- 頭條十五相永磁同步電機的驅動控制與容錯運行2020-05-11 作者：匡志、杜博超、徐浩、趙天旭、崔淑梅 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院的研究人員匡志、杜博超、徐浩、趙天旭、崔淑梅，在2019年第13期《電工技術學報》上撰文，為進一步提高多相電機系統的容錯能力，該文提出一種3×5相永磁同步電機（PMSM），該電機繞組采用星形聯結且三個中性點彼此獨立結構，并對一相開路故障的五相繞組直接進行不降額的解耦控制與電流最優的滯環容錯控制。 首先，分析3×5相PMSM定子電壓與磁鏈方程，并建立三dq軸矢量控制模型；其次，在一相繞組開路的容錯運行條件下，比較五相六橋臂空間矢量脈寬調制（SVPWM）容錯控制與電流滯環容錯控制的實現方式，并對兩者的相電流進行諧波分析；最后，搭建基于FPGA的十五相永磁同步電機驅動控制實驗平臺，解決了多路PWM輸出同步與PWM輸出管腳數量受限的問題。 仿真和實驗結果證明了所建立的電機控制模型與容錯控制理論分析的正確性。
多相電機因具有功率密度高、可靠性高和容錯能力強等優點，在艦船驅動、多電飛機等現代交流傳動的特殊應用場合受到廣泛關注。在大功率驅動場合，傳統三相電機一般采用多電平技術或功率器件串并聯來滿足功率使用要求，但其驅動控制結構復雜，易降低電機系統可靠性，且容錯能力較差。
目前學者們一般通過增加電機相數來降低每相功率器件容量要求，各種多相電機驅動的拓撲結構也應運而生。但多相電機大多數采用m套三相繞組電機結構，一般有m個中性點，一旦一相繞組開路，一般只能切除開路相所在整套繞組單元來進行降額運行，或者將切除的整套繞組單元的輸出功率分配到其他正常工作繞組上。
本文提出一種3×5相永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM），該電機繞組采用星形聯結且三個中性點相互獨立結構，當一相繞組開路時，直接對包含該開路相繞組的五相繞組進行不降額容錯控制運行。3×5相PMSM由三套五相繞組構成，每套五相繞組保留了多相電機本有的容錯能力。
王東等對非正弦對稱的5×3相感應電機進行了一定研究，建立了感應電機數學模型，并對其定子漏抗、電動勢進行了推導計算。吳新振等分析了多相電機定子繞組的組合空間分布對磁動勢諧波含量的影響。多相電機控制一般利用坐標變換將定子電流變換到正交平面進行空間解耦。
為了保證電機繞組開路故障后獲得平穩的轉矩輸出，多相電機容錯控制一般從瞬時轉矩或磁鏈不變的角度考慮，調整輸出電流相位和幅值，或者通過冗余來完成容錯，其容錯運行歸納為斷相解耦控制和最優電流滯環容錯控制兩大類。
本文對3×5相PMSM定子繞組不同結構進行分析，建立三dq軸矢量控制模型。在3×5相PMSM一相繞組開路時，分別進行五相六橋臂SVPWM容錯控制和最優電流滯環容錯控制，并在相同負載條件下，對十五相PMSM相電流進行諧波分析。同時對基于FPGA的十五相PMSM驅動控制系統進行研究，解決了多路PWM輸出同步與PWM輸出管腳數量受限的問題。
圖7 基于FPGA的十五相PMSM控制原理框圖
圖8 實驗平臺
結論
本文分析了繞組采用星形聯結且三個中性點相互獨立結構的3×5相PMSM定子電壓與磁鏈方程，并建立了三dq軸矢量控制模型，仿真和實驗數據驗證了理論分析和所建立控制模型的正確性。
研究不同PWM調制方式的五相繞組容錯控制方法，通過五相六橋臂SVPWM容錯控制和電流滯環容錯控制的仿真與實驗分析，表明電流滯環容錯控制與五相六橋臂SVPWM容錯控制相比，雖然總諧波含量較大，但其低次諧波含量更小。
電流滯環容錯控制方式相比SVPWM容錯控制方式更靈活，在針對不同開路故障條件下，需要選擇適合的容錯方法。通過對五相六橋臂SVPWM容錯時的各相電流推導，發現該方法是一種保證磁動勢不變的特殊控制方式。
最后搭建了基于FPGA的十五相PMSM驅動控制實驗平臺，解決了多路PWM輸出同步與PWM輸出管腳數量受限的問題。
