五相永磁同步电机的短路容错控制策略对比研究

孙剑桥

摘 要：随着多相永磁电机的发展，对提高其可靠性的方法研究日益广泛。文章针对五相永磁同步电机的一相短路故障的容错控制方法进行对比分析；在Matlab中建立电压源激励的五相PMSM模型，对一相短路故障容错策略进行仿真验证其可行性。

关键词：五相永磁同步电机；短路故障；容错控制；Matlab仿真

中图分类号：TM34 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0079-02

Abstract： With the development of multi-phase permanent magnet motor （PMSM）， the research on the methods to improve its reliability is more and more extensive. In this paper， the fault tolerant control methods of one phase short circuit fault of five phase permanent magnet synchronous motor are compared and analyzed. The five-phase PMSM model of voltage source excitation is established in Matlab， and the fault tolerant strategy of one-phase short circuit fault is simulated to verify its feasibility.

Keywords： five-phase permanent magnet synchronous motor （PMSM）； short-circuit fault； fault tolerant control； Matlab simulation

1 多相PMSM容错控制方法的研究现状

近几十年来，电机容错技术发展的非常快，电机的相数也不再受技术的制约，多相电机的容错技术已经推广应用到诸多领域，这势必对多相PMSM的可靠性有很高的要求。电机的主要且影响最恶劣的故障情况就是绕组故障，多相永磁电机故障时的容错控制法，目前主要有：硬件容错法和软件容错法。

本文使用软件容错法，从理论上提出电压容错控制策略对一相短路故障下的五相永磁同步电机进行容错，并在MATLAB仿真实验下验证该方法的可行性。

2 五相PMSM电压源激励的数学模型

2.1 自然坐标系下的模型

电压方程 ；磁链方程： ；

转矩方程 ；

机械运动方程：

以上四个方程用来模拟五相PMSM自然坐标系下的数学模型，描述了各个变量间的关系。但可看出，变量之间关系错综复杂，不仅与时间有关还与空间角度有关，因此自然坐标系下的五相PMSM模型是一个耦合关系多、较复杂的系统，故引入旋转坐标系模型。

2.2 旋转坐标系下的模型

坐标变换为矢量控制等高性能控制技术奠定了坚实的理论基础。由于自然坐标系下的模型是一个耦合多变的高阶非线性系统，因此引入旋转坐标系下的模型，需要通过CLARK变换和PARK变换实现这两种坐标系下的模型转换。图1是建立的电压源激励模块为了后续仿真使用。

3 一相短路故障时电压容错策略

由于短路情况下，虽然该相电流不是固定值，但短路相电压恒为0，下面对各相电压进行分析，设A相相位为0，每相相差72°，则各正常情况下各相通入电压为：

式3.1

当一相短路时，A相电压为0，参照对比一相开路情况下A相电流为0的电流容错控制策略，可得一相短路时电压容错控制策略如下：

式3.2

4 容错策略的仿真验证

图2为电机的输出转矩波形图，电机从0时刻开始带负载正常启动，在接近0.4s时发生一相短路故障，可见其转矩忽然降低且脉动变大，会影响电机的正常运行，使电机失步。

当在短路情况下，A相电压为0，给其它各相施加以下电压时，电机将恢复正常。（图3）

一相短路电压容错策略下的转矩波形图如图4所示。

由以上分析和仿真可知：在一相短路電压容错策略下，电机的转矩恢复平滑，脉动减小，能够正常平稳运行。验证了一相短路情况下电压容错策略的可行性。

5 结束语

本研究从磁动势不变的原则出发，推导了五相PMSM一相短路时，其余相电压的容错调整方案，并建立了一种电压源激励的仿真模型，对推导的容错电压策略进行了验证，证明了推导过程和容错策略的正确性。又由于当短路时，短路相电压为0，因此短路时电压容错策略具有通用性。

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