基于虚拟绕组和全阶观测器的五相感应电机无速度传感器容错控制策略
彭忠 郑泽东 刘自程 王奎 李永东
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171347
1
导语
多相电机驱动系统可靠性高、容错能力强、控制自由度更多。本文提出了虚拟绕组容错控制的思路，电机断相故障工况与正常工况下采用统一的控制算法框架。算法将断相故障转换为空间尺度下控制指令的约束，同时在时间尺度下加入谐波平面的谐波抑制算法，实现时空协同容错控制；另一方面，引入全阶观测器估计电机磁链和速度，实现多相感应电机驱动系统无速度传感器容错控制。
在五相感应电机实验平台上验证了所提算法的有效性，实现了电机断相工况下转子磁链和转子转速的准确估计，输出转矩波形中的脉动分量得到有效消除，断相切换过程平滑过渡。
2
研究背景
在船舶电力推进、电动汽车等领域中，多相电机驱动系统由于具有控制自由度多、可靠性高、容错能力强等特点得到了广泛应用。如何利用多相电机的多维自由度实现更高性能的容错控制一直是该领域研究中的热点问题。
此外，无速度传感器矢量控制系统由于省去了速度传感器，从而降低了系统成本、减少了系统维护工作、进一步提高了系统可靠性。因此，容错无速度传感器控制算法的应用对于多相电机驱动系统可靠性的提升有重要意义。
3
论文所解决的问题及意义
优化电流控制方法由于具有实现简单、容错性能好等优点，在多相电机的容错控制中得到了广泛应用。但这种方法也存在着PR、滞环控制器等电流控制算法工程实现复杂，无法兼顾故障容错与谐波抑制等缺点。本文基于虚拟绕组的思想，采用正负序PI控制器实现容错控制，并将谐波抑制算法与容错控制整合。与传统方法相比，所提出的方法在工程上易于实现，并可以实现容错运行与谐波抑制的兼顾，显著降低故障运行下的转矩脉动与电机损耗。
采用虚拟绕组的思想与上方所提出的容错算法后，故障状态下的磁链观测的准确性可以得到保证。因此，可以采用与正常工况下完全相同的无速度传感器算法实现无扰动的无速度传感器运行。本文将全阶转速观测器与提出的容错算法相结合，可以大幅降低故障状态下转速估计脉动，提升转速控制性能。
4
论文的方法及创新点
本文采用了虚拟绕组的思想，在某一相绕组发生故障时，该相绕组切除后，将故障相的等效为电流为0的正常绕组，称为虚拟绕组。正常工况与故障工况之间的唯一区别在于虚拟绕组电流参考值不同，因此可以采用统一的控制算法实现。
在电流控制中，本文采用了广义对称分量法，将定子每相的电量变换到对称分量坐标系下，并进一步转换到正负序坐标系中，这样就可以根据相电流参考值，利用PI控制器实现对相电流基波分量的控制。
在谐波抑制方面，本文将定子电流变换到谐波平面，并利用PI控制器得到相应的补偿电压指令，并将该电压指令与正负序PI控制器电压指令叠加，实现容错控制与谐波抑制的兼顾。
在无速度传感器控制方面，本文采用了全阶转速观测器，实现故障工况下无扰动无速度传感器运行。
虚拟绕组原理示意图
本文的主要创新点有两点：1）将虚拟绕组的思想与广义对称分量法结合，实现了正常工况与故障工况控制算法的统一，并采用正负序PI控制器代替了常用的PI控制器，算法的工程应用变得更加简单；2）利用虚拟绕组思想，解决了容错无速度传感器运行中存在的转速估计脉动的问题，实现了故障工况下准确的转速观测。
5
结论
(1)本文采用虚拟绕组的思想，算法实现方式上利用广义对称分量法推导得到相应断相工况下的断相空间约束指令，构建了正常工况和容错工况下统一的控制算法框架。
(2) 与传统容错算法相比，本文采用较简单的PI电流控制器，在时间尺度下加入谐波抑制算法，实现容错控制与谐波抑制的兼顾。
(3) 基于虚拟绕组法，采用全阶磁链观测器，实现了多相感应电机全工况下的无速度传感器统一算法。在断相工况下能实现准确的转速估计，各相电流低次谐波含量少，电机损耗减小；电机发生断相故障前后能保持稳定的输出转矩和良好的动态调整性能。
彭忠, 郑泽东, 刘自程, 王奎, 李永东. 基于虚拟绕组和全阶观测器的五相感应电机无速度传感器容错控制策略[J]. 电工技术学报, 2018, 33(21): 4949-4961.
Peng Zhong, Zheng Zedong, Liu Zicheng, Wang Kui, Li Yongdong. A Novel Sensorless Fault-Tolerant Control of Five-Phase Induction Machine Using Virtual Winding and Full-Order Observer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(21): 4949-4961.
作 者 简 介
清华大学
彭 忠 男，1991年生，清华大学电机工程与应用电子技术系硕士研究生，研究领域为多相感应电机控制。
郑泽东 男，1980年生，清华大学电机工程与应用电子技术系副教授，研究领域为交流电机控制、电力电子变压器、多电平电力电子变换器、机车牵引与船舶推进。曾获得2013年电工技术学会科学技术奖一等奖等奖项。
刘自程 男，1989年生，华中科技大学电气与电子工程学院，副研究员。研究领域为多相电机驱动控制，舰船电力推进等电气化交通技术。入选2016年“博士后创新人才支持计划”。
王 奎 男，1984年生，清华大学电机工程与应用电子技术系助理研究员，研究领域为多电平变换器、电力传动。
李永东 男，1962年生， 清华大学电机工程与应用电子技术系教授，“天山学者”特聘教授。研究领域为大容量电力电子变换器及其在调速节能领域的应用、交流电机的全数字化控制及其在数控机床、高铁电力牵引和舰船电力推进中的应用、新能源发电。曾获得2014年中国机械工业联合会与中国机械工程学会科学技术奖特等奖、2008年北京市科技进步奖三等奖等奖项。