【《六相永磁同步电机（PMSM）缺相运行分析及其容错仿真分析案例》2600字】

第PAGEIII页六相永磁同步电机（PMSM）缺相运行分析及其容错仿真分析案例1.1六相PMSM两相绕组开路时磁势和电磁转矩分析假设六相PMSM中有两相绕组中无电流产生，也不会产生磁势，即两相绕组出现断路故障，则此两相故障绕组存在是否为正交的两相故障绕组，因此需要进行分类讨论，如果是正交两相故障，假定出现断路故障的是六相电机的A、F两相，则由上述结论得知：A、F两相中不会有电流流过定子绕组，同理，磁势也为零。则另外四相正常相的磁势和电流分别是：（4-1）（4-2）除去故障的两相，其余各相绕组的磁势总和是：（4-3）化简得：（4-4）当六相PMSM中发生断路的两相为正交绕组时，永磁体磁势和其它各相绕组所合成的总的磁势投影在交轴上的夹角仍成90，然而和无短路故障相出现时相比，出现断路故障后除故障相之外的其它相合成总磁势的幅值降低了33.3%，此时的电磁力矩为:（4-4）如果发生故障的两相定子绕组为非正交，以C、F两相为例，则同理得知：两相定子绕组中无电流通过且无磁动势产生。其余非故障四相的电流和磁动势分别如下：（4-5）（4-6）剩余各相绕组所合成的总磁势为：（4-7）化简得：（4-8）由上述公式分析可知，正转分量和反转分量构成了其他正常相定子绕组所合成的总磁势。正转分量与反转分量均和q轴重合，而正转分量和q轴进行同一速度旋转，反转分量则以和q轴相同的速度反向旋转。由此可知q轴上不再存在正、反两分量所合成的磁动势，合成的磁动势此时是与d轴成夹角。则此时的电磁转矩Tem为：（4-8）其他任意非正交两相绕组故障分析方法综上所述。当六相永磁同步电机发生两级开路故障时，故障相没有电流通过，也没有磁势，将其分为正交两相发生故障和非正交两相发生故障。分析表明，如果六相永磁同步电动机的两相绕组正交，则正常剩余定子绕组的总磁势仍与q轴重合，故障后组合磁势幅值的大小降低了33.3%，因此，本章主要分析了两相绕组非正交时发生故障。偏30°两Y型六相永磁同步电机采用磁场定向控制策略时，非正交绕组在两个阶段的故障，对于两级非正交绕线焊枪，对绕组合成的总磁势的分析表明，故障绕组组合产生的磁势的幅值会减小，而且磁势的相位将不再与q轴重合，因此发动机控制系统的性能将显著降低。1.2六相PMSM基于定子磁动势不变的补偿控制六相PMSM容错控制是确保故障发生后剩余相所合成的磁势与正常状态下定子绕组所合成的磁势相等，经过对剩余正常相电流的幅值和相位进行调节，以弥补由于缺相所导致的磁势损失。本文主要对六相PMSM发生非正交两相绕组断路故障进行容错控制补偿研究。对于六相永磁同步电机进行容错控制，通过对电机缺相状态进行研究分析，主要是为了将相应的电流矢量供给，进一步提供给永磁电机足够的旋转磁动势，进而达到其在短暂的时间内能够满载运行或在较长一段时间里可以实现降载运行。因此，一定要将电机在缺相状态时定子绕组的绝缘、对永磁体性能的影响等诸多因素考虑进来。最后拟定在进行容错补偿控制时应满足如下几点条件：（1）补偿控制后的各相容错电流最大值是各相定子绕组能承受过载倍数的最大值。（2）检测为缺相故障后电机不会停机，直接进入补偿控制算法。（3）补偿后定子绕组所合成磁动势不能大于正常运行时电机所合成的磁动势，为了使电动机产生的损耗最低，还应满足磁动势运行轨迹呈现圆形、每一相容错电流幅值都尽可能小等条件。假设六相永磁同步电机C、F相定子绕组发生开路故障，记剩余定子绕组A、D、B、E四相绕组电流分别为iA’、iB’、iC’、iD’，四相定子电流产生的磁势分别为：（4-9）剩余四相定子绕组合成磁势：（4-10）为了确保C、F两相定子绕组故障前后合成磁动势不变，分析得：（4-11）（4-12）则：（4-13）把n=A、D、B、E代到式（4-13）中并合并同类项后有：（4-14）上式等号左右两边相等则有：（4-15）定子绕组采取无中线连接，所以各定子绕组产生电流瞬时值和为0，有：（4-16）记：（4-17）组成一个六方程八变量的方程组，从理论角度分析此方程组会有N个解，所以如果要求出唯一解，应加入约束条件。最常用的约束原则是铜耗相等和铜耗最小。为使工程控制上更为便利，一般选取铜耗相等作为约束条件，即当非正交两相定子绕组开路后，剩余四相定子绕组产生的电流幅值相等，可得下列约束方程：（4-18）从容错后电流表达式可看出，容错电流的幅值和相位均发生改变，剩余正常相的电流幅值增大了3.46倍。使用上述方法，能推导出缺任意两相时，剩余正常相的电流所应调整的幅值和相位大小，用以补偿因缺相导致的磁动势损失。上面计算过程中需要对繁琐的多元方程组求解，因此计算量很大，当研究的电机相数比较多时，例如研究对象变为十相永磁同步电机、十二相永磁同步电机时，其计算和推导的过程更加繁琐。而且缺相后多相电机的内部参数也会改变例如互感、自感等，然而此算法并未将电磁参数变化这一因素考虑进来。1.3六相PMSM容错系统仿真六相PMSM容错控制系统与第二章节中图2-4大致相同，但应该将2r/6s坐标变换变为2r/4s模块，根据容错电流搭建2r/4s模块，把其值送入电流滞环控制模块中。其余模块无需改动。2r/4s坐标变换及电流滞环控制模块分别如图4-1~图4-2所示，图4-3~4-6依次是六相PMSM容错后的转速、电磁转矩、六相定子绕组电流波形。仿真条件：起初六相PMSM进行空载运行，在其稳定运转后，于0.3s时突加20Nm负载。当其重新稳定运转后，于0.4s时刻模拟非正交两相故障，故将C、F两相断开，于0.5s时刻切换滞环控制。图4-1(2r/4s)坐标系间变换图4-2电流滞环控制模块从图4-3分析来看，在0.4s电机C、F两相定子绕组出现开路故障时，转速不再稳定在目标转速，转速开始剧烈波动并有所下降，经0.5s电流补偿后于0.6s电机重新达到目标转速270r/min，但电机有明显超调。图4-3转速波形图图4-4为电磁转矩容错后的波形，从图中发现，在0.4s电机的C、F两相定子绕组发生开路故障，可以看到电磁转矩产生大起伏的脉动，其原因是转速的波动导致的，转矩脉动与转速波动的时间相同，0.5s进行容错补偿控制后，电磁转矩脉动在一瞬间内幅值突然增大，经过0.1s后，在0.6s时电机转矩脉动大幅度减小，电磁转矩趋于稳定并且波形得到极大改善。图4-4转矩波形图图4-5为故障后剩余四相电流的波形，可看到剩余相电流发生明显变，各相电流的幅值不再相等，相角也发生偏移，波形不再呈规律的正弦波形。图4-5电流故障波形图图4-6为整个控制系统的六相电流波形，0~0.3s电机空载运行时，电流幅值为4A，呈规律