考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法

1.本发明属于多相永磁电机领域，涉及短路故障下的容错控制技术。


背景技术：

2.永磁同步电机因其在效率和功率密度等方面的显著优势被广泛用于现代载运工具、航空航天、高端工业装备等领域。目前应用较多的为三相永磁同步电机，且其相关配套技术已经十分成熟。但传统三相永磁同步电机的容错能力较差，尤其当发生绕组开路或短路故障时，电机的输出转矩特性变差，甚至不能工作，难以满足纯电动汽车、航空航天等对电机系统可靠性和容错性能的苛刻要求。多相永磁电机的相冗余特性使其相对传统三相永磁电机有着更优的容错能力，可以满足纯电动汽车等领域未来发展对电机系统可靠性和容错性的需求。
3.绕组短路故障是永磁电机中危害较大的故障类型。当短路故障发生时，由于永磁磁通的存在，使得绕组中产生短路电流，影响电机的热特性和转矩输出特性。为了使多相永磁电机能够在短路故障下可靠工作，一方面需要对其进行耐短路电流的特殊设计，另一方面还需要开发相应的短路故障容错控制策略，以改善其在故障下的转矩输出特性。耐短路电流设计可以提高多相永磁电机在短路故障下的生存能力，而短路故障容错控制策略对于改善多相永磁电机在短路故障下的转矩输出特性等起到至关重要的作用。通常情况下，多相永磁电机的转子磁场中存在三、五次等高次谐波，转子磁场谐波会在绕组反电势和短路电流中产生谐波反电势和谐波短路电流，进而影响多相永磁电机在短路故障下的运行特性。在制定短路故障下的容错控制策略时，通过考虑转子磁场谐波的影响，有利于提高多相永磁电机在短路故障下的容错运行性能。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了改善五相永磁电机在短路故障下的转矩输出特性，提供了一种考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法。
5.本发明的考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法，该方法包括a相绕组端部短路的容错控制方法：
6.当发生a相绕组端部短路时，调整其剩余b、c、d、e四相绕组输入电流按
[0007][0008]
进行工作，以改善故障后转矩特性；
[0009]
式中，i
b1
、i
c1
、i
d1
、i
e1
分别为调整后的b、c、d、e相绕组电流，i
m1
为调整后b、c、d、e相绕组电流的幅值，ω为电流角频率，θ1、θ2、θ3、θ4分别为调整后的b、c、d、e相绕组电流的相
位；
[0010]
使合成电磁转矩中的平均转矩项尽可能大；约束二次波动转矩项和四次波动转矩项为零，再基于拉格朗日乘数法得到对应的目标函数p来获取θ1、θ2、θ3、θ4：
[0011][0012]
式中，i
as1
和i
as3
分别为a相绕组短路电流中的基波和三次谐波电流幅值；λ1、λ2、λ3和λ4为拉格朗日算子；e1、e3和e5分别为空载反电势的基波、三次和五次谐波的幅值；α为短路电流角；θj为调整后的相绕组电流相位j＝1,2,3,4，分别对应θ1、θ2、θ3、θ4。
[0013]
优选地，获取θ1、θ2、θ3、θ4的过程为：
[0014]
当a相绕组发生端部短路故障后，a相绕组短路电流中的主要成分表达式为：
[0015][0016]
式中，i
ashort
为a相绕组短路电流，i
as1
和i
as3
分别为a相绕组短路电流中的基波和三次谐波电流幅值，ω为电流角频率，α为短路电流角；
[0017]
当a相绕组发生端部短路故障后，调整其剩余b、c、d、e四相绕组输入电流的设定值，对应表达式为：
[0018]
[0019]
式中，i
b1
、i
c1
、i
d1
、i
e1
分别为调整后的b、c、d、e相绕组电流，i
m1
为调整后b、c、d、e相绕组电流的幅值，ω为电流角频率，θ1、θ2、θ3、θ4分别为调整后的b、c、d、e相绕组电流的相位；
[0020]
考虑转子磁场中的三、五次谐波时，五相永磁电机的五相绕组的空载反电势为：
[0021][0022]
式中，ea、eb、ec、ed和ee分别为a、b、c、d、e五相绕组的空载反电势，e1、e3和e5分别为空载反电势的基波、三次和五次谐波的幅值；
[0023]
当a相绕组发生端部短路故障后，五相永磁电机电磁转矩的表达式为：
[0024]
[0025]
式中，t
em
为合成电磁转矩，ω为电机转子的机械角速度，t
short0
、t
short2
和t
short4
分别为短路相绕组产生的制动电磁转矩中的平均制动转矩项、二次波动转矩项和四次波动转矩项，t0、t2和t4分别为四相正常绕组产生的电磁转矩中的平均转矩项、二次波动转矩项和四次波动转矩项；
[0026]
为了改善五相永磁电机在一相绕组端部短路故障后的转矩输出特性，需要使合成电磁转矩中的平均转矩项尽可能大，同时约束二次波动转矩项和四次波动转矩项为零，对应约束条件表达式为：
[0027][0028]
基于拉格朗日乘数法，得到对应的目标函数p的表达式为：
[0029][0030]
进而可以得到调整后的b、c、d、e相绕组电流的相位，即θ1、θ2、θ3、θ4。
[0031]
优选地，五相永磁电机相绕组发生部分匝短路时，通过控制逆变器开关管导通状态，将匝短路转化为端部短路状况处理；
[0032]
五相永磁电机的相绕组发生开关管短路时，通过控制短路开关管所在桥臂开关管的导通状态，将开关管短路转化为端部短路状况处理。
[0033]
优选地，将匝短路转化为端部短路状况的方法为：当发生匝短路时，控制短路相绕组所在两个桥臂的开关管导通状态为两个上桥臂开关管导通、封锁两个下桥臂开关管门极驱动信号，或两个下桥臂开关管导通、封锁两个上桥臂开关管门极驱动信号；
[0034]
将开关管短路转化为端部短路状况的方法为：当某一上桥臂开关管发生短路时，控制另一上桥臂开关管导通、封锁两个下桥臂开关管门极驱动信号；当某一下桥臂开关管发生短路时，控制另一下桥臂开关管导通、封锁两个上桥臂开关管门极驱动信号。
[0035]
优选地，五相永磁电机的不同相绕组之间没有磁耦合。
[0036]
优选地，五相永磁电机采用允许中性点电流不为零的五相多桥臂逆变器进行供电，所述允许中性点电流不为零的五相多桥臂逆变器进行供电为五相全桥逆变器或五相六桥臂逆变器。
[0037]
本发明的有益效果：本发明公开考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法，在五相永磁电机在一相绕组发生短路故障时，能够有效改善五相永磁电机在故障后的转矩输出特性。
附图说明
[0038]
图1是五相全桥逆变器拓扑示意图；
[0039]
图2是五相六桥臂逆变器拓扑示意图；
[0040]
图3是部分匝短路故障时形成绕组端部短路故障对应的开关管导通状态示意图；
[0041]
图4是五相全桥逆变器中发生开关管短路故障时，通过控制同桥臂其他开关管导通状态以形成绕组端部短路故障的示意图。
具体实施方式
[0042]
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0043]
本发明所述的考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法针对一相绕组发生短路故障的情况，其中短路故障涵盖绕组的端部短路和部分匝短路，以及绕组所在的逆变器桥臂发生开关管短路这几种情况中的一种或其组合。
[0044]
五相永磁电机的不同相绕组之间没有磁耦合。
[0045]
五相永磁电机采用五相全桥逆变器、五相六桥臂逆变器或其他允许中性点电流不为零的五相多桥臂逆变器进行供电。
[0046]
具体实施方式一：下面结合图1至图2说明本实施方式。本实施方式所述考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法，a、b、c、d、e任意一相绕组端部短路故障的容错控制方法相同，以a相绕组端部短路为例，说明五相永磁电机在任意一相绕组端部短路时的容错控制方法为：
[0047]
为了考虑转子磁场高次谐波对短路故障下转矩输出特性的影响，同时兼顾电流求解过程的数据量，在分析a相绕组短路电流时主要考虑了对短路电流影响较大的转子磁场三次谐波，在分析各相绕组反电势时则同时考虑了转子磁场的三、五次谐波的影响；
[0048]
当a相绕组发生端部短路故障后，此时a相绕组短路电流中的主要成分表达式为：
[0049][0050]
式中，i
ashort
为a相绕组短路电流，i
as1
和i
as3
分别为a相绕组短路电流中的基波和三次谐波电流幅值，ω为电流角频率，α为短路电流角；
[0051]
短路电流角α的表达式如下：
[0052][0053]
式中，l0为a相绕组自感，r0为a相绕组电阻；
[0054]
当a相绕组发生端部短路故障后，调整其剩余b、c、d、e四相绕组输入电流的设定值，对应表达式为：
[0055][0056]
式中，i
b1
、i
c1
、i
d1
、i
e1
分别为调整后的b、c、d、e相绕组电流，i
m1
为调整后b、c、d、e相绕组电流的幅值，ω为电流角频率，θ1、θ2、θ3、θ4分别为调整后的b、c、d、e相绕组电流的相位；
[0057]
考虑转子磁场中的三、五次谐波时，五相永磁电机的五相绕组的空载反电势为：
[0058][0059]
式中，ea、eb、ec、ed和ee分别为a、b、c、d、e五相绕组的空载反电势，e1、e3和e5分别为空载反电势的基波、三次和五次谐波的幅值；
[0060]
当a相绕组发生端部短路故障后，五相永磁电机电磁转矩的表达式为：
[0061][0062]
式中，t
em
为合成电磁转矩，ω为电机转子的机械角速度，t
short0
、t
short2
和t
short4
分别为短路相绕组产生的制动电磁转矩中的平均制动转矩项、二次波动转矩项和四次波动转矩项，t0、t2和t4分别为四相正常绕组产生的电磁转矩中的平均转矩项、二次波动转矩项和四次波动转矩项；
[0063]
为了改善五相永磁电机在一相绕组端部短路故障后的转矩输出特性，需要使合成电磁转矩中的平均转矩项尽可能大，同时约束二次波动转矩项和四次波动转矩项为零，对应约束条件表达式为：
[0064][0065]
基于拉格朗日乘数法，得到对应的目标函数p的表达式为：
[0066][0067]
式中，λ1、λ2、λ3和λ4为拉格朗日算子；
[0068]
进而可以得到调整后的b、c、d、e相绕组电流的相位，即θ1、θ2、θ3、θ4。
[0069]
实施例：下面给出一个一相绕组端部短路故障情况下的具体实施例。
[0070]
以一台15槽12极的五相永磁电机为例，分别给出该五相永磁电机在正常状态、一相绕组端部短路状态、采用本发明所属方法后的输出转矩特性，如表1所示，进而来说明本发明所述方法的优点。
[0071]
表1正常状态及a相端部短路故障状态下的转矩特性对比
[0072][0073]
可以看出，采用本发明所述的考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法，可以显著降低五相永磁电机在一相绕组端部短路故障下的转矩波动，进而能够更好地满足系统应用需求。
[0074]
具体实施方式二：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，短路故障涵盖绕组的端部短路和部分匝短路，以及绕组所在的逆变器桥臂发生开关管短路这几种情况中的一种或其组合。
[0075]
实施方式一给出的技术方案是针对绕组端部短路故障的情况，那么当发生部分匝短路，以及绕组所在的逆变器桥臂发生开关管短路两种情况时，只需将这两种情况转化为端部短路故障类型再按实施方式一所述控制方法进行就可以了。下面给出具体方案。
[0076]
五相永磁电机的任意一相绕组发生部分匝短路时，通过控制逆变器开关管导通状态，将该相绕组端部短路；五相永磁电机的任意相邻两相绕组分别发生部分匝短路时，通过控制逆变器开关管导通状态，将发生短路的两相绕组端部分别短路；五相永磁电机的任意相隔两相绕组分别发生部分匝短路时，通过控制逆变器开关管导通状态，将发生短路的两相绕组端部分别短路。
[0077]
将匝短路转化为端部短路状况的方法为：当发生匝短路时，控制短路相绕组所在两个桥臂的开关管导通状态为两个上桥臂开关管导通、封锁两个下桥臂开关管门极驱动信号，或两个下桥臂开关管导通、封锁两个上桥臂开关管门极驱动信号。参见图3，以a相绕组发生部分匝短路为例进行说明，将开关管vt1和vt3控制于导通状态，封锁开关管vt2和vt4的门极驱动信号，使a相绕组形成端部短路；或将开关管vt2和vt4控制于导通状态，封锁开关管vt1和vt3的门极驱动信号，也可以使a相绕组形成端部短路。其它相绕组发生部分匝短路的处理方式相同。
[0078]
五相永磁电机任意一相绕组所在桥臂的任意一个开关管发生短路时，通过控制该短路开关管所在桥臂开关管的导通状态，将该相绕组的端部短路；五相永磁电机的任意相邻两相绕组分别发生开关管短路时，通过控制短路开关管所在桥臂开关管的导通状态，将发生短路的两相绕组端部分别短路；五相永磁电机的任意相隔两相绕组分别发生开关管短路时，通过控制短路开关管所在桥臂开关管的导通状态，将发生短路的两相绕组端部分别短路。
[0079]
将开关管短路转化为端部短路状况的方法为：当某一上桥臂开关管发生短路时，控制另一上桥臂开关管导通、封锁两个下桥臂开关管门极驱动信号；当某一下桥臂开关管发生短路时，控制另一下桥臂开关管导通、封锁两个上桥臂开关管门极驱动信号。
[0080]
参见图4，以a相绕组所在逆变器桥臂的开关管发生短路为例进行说明，假设图4中的开关管vt3发生短路后，封锁开关管vt2和vt4的门极驱动信号，同时保持开关管vt1处于导通状态，将绕组所在开关管的短路故障转化为绕组端部短路故障，为后续短路故障的容错控制减小难度。
[0081]
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

技术特征：
1.考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法，其特征在于，该方法包括a相绕组端部短路的容错控制方法：当发生a相绕组端部短路时，调整其剩余b、c、d、e四相绕组输入电流按进行工作，以改善故障后转矩特性；式中，i
b1
、i
c1
、i
d1
、i
e1
分别为调整后的b、c、d、e相绕组电流，i
m1
为调整后b、c、d、e相绕组电流的幅值，ω为电流角频率，θ1、θ2、θ3、θ4分别为调整后的b、c、d、e相绕组电流的相位；通过重构圆形旋转磁动势，并基于拉格朗日乘数法得到对应的目标函数p来获取θ1、θ2、θ3、θ4：式中，i
as1
和i
as3
分别为a相绕组短路电流中的基波和三次谐波电流幅值，ω为电流角频率，α为短路电流角，e1、e3和e5分别为空载反电势的基波、三次和五次谐波的幅值，λ1、λ2、λ3和λ4为拉格朗日算子，θ
j
为调整后的相绕组电流相位j＝1,2,3,4，分别对应θ1、θ2、θ3、θ4。2.根据权利要求1所述一种考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法，其特征在于，获取θ1、θ2、θ3、θ4的过程为：考虑转子磁场中的三、五次谐波时，五相永磁电机的五相绕组的空载反电势为：
式中，e
a
、e
b
、e
c
、e
d
和e
e
分别为a、b、c、d、e五相绕组的空载反电势，e1、e3和e5分别为空载反电势的基波、三次和五次谐波的幅值；当a相绕组发生端部短路故障后，五相永磁电机电磁转矩的表达式为：式中，t
em
为合成电磁转矩，ω为电机转子的机械角速度，t
short0
、t
short2
和t
short4
分别为短路相绕组产生的制动电磁转矩中的平均制动转矩项、二次波动转矩项和四次波动转矩项，t0、t2和t4分别为四相正常绕组产生的电磁转矩中的平均转矩项、二次波动转矩项和四次波动转矩项；
为了改善五相永磁电机在一相绕组端部短路故障后的转矩输出特性，需要使合成电磁转矩中的平均转矩项尽可能大，同时约束二次波动转矩项和四次波动转矩项为零，对应约束条件表达式为：基于拉格朗日乘数法，得到对应的目标函数p的表达式为：
进而可以得到调整后的b、c、d、e相绕组电流的相位，即θ1、θ2、θ3、θ4。3.根据权利要求1所述考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法，其特征在于，五相永磁电机相绕组发生部分匝短路时，通过控制逆变器开关管导通状态，将匝短路转化为端部短路状况处理；五相永磁电机的相绕组发生开关管短路时，通过控制短路开关管所在桥臂开关管的导通状态，将开关管短路转化为端部短路状况处理。4.根据权利要求3所述考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法，其特征在于，将匝短路转化为端部短路状况的方法为：当发生匝短路时，控制短路相绕组所在两个桥臂的开关管导通状态为两个上桥臂开关管导通、封锁两个下桥臂开关管门极驱动信号，或两个下桥臂开关管导通、封锁两个上桥臂开关管门极驱动信号；将开关管短路转化为端部短路状况的方法为：当某一上桥臂开关管发生短路时，控制另一上桥臂开关管导通、封锁两个下桥臂开关管门极驱动信号；当某一下桥臂开关管发生短路时，控制另一下桥臂开关管导通、封锁两个上桥臂开关管门极驱动信号。5.根据权利要求1所述考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法，其特征在于，五相永磁电机的不同相绕组之间没有磁耦合。6.根据权利要求1所述考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法，其特征在于，五相永磁电机采用允许中性点电流不为零的五相多桥臂逆变器进行供电，所述允许中性点电流不为零的五相多桥臂逆变器进行供电为五相全桥逆变器或五相六桥臂逆变器。

技术总结
考虑转子磁场谐波的五相永磁电机短路故障容错控制方法，属于多相永磁电机领域，本发明为改善五相永磁电机在短路故障下的转矩性能，使电机具备短路故障下平稳运行的能力。本发明方法在发生短路故障时仅调整非短路相电流相位，抑制故障后转矩中的2、4次转矩波动成分，以维持低转矩波动特性，进而实现平稳容错运行。短路故障分为一相绕组端部短路故障、一相绕组匝间短路故障和逆变器开关管短路故障三种类型，限定条件为不约束零序电流，本发明在保证电机转矩输出能力的前提下，有效的降低了五相电机发生一相绕组端部短路故障、一相绕组匝间短路故障和逆变器开关管短路故障时容错运行的转矩波动。错运行的转矩波动。错运行的转矩波动。


技术研发人员：隋义 杨士杰 苑子航 梁晓宇 郑萍
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.03.03
技术公布日：2022/5/25