專利名稱：一種雙凸極永磁電機(jī)的容錯(cuò)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于三相12/8極雙凸極永磁電機(jī)的容錯(cuò)控制方法，適用于航 空航天、軋鋼、礦井等對(duì)連續(xù)運(yùn)行有高要求的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在一些對(duì)系 統(tǒng)可靠性有高要求的領(lǐng)域，如航空航天、軍事裝備等，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性 運(yùn)行能力有很高的要求，其故障狀態(tài)下的容錯(cuò)控制方法是其關(guān)鍵技術(shù)。
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)容錯(cuò)式電機(jī)及其控制方法的研究多集中于兩類電機(jī)開關(guān)磁 阻電機(jī)和傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)。前者雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠度高，但是在功率密
度方面具有一定的劣勢(shì)；而后者的永磁體置于轉(zhuǎn)子，其機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠度以及永磁
體的散熱都是較為棘手的問題。
雙凸極永磁電機(jī)是一種新型定子永磁式電機(jī)，其永磁體置于定子，具有結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、易于散熱等優(yōu)點(diǎn)，滿足高可靠性領(lǐng)域的應(yīng)用要求。其定、轉(zhuǎn)子呈雙凸極結(jié) 構(gòu)，轉(zhuǎn)子上無繞組、無永磁體，定子采用集中式繞組，空間相對(duì)齒上的線圈兩兩 相連，兩組線圈串連形成一相電樞繞組。因此，該類電機(jī)具有結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、功 率密度較高等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有研究成果集中于該種電機(jī)的設(shè)計(jì)、分析以及控制，均未 涉及到本發(fā)明所提出的智能容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。本發(fā)明針對(duì)雙凸極永磁電機(jī)的自身電
磁特性，提出一種容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)控制方法當(dāng)三相雙凸極永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生缺相 故障時(shí)，對(duì)余下的兩相(非故障相)的電流在相位和幅值等方面對(duì)進(jìn)行調(diào)整，達(dá) 到保持雙凸極永磁電機(jī)的電磁輸出轉(zhuǎn)矩與正常運(yùn)行狀態(tài)相近似的目的，從而提高 雙凸極永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的帶故障運(yùn)行能力，開發(fā)出定子永磁式電機(jī)容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)，以滿足高可靠性應(yīng)用領(lǐng)域的要求。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提出一種基于雙凸極永磁電機(jī)的新型定子永磁式 電機(jī)的容錯(cuò)控制方法。使得當(dāng)三相雙凸極永磁電機(jī)發(fā)生缺相故障時(shí)，由剩余的兩相非故障相提供電流驅(qū)動(dòng)，電機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩基本保持不變，達(dá)到正常運(yùn)行 時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性，提高系統(tǒng)帶故障運(yùn)行能力。
技術(shù)方案雙凸極永磁電機(jī)具有梯形波反電動(dòng)勢(shì)，正常運(yùn)行狀態(tài)下應(yīng)采用三 相方波控制；當(dāng)電機(jī)發(fā)生缺相故障時(shí)，為提高其故障狀態(tài)下的性能，本發(fā)明運(yùn)用 兩相容錯(cuò)式正弦波電流控制，達(dá)到保持電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩不變的目的。該控制方 法的主要思路為對(duì)三相電機(jī)而言，其旋轉(zhuǎn)主磁場(chǎng)由三相電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相加而 成，如果其中某一相發(fā)生故障無法工作，則雙凸極永磁電機(jī)仍然可以在另外兩相 產(chǎn)生的等效合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下繼續(xù)運(yùn)行。具體如下-
在控制系統(tǒng)中增加了故障檢測(cè)環(huán)節(jié)，當(dāng)未檢測(cè)到缺相故障時(shí)，控制系統(tǒng)按照 正常運(yùn)轉(zhuǎn)模式，即采用三相120。方波電流控制雙凸極永磁電機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到 缺相故障時(shí)，電機(jī)控制系統(tǒng)啟用容錯(cuò)控制模式，分為以下三步
a. 根據(jù)正常運(yùn)行狀態(tài)下三相方波控制的雙凸極永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程，計(jì)算出產(chǎn)生
等效轉(zhuǎn)矩的三相正弦波控制的電流幅值，其值應(yīng)為方波電流幅值的1.1倍；
b. 根據(jù)與三相正弦波產(chǎn)生磁場(chǎng)不變的原則，計(jì)算出兩相容錯(cuò)正弦波電流的幅值
和相位，其幅值應(yīng)為正常運(yùn)行時(shí)三相正弦波電流幅值的1.73倍，即正常運(yùn)行時(shí) 三相方波電流的1.9倍；故障相的前一相，相位由原來的超前故障相120°變?yōu)槌?前150°，故障相的后一相，相位由原來的滯后故障相120。變?yōu)闇?50°;
c. 根據(jù)計(jì)算得出的容錯(cuò)控制時(shí)工作相容錯(cuò)正弦波電流的幅值和相位，變?cè)瓉淼?三相方波控制為兩相正弦波控制。
有益效果本發(fā)明的特點(diǎn)是將容錯(cuò)控制技術(shù)引入到三相12/8極雙凸極永磁 電機(jī)中，搭建定子永磁式容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。克服傳統(tǒng)的容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的諸 多缺點(diǎn)如開關(guān)磁阻電機(jī)功率密度偏低；轉(zhuǎn)子永磁式容錯(cuò)電機(jī)永磁體置于轉(zhuǎn)子， 不易于冷卻、機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性較差等問題，本發(fā)明所引入的雙凸極永磁電機(jī)具有 功率密度較高、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電機(jī)可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)?；陔p凸極永磁電機(jī)的 反電勢(shì)為近似梯形波這一特性，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)采用方波控制，具有控 制簡(jiǎn)單、出力較大等優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)發(fā)生缺相故障時(shí)，運(yùn)用容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，調(diào)整控制電 流為正弦波控制方式，基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不變的理論思想，保持電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩基本 不變，從而提高雙凸極永磁電機(jī)的帶故障運(yùn)行能力，建立高功率密度、高可靠度 的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、 采用三相直槽轉(zhuǎn)子的雙凸極永磁電機(jī)，電機(jī)出力大，適用于高功率密度 要求領(lǐng)域；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無繞組、無永磁體，因此可靠性高，可適用于高可靠 性應(yīng)用領(lǐng)域；
2、 正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)采用方波控制，控制方法簡(jiǎn)單。
3、 當(dāng)發(fā)生缺相故障時(shí)，系統(tǒng)采用兩相正弦波進(jìn)行容錯(cuò)控制，系統(tǒng)帶故障運(yùn) 行特性較高，其轉(zhuǎn)矩輸出近似等效于正常運(yùn)行狀態(tài)。


圖1為三相12/8極雙凸極永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為雙凸極永磁電機(jī)容錯(cuò)方法流程圖。
圖3為電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)三相方波控制電流波形圖。
圖4為電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)等效三相正弦波控制電流波形圖。
圖5為電機(jī)缺相故障時(shí)的兩相容錯(cuò)正弦波控制電流。
以上的圖中有雙凸極永磁電機(jī)l、定子l.l、永磁體1.2、轉(zhuǎn)子1.3、電樞 繞組1.4、電機(jī)的軸1.5。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的容錯(cuò)控制方法，當(dāng)雙凸極永磁電機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采用三 相方波控制；當(dāng)發(fā)生缺相故障時(shí)，控制器采用容錯(cuò)控制策略，電機(jī)采用兩相正弦 波控制，系統(tǒng)帶故障運(yùn)行。其具體實(shí)施步驟為
1.建立三相方波控制下的雙凸極永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程
直槽轉(zhuǎn)子的12/8極雙凸極永磁電機(jī)具有梯形波的反電勢(shì)，從傳統(tǒng)意義上的 控制方法而言，應(yīng)采用方波控制。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，采用120°方波控制的三 相雙凸極永磁電機(jī)，其電磁輸出轉(zhuǎn)矩可以表示為
r -^^ (i)
一
其中，^為雙凸極永磁電機(jī)反電勢(shì)峰值，4為電機(jī)采用的方波電流峰值，w為 電機(jī)的角速度。
2 .建立三相正弦波控制下的雙凸極永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程
本發(fā)明所述的三相12/8極雙凸極永磁電機(jī)中，定子上有12個(gè)凸極，在四個(gè) 角分布有4個(gè)永磁體，永磁體的磁場(chǎng)方向沿著電機(jī)的圓周方向，轉(zhuǎn)子上有8個(gè)凸極，轉(zhuǎn)子凸極寬度略大于定子凸極的寬度。所述的轉(zhuǎn)子采用直槽設(shè)計(jì)，以保證電 機(jī)在運(yùn)行過程中的較大出力。同時(shí)，作為傳統(tǒng)的梯形波反電勢(shì)電機(jī)，同樣也可以 采用正弦波進(jìn)行控制，達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)矩輸出。此時(shí)電機(jī)的三相電磁轉(zhuǎn)矩輸出可以 表示為
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，Ew為雙凸極永磁電機(jī)反電勢(shì)基波的峰值，/max為電機(jī)采用的正弦波電流 峰值。對(duì)理想梯形波反電勢(shì)進(jìn)行諧波分析可知，￡ml/￡ffl= 1.216，因此求得
<formula>formula see original document page 6</formula> (3)
所以，等效的正弦電流可以表示為
<formula>formula see original document page 6</formula>
3 .建立兩相正弦波容錯(cuò)控制下的雙凸極永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程 由式(4)可知，此時(shí)雙凸極永磁電機(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)可以表示為三相磁動(dòng) 勢(shì)之和
其中7V為每相的匝數(shù)，『1^120°<formula>formula see original document page 6</formula>
若b相在某時(shí)刻發(fā)生故障而無法工作，則此時(shí)
<formula>formula see original document page 6</formula>
令式(5)與式(7)相等，可以求出
<formula>formula see original document page 6</formula>由式(8)可以得到如下結(jié)論對(duì)發(fā)生缺相故障狀態(tài)的雙凸極永磁電機(jī)而言， 通過對(duì)非故障相電流進(jìn)行幅值和相位的線性變換，變?cè)瓉淼姆讲刂茷槿蒎e(cuò)式正 弦波控制，可以使該電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在缺相故障狀態(tài)下獲得近似等同于正常運(yùn)行的 磁動(dòng)勢(shì)，也就是說該系統(tǒng)可以帶故障運(yùn)行；而此時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將保持不變。
權(quán)利要求
1. 一種三相雙凸極永磁電機(jī)的容錯(cuò)控制方法，其特征在于，在控制系統(tǒng)中增加了故障檢測(cè)環(huán)節(jié)，當(dāng)未檢測(cè)到缺相故障時(shí)，控制系統(tǒng)按照正常運(yùn)轉(zhuǎn)模式，即采用三相120°方波電流控制雙凸極永磁電機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到缺相故障時(shí)，電機(jī)控制系統(tǒng)啟用容錯(cuò)控制模式，分為以下三步a. 根據(jù)正常運(yùn)行狀態(tài)下三相方波控制的雙凸極永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程，計(jì)算出產(chǎn)生等效轉(zhuǎn)矩的三相正弦波控制的電流幅值，其值應(yīng)為方波電流幅值的1.1倍；b. 根據(jù)與三相正弦波產(chǎn)生磁場(chǎng)不變的原則，計(jì)算出兩相容錯(cuò)正弦波電流的幅值和相位，其幅值應(yīng)為正常運(yùn)行時(shí)三相正弦波電流幅值的1.73倍，即正常運(yùn)行時(shí)三相方波電流的1.9倍；故障相的前一相，相位由原來的超前故障相120°變?yōu)槌?50°，故障相的后一相，相位由原來的滯后故障相120°變?yōu)闇?50°；c. 根據(jù)計(jì)算得出的容錯(cuò)控制時(shí)工作相容錯(cuò)正弦波電流的幅值和相位，變?cè)瓉淼娜喾讲刂茷閮上嗾也刂啤?br> 全文摘要
本發(fā)明是一種用于雙凸極永磁電機(jī)的容錯(cuò)控制方法。直槽轉(zhuǎn)子的雙凸極永磁電機(jī)具有梯形波反電勢(shì)，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)采用三相方波控制，具有方法簡(jiǎn)單、出力較大等優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生缺相故障時(shí)，通過等效正弦波驅(qū)動(dòng)控制方法，計(jì)算出等效于正常運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的三相正弦波電流，再根據(jù)保持電機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不變?cè)瓌t，計(jì)算出容錯(cuò)狀態(tài)下兩個(gè)非故障相容錯(cuò)式正弦波電流的幅值以及相位，從而最終使得雙凸極永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在缺相運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩等效于正常運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了雙凸極永磁電機(jī)的帶故障運(yùn)行。
文檔編號(hào)H02P23/14GK101425776SQ200810021000
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月5日
發(fā)明者明 程, 為 花, 趙文祥 申請(qǐng)人:東南大學(xué)