学术简报｜基于四桥臂拓扑的永磁同步电机断相容错控制策略
参会注册
长按识别左侧二维码，登录报名网站（先注册网站会员，然后提交报名信息）
会议微信号
北京航空航天大学惯性技术重点实验室、北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室、上海航天控制技术研究所的研究人员孟云平、周新秀、李红、崔业兵，在2019年第15期《电工技术学报》上撰文，为了保证断相后电机控制系统的安全可靠运行，针对星形联结的永磁同步电机（PMSM），该文提出一种基于四桥臂拓扑的断相容错控制策略。
首先根据断相后绕组电流和电压之间的关系，建立基于三相四桥臂拓扑的断相电机数学模型，解算出非故障相的补偿电流，并且利用相补偿电流与零轴电流的等效关系，计算出零轴电流参考控制量。针对传统前馈零轴电压补偿策略的不足，为了进一步提高零轴电流的跟踪控制性能，根据期望的动静特性设计出零轴电流闭环内模控制器，从而实现零轴电流的高精度跟踪控制。
仿真与实验结果表明，与传统前馈零轴电压补偿策略相比，该文提出的基于四桥臂拓扑的PMSM断相容错控制策略具有更好的稳态特性。
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）被广泛应用于工业、军事、航空航天等领域的电力驱动系统中，其性能和可靠性尤为重要。调查研究显示，由供电电压不稳、集电环连接脱落等因素造成的电机断相故障约占电机绕组损坏事故的50%以上，是PMSM常见的故障之一。
断相后电机运行在两相的状态下，非故障相绕组电流急剧增大，转矩脉动增大，电机控制性能下降，长时间运行甚至可能烧毁电机。因此，研究PMSM断相后的容错控制，减小断相后非故障相绕组的电流，抑制转矩脉动，保证电机驱动系统安全稳定运行，具有一定的实用意义。
为了降低PMSM转矩脉动，并实现有效的断相容错控制，常采用灵活简便的矢量控制方案。有学者采用空间矢量控制策略，基于正常与故障状态下的电机数学模型，通过计算断相前后dq轴电压的偏差，在dq轴电流PI调节器的输出端设计电压前馈补偿方案，有效抑制了断相造成的转矩脉动。
这种控制方法优点是故障前后无需修改控制策略，在断相后增加dq轴的补偿电压，就可以用故障相的信号直接驱动第四桥臂逆变器实现容错控制，大大简化了断相容错系统的设计过程。但是，由于补偿的前馈dq轴电压是根据理想模型直接计算得出，补偿效果依赖于系统参数，鲁棒性较差。
有学者通过计算中线电压的方法实现了断相转矩脉动的补偿，该方法简单有效。但补偿后dq轴电流存在一定范围的波动，偏差无法完全消除。为了实现断相后电流的跟踪控制，有学者提出一种滞环容错控制方法，通过计算非故障相电流与中线电流的幅值与相位，在三相静止与旋转坐标系下采用滞环控制器，实现了故障后电机的平稳运行。滞环控制器虽然可以实现电流的跟踪控制，但功率开关器件的开关频率不定。旋转坐标系下电流滞环控制虽然可以实现零轴电流的完全解耦，但采用dq轴电流滞环控制换相表较复杂。
内模控制具有原理简单、跟踪调节性能好、鲁棒性强等优点，被广泛应用于电机控制领域。针对故障电机的不同应用需求，基于内模控制原理的电流环与速度环具有比传统环路控制更优异的控制性能。有学者针对多相电机断相问题，基于内模控制原理，提出比例谐振控制器，实现了十五相电机的缺相容错控制，取得了良好的效果。但其应用对象为十五相电机，无法适用于三相电机的断相控制。
针对上述问题，本文提出了一种基于四桥臂拓扑的PMSM断相容错控制策略，利用相补偿电流与零轴电流的等效关系，计算补偿的前馈零轴电压，通过控制非故障相电压与载波电压大小控制逆变器的导通与关断。为了进一步提高零轴电流的跟踪控制性能，根据期望的动静特性设计出零轴电流闭环内模控制器，从而实现了零轴电流的高精度跟踪控制，提高了断相故障后电机运行的可靠性。
图6 基于四桥臂拓扑的PMSM断相容错控制系统框图
图10 PMSM实验系统
针对星形联结的PMSM的断相故障问题，本文首先建立了基于三相四桥臂拓扑的断相电机数学模型，得出正常与故障状态下的电磁转矩与q轴电流的关系，从而直接计算前馈零轴电压，实现了断相容错控制。为了提高零轴电流的跟踪控制性能，进一步提出了基于内模控制原理的三相四桥臂断相容错控制策略，该控制策略直接通过期望动态指标计算控制器参数，实现了零轴电流的高精度跟踪控制。
仿真与实验结果表明基于内模控制原理的三相四桥臂断相容错控制策略通过零轴电流闭环实现断相容错控制，性能优于根据零轴电流直接计算的传统前馈电压补偿控制策略，提高了断相故障后电机运行的可靠性。