基于正负序矢量解耦控制的七相感应电机容错运行

马 源，杨家强，杨光辉

基于正负序矢量解耦控制的七相感应电机容错运行

马 源，杨家强，杨光辉

（浙江大学，杭州 310027）

现阶段多相电机已被各个领域广泛利用，在发生单相甚至若干相开路故障后，可以在不增加多余硬件的基础上确保多相电机维持平稳的运行。为了解决定子开路故障时空间谐波磁场耦合对电机转矩脉动的影响，本文提出了一种基于正负序矢量解耦控制的电机容错控制策略。以七相感应电机单相开路为例，引入对应的附加条件重新计算剩余各相电流。电流环采用双向比例积分控制算法，通过仿真在多相同步旋转坐标系下实现了对电流的无静差控制。最后通过实验对所提出的算法进行验证，表明该策略能保证故障前后基波磁动势不变，使电机在故障下获得较好稳态和动态性能。

七相感应电机；容错运行；缺相故障；双向比例积分

0 前言

近年来，多相电机在航空航天、船舶工业、新能源汽车等重轻工业行业得到了普遍应用，因而各领域对于其设备的安全性和可靠性的要求也在逐渐提高且严格[1-3]。多相感应电机驱动系统可以提供更多的控制自由度，在出现变频器故障或绕组开路故障时，能够直接通过合理容错策略及算法实现无扰容错运行，这对提高电机驱动系统的可靠性有着极大意义[3-6]。多相电机容错控制以抑制转矩脉动、降低损耗为主要控制目标，因而在缺相下也能在短时间内保持降载运行。现阶段对于开路故障后控制存在两种较为主流的控制思想[3]：（1）对故障电机建模后计算脉动转矩表达式，在其基础上设计相应的抑制转矩脉动控制策略；（2）保持电机磁动势不变，结合实际应用场合及条件，解得相应容错电流给定值后在静止坐标系下实现容错控制[7-10]。

本文以七相感应电机为研究对象，提出了一种基于正负序矢量解耦控制的双PI电流控制电机容错运行策略，可以使得电机实际电流有效跟踪给定电流，故障后电机转矩最大化输出，并减少转矩脉动。最后在此基础上通过进行相关仿真及实验来验证结论。

1 基于正负序矢量解耦的容错控制策略

1.1 七相感应电机单相故障分析

对于七相感应电机，存在一个七维的空间解耦变换矩阵：

以a相断开为例，需要对单相开路故障情况进行剩余相电流重构计算，以获得平滑的电磁转矩。

假设对象电机故障后无中性线引出，需要满足相电流之和为零。故三个平面的电流约束方程为：

利用电流幅值相等法[5]，存在调整故障后各相电流幅值相等的约束条件：

可得重构后的基波电流表达式：

对于基波电流的电流空间矢量定义则有：

针对电流幅值相等的控制策略可以推导出以下系数：

在这种控制策略下，利用算法对三、五次谐波电流的参考值进行给定，在保证各相电流幅值相同的同时，也保证了重构后基波磁动势不变。若使电机在故障前后保持磁动势不变，则电机在断相故障后仍可实现稳定运行；多相电机有额外的自由度，可以通过改变故障后控制策略实现对其的容错控制[11-14]。

1.2 单相故障容错控制策略

由前面章节所推导的结论可知，缺相故障情况下电机运行状态发生了改变，谐波空间的电流将不为零，从而导致控制系统中出现波形畸变，产生椭圆旋转磁场，进而产生转矩脉动，这不仅会降低电机的运行效率，严重情况下还会损坏电机系统[15, 16]。

本文提出的容错控制策略为基于PI控制器在相对于定子坐标系旋转角度和-的坐标系内的实现，目的是对参考电流量正负序分量进行分离并实现无静差控制。为了避免在系统内产生噪声，避免因为引入低通滤波器等造成信号传输延迟，这种策略设计将不对电流频率进行直接导数计算。通过电机反馈的转子角频率r与参考值得到。图1为电机断一相状态下的控制框图，对正负序电流同时进行旋转坐标系变换，将交流量转换为直流量之后，再通过双PI调节模块对其进行闭环控制。

即：

控制策略框图1内涉及到的变换矩阵有：

其中，（10）式中涉及的容错系数由前一小节推导得出。

图1 断相状态下控制策略框图

2 实验结果分析

实验中通过将a相桥臂封锁来模拟故障情况，并通过实施本文所提出的控制策略，对比正常与故障下的电机运行性能。实验中所用的七相感应电机指标及相关参数见表1和表2。

搭建的七相感应电机控制系统平台如图2所示，该平台由七相集中绕组感应电机、直流电源、dSPACE控制平台、多相逆变器、传感器和交流伺服负载组成。相关电机参数与仿真中所用的参数一致。

表1 七相感应电机参数

表2 相应的电阻和电感参数

图2 七相感应电机控制系统平台

实验中七相电机在带载15N·m的工况下运行。正常运行时定子电流及其轨迹的实验波形如图3（a）所示，映射电流轨迹为圆形；当a相发生开路故障后，由于电机结构的不对称性，不施加策略时剩余六相电流幅值不相等，此时实验电流及其轨迹波形如图3（b）所示。

图3 正常运行和单相开路时定子电流及其轨迹实验波形

图4为全局定子电流波形。未发生故障时电流正常，当发生开路故障后a相电流降为零，其余六相电流不再对称且发生畸变。

图5为采用容错控制策略后的定子电流波形及轨迹，表明在施加容错策略后，电机能保持稳态运行，剩余相电流能够基本保持相等幅值且呈现对称分布。

图6为容错控制下的电磁转矩波形。与电机正常运行时相比，故障情况下电磁转矩出现了明显的脉动，电机产生噪声；但施加容错控制策略后电磁转矩脉动有所减小，电机亦可恢复且维持稳定运行。

图4 全局定子电流波形

图5 采用容错控制后实验电流波形及轨迹

图6 容错控制下的转矩波形

3 结论

本文通过对七相感应电机定子绕组开路故障进行研究，基于维持故障前后电机内部磁动势不变的原则，对故障后剩余相电流进行重构，提出了基于正负序分量矢量解耦控制的多相电机容错运行策略。以定子绕组a相开路为例，通过理论推导、仿真及实验验证了该控制策略能够实现对电机的容错控制，使故障后剩余六相电流幅值相等，并且抑制了故障下的转矩脉动，有效实现电机的平稳运行。文中虽然仅对七相感应电机发生单相故障的情况进行了分析实验，但上述策略也可应用于更多相数的电机故障情况，亦可推广至其余多相电机容错控制的情况，进一步的研究将在后续项目与工作中进行和展开。

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Fault-tolerant Control of Seven Phase Induction Motor based on Positive and Negative Sequence Vector Decoupling Control

MA Yuan, YANG Jiaqiang,YANG Guanghui

(Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

At present, multi-phase motors have been widely used in various fields. After the occurrence of one-phase or even several phases open circuit fault, the corresponding control algorithms and strategies can be selected to ensure the smooth operation of the multi-phase motor on the basis of no additional hardware. A fault tolerance control strategy based on positive and negative sequence vector decoupling control is proposed in this paper. Taking single-phase open circuit of seven phase induction motor as an example, the remaining phase current equations are recalculated by introducing the corresponding additional conditions. The current loop adopts bidirectional proportional integral control algorithm and realizes the current control without static difference under the multi-phase rotating coordinate system through simulation. The proposed algorithm is verified by experiments. It shows that the proposed strategy can effectively suppress the torque ripple and the basic wave magnetomotive force is guaranteed to be constant before and after the fault, the motor can obtain better steady and dynamic performance under the fault.

seven phase induction motor; fault-tolerance operation; phase failure; bidirectional PI

TM346

A

1000-3983(2021)01-0009-05

国家自然科学基金资助项目（51777191）；浙江省基础公益研究计划（LCZ19E070001）

2020-07-05

马源（1995-），浙江大学电气工程学院硕士研究生在读，研究方向为多相电机驱动系统及其容错控制。