基于Matlab的五相永磁同步电机缺相故障容错仿真研究

论文总字数：33468字

摘 要

近年来人类发展和能源开采与环境的污染之间的矛盾愈发突出，寻找新的清洁能源代替传统化石能源迫在眉睫。其中，研究环境友好型的安全舒适的电动汽车是必然的发展趋势。而电机及其控制技术是电动汽车的关键技术之一，是研究开发电动汽车必须要解决的重要问题。与传统的三相电机相比，多相型五相永磁同步电机具有高转矩密度、高效率、高精度和使用寿命长等优点，非常适合作为汽车用驱动电机。而汽车最重要的是安全性，为了保证行驶的安全性，汽车用五相永磁同步电机的必须具备容错运行的能力。本文通过对控制理论的研究，在MATLAB/SIMULINK平台下对电机容错控制进行了仿真。

本文首先介绍了课题研究背景，阐述了课题研究目的。之后介绍了五相永磁同步电机驱动拓扑结构和电机的数学模型。然后根据电机的数学模型建立了正常态的五相永磁同步电机仿真模型，并对仿真结果进行了分析。紧接着介绍了容错控制策略。最后对单相开路，相邻两相开路和相隔两相开路故障下的情形进行了建模与仿真，并对三种故障情形在不同故障时间点的动态仿真结果进行了分析。

关键词：五相永磁同步电机，缺相故障，容错控制，MATLAB

ABSTRACT

In recent years, the contradiction between the development of human and consumption of resources with toxic gas emitted into air becomes more and more serious. Hence, finding environmental resources to the replace traditional one is an essential issue. With no doubt, it is a trend to develop electric vehicle with many advantages including safety and protection. And controlling the motor is one of the key technologies when it comes to EV. Also it is an inevitable problem waiting to be solved. Five-phase PMSM especially fits EV, since it has higher torque density, efficiency, precision and even longer operating life comparing with traditional three-phase motor. Furthermore, safety is extremely important to EV, so the five-phase must has the ability of fault-tolerance. This paper focuses on building fault-tolerance five-phase PMSM models on the MATLAB/SIMULINK platform based on control theory.

From the beginning, this paper describes the background of this topic and the purpose of the study. Then, this paper introduces the topology and the math model of five-phase PMSM. According to them, a simulation model of normal five-phase PMSM is built on the MATLAB/SIMULINK platform. Meanwhile, the results of the simulation are analyzed specifically followed by the theory of fault-tolerance. Finally, this paper shows simulation models of open circuit fault of one phase, two adjacent phases and two separate phases. And then, this paper analyzes the dynamic simulation results of these three faults in different bug time.

Keywords: Five-phase PMSM, Phase-loss fault, fault-tolerance, MATLAB

目录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

目录 Ⅲ

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2课题背景及研究意义 1

1.2.1多相电机推进系统的优点 1

1.2.2电机容错能力的重要性 2

1.3多相容错电机的国内外研究现状 2

1.3.1电机本体容错研究 2

1.3.2 容错控制方法研究 2

1.3.3多相容错电机国内研究现状 3

1.4 开绕组电机控制系统研究概况 3

1.4.1 双电源供电方式驱动开绕组电机 4

1.4.2单电源供电方式驱动开绕组电机 5

1.5 电机驱动系统容错控制技术研究 6

1.6 本文的主要研究内容 8

第二章 五相OW-FTFSCW-IPM拓扑及原理 9

2.1 引言 9

2.2 开绕组驱动系统拓扑 9

2.3 五相OW-FTFSCW-IPM数学模型 10

2.3.1Park变换矩阵 10

2.3.2自然坐标系下五相永磁同步电机数学模型 12

2.4 本章小结 14

第三章 五相OW-FTFSCW-IPM控制及容错策略研究 16

3.1 引言 16

3.2 五相OW-FTFSCW-IPM控制策略研究 16

3.3 正常态五相OW-FTFSCW-IPM仿真模型 16

3.4正常态五相OW-FTFSCW-IPM仿真结果及分析 21

3.5 五相OW-FTFSCW-IPM容错策略研究 26

3.5.1磁动势不变原则 27

3.6 本章小结 30

第四章 五相OW-FTFSCW-IPM仿真与仿真结果 31

4.1引言 31

4.2五相OW-FTFSCW-IPM建模和仿真 31

4.2.1五相OW-FTFSCW-IPM单相开路故障 31

4.2.2五相OW-FTFSCW-IPM相邻两相开路故障 33

4.2.3五相OW-FTFSCW-IPM相隔两相开路故障 34

4.3五相OW-FTFSCW-IPM仿真结果与分析 35

4.3.1五相OW-FTFSCW-IPM单相开路故障容错运行仿真结果与分析 35

4.3.2五相OW-FTFSCW-IPM相邻两相开路故障容错运行仿真结果与分析 36

4.3.3五相OW-FTFSCW-IPM相隔两相开路故障容错运行仿真结果与分析 38

4.3.4启动过程中的容错控制 39

4.4本章小结 43

第五章 总结与展望 44

5.1全文展望 44

5.2课题展望 44

致谢 46

参考文献 47

1. 绪论

1.1 引言

从人类的发展历史过程来看，能源起着至关重要的作用。最近的几十年，为了进一步发展，人类对能源的需求迅速增长，传统能源开始供不应求。然而与日剧增的车辆却对能源的需求越来越高。与此同时，由于汽油导致的环境污染问题也越来越严重。所以人类面临着必须找到能够替代传统能源的新型能源的艰巨任务。以清洁的电气化和电能作为主要的终端能源势必能优化我国的能源结构，推进能源和生态环境的可持续发展^[1]。电动汽车目前受到越来越多的关注。电动汽车以其包括高效节能，低排放以及低噪声在内的众多优点，逐渐引起了世界的关注。而电机是电动汽车的动力，而电机驱动系统是电机的重要组成部分。毋庸置疑，研究出高效可靠的电机驱动对解决能源危机具有关键的重要意义。永磁同步电机是高效电机中的一种，它凭借出色的性能在航空航天、潜艇舰船、电动汽车等领域中扮演着突出重要角色。在这些尖端领域中，如果电机驱动的可靠性不能被保证，就会导致可怕的严重后果，甚至造成人员的伤亡和财产的损失。所以永磁同步电机在故障后的运行，即容错运行能力是在这些领域中应用时必须具备的能力。

1.2 课题背景及研究意义

1.2.1 多相电机推进系统的优点

三相永磁同步电机虽然较传统三相电机优势明显，但在可靠性方面仍然存在着和传统电机类似的不足。然而，多相电机有着更高的可靠性和容错性，此外由于人们逐渐提高的对电动汽车驾驶舒适性的要求，多相电机的发展也至关重要。多相电机的优点具体表现在如下三个方面：

1. 采用多相推进系统，为实现低压大功率的提供了有效办法。
2. 多相系统电机低速特性得到了很大的改善，噪音和振动也大大减小，提高了系统的静态和动态特性。
3. 由于相数冗余的存在，提高了系统整体的容错性和可靠性^[5]。

虽然功率器件相应增多，但是多相推进系统可以实现电机单相或多相定子绕组开路时的容错运行，这对于五相永磁同步电机在尖端领域的应用有着重大的理论和现实意义。

1.2.2 电机容错能力的重要性

永磁同步电机是高效电机中的一种，具有高效节能、输出功率密度高、体积小、结构简单、震动噪声低和转矩脉动小等优点^[3-4]。凭借其出色的性能，永磁同步电机在航空航天、潜艇舰船、电动汽车等领域中扮演着突出重要角色。其容错运行能力也不容小觑。根据美国电力研究学会对电机故障进行的研究和统计，电机故障有将近53%是由电机本体故障引起的，而其余的则全与电机控制系统故障有关^[2]。本文主要针对电机控制系统，重点研究电机在故障后的容错运行控制方法，并对五相永磁同步电机不同开路故障情况进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。

1.3 多相容错电机的国内外研究现状

1.3.1 电机本体容错研究

对电机本体容错的研究最早可以追溯到1988年R. Eike对应用于航空的开关磁阻电机的容错分析研究。在此之后，永磁电机的容错也开始被广泛的研究。1993年，Newcastle大学的E. craig、B. C. Mecrow、D. J. Atkinson以及A. G. Jack对H桥逆变器的故障诊断方法的研究^[6]为永磁电机容方案的研究奠定了基础。在最近二十年里，国际学者从未停下对电机本体设计实现容错研究的脚步。他们进行了大量仿真设计以及实验验证的工作。由于本文重点进行容错控制方法的研究，因此本体容错的内容在此不再冗述。文献^[7-10]详细介绍了相关内容。

1.3.2 容错控制方法研究

通过电机的系统故障检测和容错控制可以实现电机在故障状态下的运行。比如电机一相或几相发生故障可以利用剩余的正常相控制电机尽可能的保持在故障前的输出特性。

1999年，J. A. Haylock等人对绕组匝间短路故障提出了将电机端部短路以达到降低匝间短路目的的方法^[11]。但此种方法要求电机本体被设计成有足够大自感，所以此方法有一定的局限性，并且在实际应用中效果并不理想。

2003年，J. Wang等人提出了以最小电机转矩波动为目标的控制策略^[12]。根据瞬时功率平衡原理可以建立故障后电磁转矩和正常相电流之间的关系，通过保持电磁转矩和给定转矩误差为零，并加上目标函数（如铜耗最小）从而求得每相电流。

2007年, S. Dwari和 L. Parsa在之前理论的基础上，提出了在相短路和开路故障下的最优转矩控制策略。就是电机故障后，保持磁动势不变以保持电机圆形旋转磁场为控制目标，通过调整非故障相的电流幅值和相位来满足此条件。

1.3.3 多相容错电机国内研究现状

哈尔滨工业大学是电机容错策略研究的先行者，他们对十五相无刷直流电机调速系统进行了容错研究^[2]。文中提出两种控制方法：一种是单相故障时，舍弃与之对应的其他两相；另一种是当单相故障时，运用电流滞环控制非故障相绕组的电流，实现对电机转矩的补偿。

中国科学院电工研究所对多相永磁电机的驱动进行了研究^[13]。从电电机结构出发，通过数学推导，建立五相永磁同步电机在缺相运行下的数学模型，提出了多相电机的容错运行条件和电流的优化方法。

湖南大学对多相电机在缺相不对称运情况下的容错运行进行了研究^[14]。研究表结果明：电机在轻载时电机有较好的调速性能，而重载时调速性能会严重下降，但是通过调整多相电机的控制策略，其性能仍可获得极大的改善^[5]。

1.4 开绕组电机控制系统研究概况

最近20多年，电机电子绕组成开路状态，绕组两端分别连接独立的逆变器

馈电。此类电机电机控制系统因为其较好的容错性能和多电平的输出特性得到了学者们的广泛关注。

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