本發(fā)明的五相永磁體內嵌式容錯直線電機的不相鄰兩相短路容錯轉子磁場定向控制方法，實現(xiàn)了反電勢的精確估算，降低控制器參數調節(jié)難度，實現(xiàn)該類電機系統(tǒng)在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的高容錯性能、高動態(tài)性能、電流良好跟隨性，減小CPU開銷，實現(xiàn)逆變器開關頻率恒定、降低噪聲，進而提高本發(fā)明的五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的動態(tài)性能和可靠性。本發(fā)明用于五相永磁體內嵌式容錯直線電機的容錯磁場定向控制方法采用如下技術方案：一種用于五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路容錯磁場定向控制方法，包括以下步驟：步驟1，建立五相永磁體內嵌式容錯直線電機模型；步驟2，永磁體內嵌式容錯直線電機分為A、B、C、D、E這五相，當電機發(fā)生B相和E相短路故障時，根據電機故障前后行波磁動勢不變原則以及剩余非故障相電流之和為零的約束條件，求出B相和E相短路故障后電機容錯運行的非故障相電流；步驟3，根據步驟2獲得的剩余三相非故障相電流求出這三相非故障相電流在同步旋轉坐標系上的電流；步驟4，設計一階慣性前饋電壓補償器，同步旋轉坐標系上的電流指令經一階慣性環(huán)節(jié)獲得前饋補償電壓，同時該電流指令和反饋電流的差值經電流內?？刂破鞯每刂齐妷号c前饋補償電壓相加得到同步旋轉坐標系上的電壓指令；步驟5，根據步驟3獲得的非故障相在同步旋轉坐標系上的電流表達式以及動子永磁磁鏈設計反電勢觀測器觀測相反電勢；步驟6，根據步驟2獲得的非故障相電流表達式，以及故障相短路電流和其反電勢之間的關系，求出非故障相電壓指令；步驟7，將步驟6所得到的非故障相電壓指令和各相反電勢分別相加得到期望相電壓指令，將該期望相電壓指令經電壓源逆變器，采用CPWM調制方法實現(xiàn)五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路故障后的容錯磁場定向無擾運行。當B發(fā)生開路故障E相發(fā)生短路故障時，電機容錯磁場定向運行在同步旋轉坐標系上的電流是步驟3中isc_B＝0的情況，自然坐標系上非故障相電壓指令是步驟6中eB＝0的情況。當B發(fā)生短路故障E相發(fā)生開路故障時，電機容錯磁場定向運行在同步旋轉坐標系上的電流是步驟3中isc_E＝0的情況，自然坐標系上非故障相電壓指令是步驟6中eE＝0的情況。本發(fā)明具有以下有益效果：1、本發(fā)明在保證電機任意不相鄰兩相短路故障前后電機輸出推力相等的前提下，不但能有效抑制電機推力波動，而且更為關鍵的是能使電機容錯運行情況下的動態(tài)性能、電流跟隨性能和正常狀態(tài)下的性能一致，并且無需復雜的計算，電壓源逆變器開關頻率恒定、噪聲低、CPU開銷小，算法具有一定的通用性。2、采用本發(fā)明不相鄰兩相短路容錯磁場定向控制策略后，該類電機在C相和D相短路故障情況下容錯運行時，其動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和電機正常狀態(tài)下一樣，且輸出推力幾乎沒有波動，在電機系統(tǒng)允許的最大電流極限值以下，電磁推力和故障前保持一致，實現(xiàn)了無擾容錯運行。3、由本發(fā)明中的剩余非故障相電流在同步旋轉坐標系上無脈動。而采用傳統(tǒng)磁場定向控制在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下剩余非故障相的電流在同步旋轉坐標系上脈動。4、反電勢觀測器實現(xiàn)了該類電機不相鄰兩相短路故障情況下的反電勢精確估算，從而實現(xiàn)了該類電機不相鄰兩相短路故障情況下的容錯磁場定向運行。5、和電流PI控制器相比，電流內?？刂破骱头措妱萦^測器以及一階慣性前饋電壓補償器相結合將該類電機在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的非線性強耦合系統(tǒng)變換為一階慣性系統(tǒng)，降低了控制器參數整定難度，保證了該類電機系統(tǒng)在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下電流跟隨性能、穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能，使電機動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和電機故障前的性能一致，并且能夠實現(xiàn)無超調快速響應。6、零序電壓諧波注入的CPWM調制和磁場定向容錯相結合，提高了逆變器母線電壓利用率，同時減小了容錯磁場定向控制算法的復雜性，降低了CPU開銷。7、不相鄰兩相短路容錯磁場定向控制策略、反電勢估算策略、電流內模控制策略、一階慣性前饋電壓補償策略、CPWM調制技術與五相永磁體內嵌式容錯直線電機相結合，大大提高了該電機在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的容錯性能、動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，節(jié)省了CPU開銷。和電流滯環(huán)控制相比，降低了噪聲，降低了電磁兼容設計難度。進而使得該電機在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下控制精度高，電流跟隨性能好，電機效率高、輸出推力響應速度快且推力脈動和故障前一樣小，實現(xiàn)了電機系統(tǒng)的在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的高可靠性以及高動態(tài)性能。8、本發(fā)明能夠實現(xiàn)不相鄰兩相中一相開路和一相短路的容錯磁場定向控制，具有良好的通用性。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例五相永磁體內嵌式容錯直線電機的結構示意圖；圖2為本發(fā)明實施例五相永磁體內嵌式容錯直線電機磁場定向控制策略原理圖；圖3為本發(fā)明實施例五相永磁體內嵌式容錯直線電機B相和E相短路容錯磁場定向控制原理圖；圖4為本發(fā)明實施例B相和E相短路故障情況下無容錯和容錯磁場定向運行時的相電流波形；圖5為本發(fā)明實施例B相和E相短路故障情況下無容錯和容錯磁場定向運行時的推力波形；圖6為本發(fā)明實施例無故障運行過程中推力指令階躍時的同步旋轉坐標系上的電流波形；圖7為本發(fā)明實施例無故障運行過程中推力指令階躍時的電機輸出推力波形；圖8為本發(fā)明實施例B相和E相短路容錯運行過程中推力指令階躍時的同步旋轉坐標系上的電流波形；圖9為本發(fā)明實施例B相和E相短路容錯運行過程中推力指令階躍時的電機輸出推力波形；圖中：1.初級；2.次級；3.硅鋼片；4.極靴；5.容錯齒；6.電樞齒；7.端部齒；8.永磁體；9.繞組線圈。具體實施方式下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。為了能夠更加簡單明了地說明本發(fā)明的永磁體內嵌式容錯直線電機的結構特點和有益效果，下面結合一個具體的五相永磁體內嵌式容錯直線電機來進行詳細的表述。步驟1，建立五相永磁體內嵌式容錯直線電機模型。如圖1所示，本發(fā)明實施例的五相永磁體內嵌式容錯直線電機結構示意圖，包括初級1、次級2。初級1中包括極靴4、電樞齒6、容錯齒5和集中繞組線圈9，且電樞齒6和容錯齒5都為10個，次級2上內嵌有稀土永磁體8，初級1和次級2之間存在氣隙，初級1和次級2上除永磁體、繞組和極靴之外的部分都是由硅鋼片3軸向疊片而成，極靴4由電工純鐵制成，初級1的兩個端部齒7是不對稱的，且比容錯齒和電樞齒寬。在傳統(tǒng)使用正弦波作為調制波的載波脈寬調制(CPWM)方法基礎上，在五相正弦調制波中注入c0＝-(max(ui)+min(ui))/2的零序電壓諧波(ui是五相正弦調制波每一相函數)的CPWM方法與五相SVPWM方法能獲得相同的磁鏈控制效果。因此本發(fā)明采用基于注入零序電壓諧波的CPWM方法進行脈寬調制。圖2五相永磁體內嵌式容錯直線電機由電壓源逆變器供電，該電機分為A、B、C、D、E這五相，采用基于零序電壓諧波注入的CPWM技術的磁場定向控制策略，零序電流控制為零，控制框圖見圖2所示。電機正常狀態(tài)穩(wěn)態(tài)運行時，各相繞組電流可表示為iA=-iq*sin(θ)+id*cos(θ)iB=-iq*sin(θ-2π/5)+id*cos(θ-2π/5)iC=-iq*sin(θ-4π/5)+id*cos(θ-4π/5)iD=-iq*sin(θ-6π/5)+id*cos(θ-6π/5)iE=-iq*sin(θ-8π/5)+id*cos(θ-8π/5)---(1)]]>式中，分別是旋轉坐標系d軸、q軸的電流指令，θ為電角度v直線電機動子運動電速度，τ為極距。電機產生的行波磁動勢(MMF)可表示為MMF=Σi=AEMMFi=NiA+aNiB+a2NiC+a3NiD+a4NiE---(2)]]>式中，a＝ej2π/5，N為各相定子繞組的有效匝數。步驟2，當電機發(fā)生B相和E相發(fā)生短路故障時，根據電機故障前后行波磁動勢不變原則以及剩余非故障相電流之和為零的約束條件，求出該故障下電機容錯運行的非故障相電流指令當電機不相鄰兩相B相和E相發(fā)生短路故障，電機內部的行波磁動勢由剩余的三相非故障相和兩相短路故障相產生，磁動勢可表示為MMF=Σi=AEMMFi=NiA*+aNiB*+a2NiC*+a3NiD*+a4NiE*---(3)]]>假設剩余非故障相電流指令為iA*=xAcosθ+yAsinθiB*=xBcosθ+yBsinθiE*=xEcosθ+yEsinθ---(4)]]>其中，xA、yA、xB、yB、xE、yE分別為非故障相補償電流余弦項和正弦項的幅值。假設B相的短路電流為isc_B＝Ifcos(ωt-θfB)，E相的短路電流為isc_E＝Ifcos(ωt-θfE)，其中，If是短路電流的幅值，θfB是B相反電勢和該相短路電流的夾角，θfE是E相反電勢和該相短路電流的夾角。為實現(xiàn)電機不相鄰兩相短路故障后無擾運行，需保持電機故障前后行波磁動勢一致，因此需調整剩余非故障相定子電流使電機故障前后行波磁動勢的幅值與速度保持不變。于是，令式(2)、式(3)的實部與虛部均相等。再由非故障相電流之和等于零為約束條件，求得電機容錯運行的相電流指令為iA*=1.381(-iq*sin(θ)+id*cos(θ))iB*=isc_B=Ifcos(ωt-θfB)iC*=2.235(-iq*sin(θ-35π)+id*cos(θ-35π))iD*=2.235(-iq*sin(θ+35π)+id*cos(θ+35π))iE*=isc_E=Ifcos(ωt-θfE)---(5)]]>上式中非故障相電流以矩陣形式可表示為iA*iC*iD*=2.2350.618cos00cos3π5sin3π5cos(-3π5)sin(-3π5)(cosθ-sinθsinθcosθid*iq*+-0.1237isc_B-0.1237isc_E-0.3806isc_B+0.3806isc_E)---(6)]]>或者，iA*iC*iD*=2.2350.618cos00cos3π5sin3π5cos(-3π5)sin(-3π5)cosθ-sinθsinθcosθid*iq*+-0.1708-0.1708-0.72360.89440.8944-0.7236isc_Bisc_E---(7)]]>步驟3，根據步驟2獲得的剩余三相非故障電流求出這三相非故障相電流在同步旋轉坐標系上的電流(id、iq)。在電流跟隨電流指令的情況下，根據式(6)或式(7)求出剩余非故障相在同步旋轉坐標系上的電流(id、iq)idiq=cosθsinθ-sinθcosθ(0.618cos01.28cos3π51.28cos(-3π5)1.280sin3π54.043sin(-3π5)4.043iAiCiD--0.1237isc_B-0.1237isc_E-0.3806isc_B+0.3806isc_E)---(8)]]>或者，idiq=cosθsinθ-sinθcosθ0.618cos01.28cos3π51.28cos(-3π5)1.280sin3π54.043sin(-3π5)4.043(iAiCiD--0.1708-0.1708-0.72360.89440.8944-0.7236isc_Bisc_E)---(9)]]>步驟4，設計一階慣性前饋電壓補償器，同步旋轉坐標系上的電流指令經一階慣性環(huán)節(jié)獲得前饋補償電壓電流指令和反饋電流(id、iq)的差值經電流內模控制器得控制電壓(ud0、uq0)，將該電壓與前饋補償電壓相加得到同步旋轉坐標系上的電壓指令同步旋轉坐標系上的電流指令經一階慣性環(huán)節(jié)得前饋補償電壓udcomp=ωαs+αiq*uqcomp=ωαs+αid*---(10)]]>電流指令和反饋電流(id、iq)的差值經電流內?？刂破鳙@得控制電壓(ud0、uq0)，將該電壓與前饋補償電壓相加得到同步旋轉坐標系上的電壓指令ud*=αL(1+RsL)(iq*-iq)-uqcompuq*=αL(1+RsL)(iq*-iq)+udcomp---(11)]]>步驟5，根據非故障相在同步旋轉坐標系上的電流(9)以及動子永磁磁鏈設計反電勢觀測器觀測非故障相反電勢(eA、eC、eD)eAeCeD=ω(0.618cos01.280cos3π51.28sin3π54.043cos(-3π5)1.28sin(-3π5)4.043cosθ-sinθsinθcosθ02.5λm+0.206λmsinθ111)---(12)]]>根據非故障相反電勢(eA、eC、eD)求出故障相反電勢(eB、eE)eB=eA+eC2cos2π5eE=eA+eD2cos2π5---(13)]]>步驟6，根據非故障相電流表達式(6)或者(7)，以及故障相短路電流和其反電勢之間的關系，定義非故障相電壓指令uA*uC*uD*=2.2350.618cos00cos3π5sin3π5cos(-3π5)sin(-3π5)(cosθ-sinθsinθcosθud*uq*+0.1237eB+0.1237eE0.3806eB-0.3806eE)---(14)]]>或者，uA*uC*uD*=2.2350.618cos00cos3π5sin3π5cos(-3π5)sin(-3π5)cosθ-sinθsinθcosθud*uq*+0.17080.17080.7236-0.8944-0.89440.7236eBeE---(15)]]>步驟7，將自然坐標系上的非故障相電壓指令和各相反電勢(eA、eC、eD)分別相加得到期望相電壓指令uA**=uA*+eAuC**=uC*+eCuD**=uD*+eD---(16)]]>式(16)期望相電壓經電壓源逆變器采用基于零序電壓諧波注入的CPWM調制實現(xiàn)五相永磁體內嵌式容錯直線電機B相和E相短路故障情況下的無擾容錯運行。本發(fā)明提出的高性能不相鄰兩相短路故障容錯磁場定向控制策略如圖3所示。當B發(fā)生開路故障E相發(fā)生短路故障時，電機容錯運行在同步旋轉坐標系上的電流(id、iq)是式(8)或(9)中isc_B＝0的情況，自然坐標系上非故障相電壓指令是式(14)或(15)中eB＝0的情況，即將開路相的電流和反電勢設為零。當B發(fā)生短路故障E相發(fā)生開路故障時，電機容錯運行在同步旋轉坐標系上的電流(id、iq)是式(8)或(9)中isc_E＝0的情況，自然坐標系上非故障相電壓指令是式(14)或(15)中eE＝0的情況，即將開路相的電流和反電勢設為零。當其它不相鄰兩相發(fā)生短路或者一相開路一相短路故障時，只需將自然坐標系逆時針旋轉(k＝0、1、2、3、4；B相和E相故障時，k＝0；C相和A相故障時，k＝1；D相和B相故障時，k＝2；E相和C相故障時，k＝3；A相和D相故障時，k＝4))電角度，此時式(8)-(11)中θ由代替。按圖2和圖3在Matlab/Simulink中建立圖1所示五相永磁體內嵌式容錯直線電機的控制系統(tǒng)仿真模型，進行系統(tǒng)仿真，得五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路故障容錯磁場定向控制仿真結果。圖4是B相和E相短路故障下相電流波形，0.1s短路故障發(fā)生，電流波形發(fā)生畸變，0.2s施加本發(fā)明容錯磁場定向控制策略，電流正弦度改善。圖5是B相和E相短路故障下推力波形，0.1s時短路故障發(fā)生，電機輸出推力波動明顯，0.2s施加本發(fā)明短路容錯磁場定向控制策略，電機輸出推力脈動得到明顯抑制，幾乎沒有脈動。圖6和圖7分別是電機正常運行過程中推力指令發(fā)生階躍變化時的同步旋轉坐標系上的電流和電機輸出推力響應，推力響應時間為0.2ms。圖8和圖9是電機B相和E相發(fā)生短路故障情況下施加本發(fā)明短路容錯磁場定向控制策略后推力指令發(fā)生階躍變化時的同步旋轉坐標系上的電流和電機輸出推力響應，電機推力響應時間也是0.3ms。因此，本發(fā)明五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路故障容錯磁場策略能使電機具有正常運行時的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。另外，電流跟隨性能好，實現(xiàn)了無擾容錯運行。從以上所述可知，本發(fā)明用于五相永磁體內嵌式容錯直線電機不相鄰兩相短路容錯磁場定向控制策略在電機驅動系統(tǒng)允許最大電流情況下，不但能保證不相鄰兩相短路故障時電機輸出推力和正常狀態(tài)下一致，而且能明顯抑制電機不相鄰兩相短路故障后的推力波動，更為關鍵的是具有和故障前相近的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和電流跟隨精度，且適合任何不相鄰兩相發(fā)生短路故障的情況，通用性強，無需復雜計算，CPU開銷小。同時，本發(fā)明適用于不相鄰兩相一相開路一相短路故障情況下的五相永磁電機容錯控制，該控制器設計時只需將開路相的電流和反電勢設為零。因此，本發(fā)明在電磁主動懸架系統(tǒng)等對運行可靠性要求高的系統(tǒng)中擁有很好的應用前景。雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但實施例并不是用來限定本發(fā)明的。在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內，所做的任何等效變化或潤飾，均屬于本申請所附權利要求所限定的保護范圍。當前第1頁1 2 3