本發(fā)明涉及一種五相永磁電機(jī)不相鄰兩相短路故障容錯(cuò)控制方法，特別是五相容錯(cuò)永磁直線電機(jī)不相鄰兩相短路故障容錯(cuò)矢量控制方法。適用于航空航天、電動(dòng)汽車(chē)、深海、醫(yī)療器械等對(duì)電機(jī)的可靠性和動(dòng)態(tài)性能有較高要求的場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
：隨著社會(huì)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，對(duì)汽車(chē)駕乘的舒適性和安全穩(wěn)定性要求越來(lái)越高。作為現(xiàn)代汽車(chē)的重要組成部分，懸架系統(tǒng)性能對(duì)汽車(chē)行駛平順性和操作穩(wěn)定性等有著極其重要的影響，因此主動(dòng)懸架系統(tǒng)的研究受到業(yè)內(nèi)高度重視。作為主動(dòng)電磁懸架系統(tǒng)的核心部件，圓筒直線電機(jī)研究受到重視。電機(jī)在短路故障狀態(tài)下的容錯(cuò)性能，直接決定著電磁懸架的可靠性和連續(xù)運(yùn)行的能力。容錯(cuò)電機(jī)在某一相或某兩相發(fā)生短路故障時(shí)，電機(jī)仍然具有一定的推力或者轉(zhuǎn)矩輸出能力，但是推力或者轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很大，噪聲增大，嚴(yán)重惡化系統(tǒng)性能。容錯(cuò)控制的目標(biāo)是針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)容錯(cuò)電流進(jìn)行優(yōu)化，使電機(jī)在故障狀態(tài)下的輸出推力或者轉(zhuǎn)矩盡量平滑，并且使電機(jī)性能達(dá)到或接近故障前的性能。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?01510059387.2的專(zhuān)利《一種五相容錯(cuò)永磁電機(jī)的短路容錯(cuò)控制方法》針對(duì)五相容錯(cuò)表貼式永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)，將短路故障對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響分解為兩部分：一部分是開(kāi)路故障對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響；另一部分是短路電流對(duì)轉(zhuǎn)矩影響。針對(duì)開(kāi)路故障，采用故障前后磁動(dòng)勢(shì)和不變?cè)瓌t以及故障后電流幅值相等原則，優(yōu)化剩余非故障相的相電流；針對(duì)短路電流引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，采用故障后磁動(dòng)勢(shì)為零和銅耗最小原則求出非故障相補(bǔ)償電流；最后兩部分電流相加，求得剩余非故障相的電流指令。根據(jù)求得的剩余非故障相電流采用電流滯環(huán)控制策略，對(duì)五相容錯(cuò)表貼式永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行控制。該方法用于抑制短路相電流導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的剩余非故障相補(bǔ)償電流的幅值是常數(shù)，與電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，且剩余非故障相的電流之和不為零。同時(shí)，該方法不適合兩相短路故障情況下的容錯(cuò)運(yùn)行。目前，常用的容錯(cuò)控制方法是：計(jì)算出容錯(cuò)電流，然后采用電流滯環(huán)策略進(jìn)行控制。但是，該方法存在開(kāi)關(guān)頻率雜亂、噪聲大、電機(jī)動(dòng)態(tài)性能差等問(wèn)題，不適合功率較大以及對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能要求高的場(chǎng)合。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?01510661212.9的專(zhuān)利《一種內(nèi)嵌式混合磁材料容錯(cuò)圓筒直線電機(jī)短路容錯(cuò)矢量控制方法》針對(duì)五相混合磁材料內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)一相短路故障，采用以上相同方法優(yōu)化剩余非故障電流，然后采用矢量控制策略實(shí)現(xiàn)該電機(jī)一相短路故障情況的矢量運(yùn)行。盡管該方法實(shí)現(xiàn)了該類(lèi)電機(jī)系統(tǒng)在短路故障狀態(tài)下的高容錯(cuò)性能、高動(dòng)態(tài)性能、電流良好的跟隨性，但該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩相短路故障情況下的容錯(cuò)矢量運(yùn)行。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有電機(jī)容錯(cuò)控制技術(shù)中存在的不足，根據(jù)五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)的特性和該類(lèi)電機(jī)不相鄰兩相短路故障特點(diǎn)，本發(fā)明目的是克服電機(jī)不相鄰兩相短路故障后現(xiàn)有容錯(cuò)策略使用電流滯環(huán)控制導(dǎo)致逆變器開(kāi)關(guān)頻率雜亂、電機(jī)響應(yīng)速度下降、動(dòng)態(tài)性能差、電流無(wú)法精確跟隨、噪聲嚴(yán)重的缺點(diǎn)、傳統(tǒng)電流PI控制由于響應(yīng)快速性和超調(diào)的矛盾引起參數(shù)調(diào)節(jié)困難的問(wèn)題，以及現(xiàn)有容錯(cuò)矢量控制策略無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩相短路故障情況的容錯(cuò)運(yùn)行，提出一種用于本發(fā)明的五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)的不相鄰兩相短路容錯(cuò)矢量控制方法，實(shí)現(xiàn)了反電勢(shì)的精確估算，降低控制器參數(shù)調(diào)節(jié)難度，實(shí)現(xiàn)該類(lèi)電機(jī)系統(tǒng)在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的高容錯(cuò)性能、高動(dòng)態(tài)性能、電流良好跟隨性，減小CPU開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)現(xiàn)逆變器開(kāi)關(guān)頻率恒定、降低噪聲，進(jìn)而提高本發(fā)明的五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)性能和可靠性。本發(fā)明用于五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)的容錯(cuò)矢量控制方法采用如下技術(shù)方案：一種用于五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)不相鄰兩相短路容錯(cuò)矢量控制方法，包括以下步驟：步驟1，建立五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)模型；步驟2，永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)分為A、B、C、D、E這五相，當(dāng)電機(jī)發(fā)生B相和E相短路故障時(shí)，假設(shè)電機(jī)B相和E相僅發(fā)生開(kāi)路故障，根據(jù)電機(jī)故障前后行波磁動(dòng)勢(shì)不變?cè)瓌t以及剩余非故障相電流之和為零的約束條件，再由相鄰兩相C相和D相電流幅值相等作為約束條件，求出B相和E相開(kāi)路故障后電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行的非故障相電流；步驟3，根據(jù)非故障相電流，求取三個(gè)非故障相自然坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系變換的推廣克拉克變換矩陣Tpost、逆變換矩陣以及轉(zhuǎn)置矩陣步驟4，使用非故障相電流抑制故障相短路電流導(dǎo)致的推力波動(dòng)，求取用于抑制故障相短路電流導(dǎo)致推力波動(dòng)的非故障相的短路補(bǔ)償電流，采用推廣克拉克變換矩陣Tpost將該電流變換到兩相靜止坐標(biāo)系上的短路補(bǔ)償電流；步驟5，采用推廣克拉克變換矩陣Tpost將在自然坐標(biāo)系下采樣到的剩余三相非故障相電流變換到兩相靜止坐標(biāo)系上的電流，并將該電流和步驟4中獲得的電流相減得到(iα、iβ)，運(yùn)用派克變換矩陣C2s/2r將(iα、iβ)變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流；或步驟5，將在自然坐標(biāo)系上采樣到的剩余三相非故障相電流，與短路補(bǔ)償電流相減得到(i′A、i′C、i′D)，采用推廣克拉克變換矩陣Tpost和派克變換矩陣C2s/2r將(i′A、i′C、i′D)變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的反饋電流；步驟6，建立五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型；步驟7，設(shè)計(jì)一階慣性前饋電壓補(bǔ)償器獲得前饋補(bǔ)償電壓，同時(shí)該電流指令和反饋電流的差值經(jīng)電流內(nèi)?？刂破鞯每刂齐妷号c前饋補(bǔ)償電壓相加得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電壓指令，采用派克逆變換矩陣C2r/2s將該電壓指令變換到兩相靜止坐標(biāo)系上的電壓步驟8，采用和C2r/2s以及動(dòng)子永磁磁鏈設(shè)計(jì)反電勢(shì)觀測(cè)器觀測(cè)出非故障相反電勢(shì)，根據(jù)非故障相反電勢(shì)求出故障相反電勢(shì)；步驟9，為確保電機(jī)輸出用于抑制短路電流導(dǎo)致推力波動(dòng)的非故障相的短路補(bǔ)償電流，根據(jù)B相短路電流和B相反電勢(shì)的關(guān)系以及E相短路電流和E相反電勢(shì)的關(guān)系以及短路補(bǔ)償電流的數(shù)學(xué)表達(dá)方式，定義剩余三相非故障相的短路補(bǔ)償電壓，采用推廣克拉克變換矩陣Tpost將所述補(bǔ)償電壓變換到兩相靜止坐標(biāo)系上的短路補(bǔ)償電壓；步驟10，將兩相靜止坐標(biāo)系上的電壓指令與短路補(bǔ)償電壓相加得電壓指令采用推廣克拉克逆變換矩陣將電壓指令變換到自然坐標(biāo)系上的電壓指令再和剩余非故障相的各相反電勢(shì)分別相加得到期望相電壓指令或步驟10，采用推廣克拉克逆變換矩陣將兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓指令變換到自然坐標(biāo)系上的電壓指令然后和剩余三相非故障相的短路補(bǔ)償電壓相加，最后再和剩余非故障相的各相反電勢(shì)分別相加得到期望相電壓指令步驟11，將步驟10所得到的期望相電壓指令經(jīng)電壓源逆變器，采用CPWM調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)不相鄰兩相短路故障后的容錯(cuò)矢量無(wú)擾運(yùn)行。本發(fā)明具有以下有益效果：1、本發(fā)明在保證電機(jī)任意不相鄰兩相短路故障前后電機(jī)輸出推力相等的前提下，不但能有效抑制電機(jī)推力波動(dòng)，而且更為關(guān)鍵的是能使電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行情況下的動(dòng)態(tài)性能、電流跟隨性能和正常狀態(tài)下的性能一致，并且無(wú)需復(fù)雜的計(jì)算，電壓源逆變器開(kāi)關(guān)頻率恒定、噪聲低、CPU開(kāi)銷(xiāo)小，算法具有一定的通用性。2、采用本發(fā)明不相鄰兩相短路容錯(cuò)矢量控制策略后，該類(lèi)電機(jī)在B相和E相短路故障情況下，容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)，其動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和電機(jī)正常狀態(tài)下一樣，且輸出推力幾乎沒(méi)有波動(dòng)，在電機(jī)系統(tǒng)允許的最大電流極限值以下，電磁推力和故障前保持一致，實(shí)現(xiàn)了無(wú)擾容錯(cuò)運(yùn)行。3、由本發(fā)明中的剩余非故障相電流矢量推導(dǎo)出的推廣克拉克變換矩陣和派克變換矩陣能在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下將剩余非故障相的穩(wěn)態(tài)電流減去短路補(bǔ)償電流后按等幅值變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，該電流無(wú)脈動(dòng)。而采用傳統(tǒng)克拉克變換矩陣及派克變換矩陣在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下只能將剩余非故障相的電流變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上脈動(dòng)的電流。4、推廣克拉克變換矩陣和派克變換矩陣相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下剩余非故障相構(gòu)成的自然坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，為電機(jī)不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的容錯(cuò)矢量控制創(chuàng)造了前提條件。5、推廣克拉克變換矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣和派克逆變換矩陣和動(dòng)子永磁磁鏈相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了該類(lèi)電機(jī)不相鄰兩相短路故障情況下的反電勢(shì)精確估算，從而實(shí)現(xiàn)了該類(lèi)電機(jī)不相鄰兩相短路故障情況下的容錯(cuò)矢量運(yùn)行。6、和電流PI控制器相比，電流內(nèi)?？刂破骱屯茝V克拉克逆變換矩陣、派克逆變換矩陣、反電勢(shì)觀測(cè)器以及一階慣性前饋電壓補(bǔ)償器相結(jié)合將該類(lèi)電機(jī)在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)變換為一階慣性系統(tǒng)，降低了控制器參數(shù)整定難度，保證了該類(lèi)電機(jī)系統(tǒng)在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下電流跟隨性能、穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能，使電機(jī)動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和電機(jī)故障前的性能一致，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)超調(diào)快速響應(yīng)。7、推廣克拉克變換矩陣和派克變換矩陣以及零序電壓諧波注入的CPWM調(diào)制相結(jié)合，提高了逆變器母線電壓利用率，同時(shí)減小了容錯(cuò)矢量控制算法的復(fù)雜性，降低了CPU開(kāi)銷(xiāo)。8、不相鄰兩相短路容錯(cuò)矢量控制策略、反電勢(shì)估算策略、電流內(nèi)?？刂撇呗浴⒁浑A慣性前饋電壓補(bǔ)償策略、CPWM調(diào)制技術(shù)與五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)相結(jié)合，大大提高了該電機(jī)在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的容錯(cuò)性能、動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，節(jié)省了CPU開(kāi)銷(xiāo)。和電流滯環(huán)控制相比，降低了噪聲，降低了電磁兼容設(shè)計(jì)難度。進(jìn)而使得該電機(jī)在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下控制精度高，電流跟隨性能好，電機(jī)效率高、輸出推力響應(yīng)速度快且推力脈動(dòng)和故障前一樣小，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)系統(tǒng)的在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下的高可靠性以及高動(dòng)態(tài)性能。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明實(shí)施例五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)矢量控制策略原理圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)B相和E相短路容錯(cuò)矢量控制原理圖一；圖4為本發(fā)明實(shí)施例五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)B相和E相短路容錯(cuò)矢量控制原理圖二；圖5為本發(fā)明實(shí)施例B相和E相短路故障情況下無(wú)容錯(cuò)和容錯(cuò)矢量運(yùn)行時(shí)的相電流波形；圖6為本發(fā)明實(shí)施例B相和E相短路故障情況下無(wú)容錯(cuò)和容錯(cuò)矢量運(yùn)行時(shí)的推力波形；圖7為本發(fā)明實(shí)施例無(wú)故障運(yùn)行過(guò)程中推力指令階躍時(shí)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流波形；圖8為本發(fā)明實(shí)施例無(wú)故障運(yùn)行過(guò)程中推力指令階躍時(shí)的電機(jī)輸出推力波形；圖9為本發(fā)明實(shí)施例B相和E相短路容錯(cuò)運(yùn)行過(guò)程中推力指令階躍時(shí)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流波形；圖10為本發(fā)明實(shí)施例B相和E相短路容錯(cuò)運(yùn)行過(guò)程中推力指令階躍時(shí)的電機(jī)輸出推力波形；圖中：1.初級(jí)；2.次級(jí)；3.硅鋼片；4.極靴；5.容錯(cuò)齒；6.電樞齒；7.端部齒；8.永磁體；9.繞組線圈。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。為了能夠更加簡(jiǎn)單明了地說(shuō)明本發(fā)明的永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和有益效果，下面結(jié)合一個(gè)具體的五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的表述。步驟1，建立五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)模型。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，包括初級(jí)1、次級(jí)2。初級(jí)1中包括極靴4、電樞齒6、容錯(cuò)齒5和集中繞組線圈9，且電樞齒6和容錯(cuò)齒5都為10個(gè)，次級(jí)2上內(nèi)嵌有稀土永磁體8，初級(jí)1和次級(jí)2之間存在氣隙，初級(jí)1和次級(jí)2上除永磁體、繞組和極靴之外的部分都是由硅鋼片3軸向疊片而成，極靴4由電工純鐵制成，初級(jí)1的兩個(gè)端部齒7是不對(duì)稱(chēng)的，且比容錯(cuò)齒和電樞齒寬。在傳統(tǒng)使用正弦波作為調(diào)制波的載波脈寬調(diào)制(CPWM)方法基礎(chǔ)上，在五相正弦調(diào)制波中注入c0＝-(max(ui)+min(ui))/2的零序電壓諧波(ui是五相正弦調(diào)制波每一相函數(shù))的CPWM方法與五相SVPWM方法能獲得相同的磁鏈控制效果。因此本發(fā)明采用基于注入零序電壓諧波的CPWM方法進(jìn)行脈寬調(diào)制。五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)由電壓源逆變器供電，該電機(jī)分為A、B、C、D、E這五相，采用基于零序電壓諧波注入的CPWM技術(shù)的矢量控制策略，零序電流控制為零，控制框圖見(jiàn)圖2所示。電機(jī)正常狀態(tài)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，各相繞組電流可表示為iA*=-iq*sin(θ)+id*cos(θ)iB*=-iq*sin(θ-2π/5)+id*cos(θ-2π/5)iC*=-iq*sin(θ-4π/5)+id*cos(θ-4π/5)iD*=-iq*sin(θ-6π/5)+id*cos(θ-6π/5)iE*=-iq*sin(θ-8π/5)+id*cos(θ-8π/5)---(1)]]>式中，分別是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸、q軸的電流指令，θ為電角度v直線電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)電速度，τ為極距。電機(jī)產(chǎn)生的行波磁動(dòng)勢(shì)(MMF)可表示為MMF=Σi=AEMMFi=NiA+aNiB+a2NiC+a3NiD+a4NiE---(2)]]>式中，a＝ej2π/5，N為各相定子繞組的有效匝數(shù)。步驟2，當(dāng)電機(jī)發(fā)生B相和E相短路故障時(shí)，假設(shè)電機(jī)B相和E相僅發(fā)生開(kāi)路故障，根據(jù)電機(jī)故障前后行波磁動(dòng)勢(shì)不變?cè)瓌t以及剩余非故障相電流之和為零的約束條件，再由相鄰兩相C相和D相電流幅值相等作為約束條件，求出B相和E相開(kāi)路故障后電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行的非故障相電流。第一部分，當(dāng)電機(jī)不相鄰兩相發(fā)生短路故障時(shí)，假設(shè)B相和E相發(fā)生短路故障。先使用電機(jī)剩余的非故障相電流補(bǔ)償短路故障相導(dǎo)致這兩相正常推力缺失。此時(shí)，假設(shè)B相和E相開(kāi)路，其相電流為零，電機(jī)內(nèi)部的行波磁動(dòng)勢(shì)由剩余的三相非故障相繞組產(chǎn)生，可表示為MMF=Σi=A,C,DMMFi=NiA*+a2NiC*+a3NiD*---(3)]]>為實(shí)現(xiàn)電機(jī)不相鄰兩相短路故障后無(wú)擾運(yùn)行，需保持電機(jī)故障前后行波磁動(dòng)勢(shì)一致，因此需調(diào)整剩余非故障相定子電流使電機(jī)故障前后行波磁動(dòng)勢(shì)的幅值與速度保持不變。于是，令式(2)、式(3)的實(shí)部與虛部均相等。電機(jī)繞組采用星形連接，且其中心點(diǎn)與直流母線電壓的中心點(diǎn)不相連，因此，繞組相電流之和為零。以相鄰兩相電流幅值相等為原則優(yōu)化非故障相電流，假設(shè)IC=IDiA*+iC*+iD*=0---(4)]]>式中，IC和ID分別是C相和D相電流幅值。由上述約束條件優(yōu)化非故障相電流，得電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行的相電流指令為iA*=1.381(-iq*sin(θ)+id*cos(θ))iB*=0iC*=2.235(-iq*sin(θ-35π)+id*cos(θ-35π))iD*=2.235(-iq*sin(θ+35π)+id*cos(θ+35π))iE*=0---(5)]]>式(5)采用矩陣形式可表示為iA*iC*iD*=2.2350.618cos00cos3π5sin3π5cos(-3π5)sin(-3π5)cosθ-sinθsinθcosθid*iq*---(6)]]>由式(6)得iα*iβ*=cosθ-sinθsinθcosθid*iq*=Cr/sid*iq*---(7)]]>iA*iC*iD*=2.2350.618cos00cos3π5sin3π5cos(-3π5)sin(-3π5)iα*iβ*---(8)]]>步驟3，根據(jù)非故障相電流，求取三個(gè)非故障相自然坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系變換的兩行三列的推廣克拉克變換矩陣Tpost、三行兩列的逆變換矩陣以及轉(zhuǎn)置矩陣根據(jù)式(8)定義兩相靜止坐標(biāo)系到剩余非故障相自然坐標(biāo)系的變換矩陣為T(mén)post-1=2.2350.618cos00kcos3π5sin3π5kcos(-3π5)sin(-3π5)k---(9)]]>由于剩余非故障相電流之和為零，式(9)逆變換矩陣為T(mén)post=0.618cos01.28cos3π51.28cos(-3π5)1.280sin3π54.043sin(-3π5)4.043kkk---(10)]]>式中，k＝0.386。由于繞組星形連接，其相電流之和為零，因此去掉式(9)第三行和式(10)第三列，得Tpost-1=2.2350.618cos00cos3π5sin3π5cos(-3π5)sin(-3π5)---(11)]]>Tpost=0.618cos01.28cos3π51.28cos(-3π5)1.280sin3π54.043sin(-3π5)4.043---(12)]]>式(12)的轉(zhuǎn)置矩陣為T(mén)postT=0.618cos01.280cos3π51.28sin3π54.043cos(-3π5)1.28sin(-3π5)4.043---(13)]]>步驟4，使用非故障相電流抑制故障相短路電流導(dǎo)致的推力波動(dòng)，求取用于抑制故障相短路電流導(dǎo)致推力波動(dòng)的非故障相的短路補(bǔ)償電流(i″A、i″C、i″D)，采用推廣克拉克變換矩陣Tpost將短路補(bǔ)償電流(i″A、i″C、i″D)變換到兩相靜止坐標(biāo)系上的短路補(bǔ)償電流(i″α、i″β)。由于零序子空間的電流為零，不需要將其變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；基波子空間需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，因此將基波子空間的能量轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。因此定義兩相靜止坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣C2s/2r及其逆變換矩陣C2r/2s分別為C2s/2r=cosθsinθ-sinθcosθ---(14)]]>C2r/2s=cosθ-sinθsinθcosθ---(15)]]>第二部分，在第一部分的基礎(chǔ)上，當(dāng)電機(jī)發(fā)生相短路故障時(shí)，使用非故障相電流抑制短路相電流導(dǎo)致的推力波動(dòng)。假設(shè)B相的短路電流為isc_B＝Ifcos(ωt-θf(wàn)B)，E相的短路電流為isc_E＝Ifcos(ωt-θf(wàn)E)，其中，If是短路電流的幅值，θf(wàn)B是B相反電勢(shì)和該相短路電流的夾角，θf(wàn)E是E相反電勢(shì)和該相短路電流的夾角；ω＝πv/τ，v直線電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)電速度，τ為極距。定義A相、C相和D相的補(bǔ)償電流為：iA′′=xAcosθ+yAsinθiC′′=xCcosθ+yCsinθiD′′=xDcosθ+yDsinθ---(16)]]>其中，xA、yA、xC、yC、xD、yD分別為非故障相補(bǔ)償電流余弦項(xiàng)和正弦項(xiàng)的幅值。根據(jù)非故障相用于抑制故障相短路電流導(dǎo)致推力波動(dòng)的補(bǔ)償電流之和為零、以及這部分電流和短路故障相電流的合成磁動(dòng)勢(shì)為零的原則，求取用于抑制故障相短路電流導(dǎo)致推力波動(dòng)的非故障相的短路補(bǔ)償電流(i″A、i″C、i″D)iA′′=-0.1708(isc_B+isc_E)iC′′=-0.7236isc_B+0.8944isc_EiD′′=0.8944isc_B-0.7236isc_E---(17)]]>使用推廣克拉克變換矩陣Tpost將非故障相補(bǔ)償電流(i″A、i″C、i″D)變換到兩相靜止坐標(biāo)系上的短路補(bǔ)償電流(i″α、i″β)iα′′=-0.1237(isc_B+isc_E)iβ′′=-0.3806(isc_B-isc_E)---(18)]]>第三部分，電機(jī)不相鄰兩相發(fā)生短路故障時(shí)的數(shù)學(xué)模型由于該容錯(cuò)永磁直線電機(jī)的相電感的互感相對(duì)自感很小，可忽略不計(jì)，假設(shè)相電感近似為常數(shù)，假設(shè)電機(jī)反電勢(shì)為正弦波。反電勢(shì)矢量角是由每相繞組在空間的位置決定的，因此反電勢(shì)不能像電流一樣使用本發(fā)明提出的坐標(biāo)變換矩陣。因此，為了實(shí)現(xiàn)該類(lèi)容錯(cuò)永磁直線電機(jī)在B相和E相短路故障狀態(tài)下的矢量控制，該電機(jī)短路故障狀態(tài)下在自然坐標(biāo)系下的模型可表示為uAe=uA-eA=RiA+LsdiAdt-eB=RiB+LsdiBdtuCe=uC-eC=RiC+LsdiCdtuDe=uD-eD=RiD+LsdiDdt-eE=RiE+LsdiEdt---(19)]]>式中，uA、uC和uD是電機(jī)非故障相的相電壓；eA、eC和eD是電機(jī)非故障相的反電勢(shì)；uAe、uCe、和uDe是電機(jī)非故障相相電壓分別減去各相反電勢(shì)后的電壓；R是相電阻。步驟5，采用推廣克拉克變換矩陣Tpost將在自然坐標(biāo)系下采樣到的剩余三相非故障相電流(iA、iC、iD)變換到兩相靜止坐標(biāo)系上的電流(i′α、i′β)，并將該電流和短路補(bǔ)償電流(i″α、i″β)相減得到(iα、iβ)，運(yùn)用派克變換矩陣C2s/2r將(iα、iβ)變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流(id、iq)?；蛘?，將在自然坐標(biāo)系上采樣到的剩余三相非故障相電流(iA、iC、iD)，與用于抑制短路故障相電流導(dǎo)致推力波動(dòng)的非故障相的短路補(bǔ)償電流(i″A、i″C、i″D)相減得到(i′A、i′C、i′D)，采用推廣克拉克變換矩陣Tpost和派克變換矩陣C2s/2r將(i′A、i′C、i′D)變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的反饋電流(id、iq)。步驟6，建立五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。在自然坐標(biāo)系上電機(jī)不相鄰兩相短路故障模型(19)變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為ude=idR+Lsdiddt-ωLsiquqe=iqR+Lsdiqdt+ωLsid---(20)]]>采用磁共能法，由式(5)-(18)推導(dǎo)出該電機(jī)在不相鄰兩相短路故障容錯(cuò)狀態(tài)下推力方程F=πτ(12IsT∂Ls∂θIs+IsT∂Λm∂θ)=2.5πτiqλm---(21)]]>式中，λm為永磁磁鏈。因此，只要在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下控制id、iq就能使本發(fā)明中的五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)在不相鄰兩相短路故障狀態(tài)下輸出期望的推力。第四部分，電機(jī)不相鄰兩相短路容錯(cuò)矢量控制策略步驟7，設(shè)計(jì)一階慣性前饋電壓補(bǔ)償器，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流指令經(jīng)一階慣性環(huán)節(jié)得補(bǔ)償電壓udcomp=ωαs+αiq*uqcomp=ωαs+αid*---(22)]]>電流指令和反饋電流(id、iq)的差值經(jīng)電流內(nèi)?？刂破鳙@得控制電壓(ud0、uq0)，將該電壓與補(bǔ)償電壓相加得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電壓指令ud*=αL(1+RsL)(id*-id)-uqcompuq*=αL(1+RsL)(iq*-iq)+udcomp---(23)]]>采用派克逆變換矩陣C2r/2s將該電壓指令變換到兩相靜止坐標(biāo)系上的電壓步驟8，采用和C2r/2s以及動(dòng)子永磁磁鏈設(shè)計(jì)反電勢(shì)觀測(cè)器觀測(cè)出非故障相反電勢(shì)(eA、eC、eD)eAeCeD=ω(TpostTC2r/2s02.5λm+0.206λmsinθ111)---(24)]]>根據(jù)非故障相反電勢(shì)(eA、eC、eD)求出故障相反電勢(shì)(eB、eE)eB=eA+eC2cos2π5eE=eA+eD2cos2π5---(25)]]>步驟9，根據(jù)B相短路電流iB＝isc_B和B相反電勢(shì)eB的關(guān)系、E相短路電流iE＝isc_E和E相反電勢(shì)eE的關(guān)系以及短路補(bǔ)償電流的數(shù)學(xué)表達(dá)方式，定義剩余三相非故障相的短路補(bǔ)償電壓為(u″A、u″C、u″D)為uA′′=0.1708(eB+eE)uC′′=0.7236eB-0.8944eEuD′′=-0.8944eB+0.7236eE---(26)]]>采用推廣克拉克變換矩陣Tpost將(26)變換到兩相靜止坐標(biāo)系上的短路補(bǔ)償電壓uα′′=0.1237(eB+eE)uβ′′=0.3806(eB-eE)---(27)]]>步驟10，兩相靜止坐標(biāo)系上的電壓指令與短路補(bǔ)償電壓(u″α、u″β)相加得uα**=uα*+0.1237(eB+eE)uβ**=uβ*+0.3806(eB-eE)---(28)]]>采用推廣克拉克逆變換矩陣將電壓指令變換到自然坐標(biāo)系上的電壓指令再和剩余非故障相的各相反電勢(shì)(eA、eC、eD)分別相加得到期望相電壓指令uA**uC**uD**=Tpost-1uα**uβ**+eAeCeD---(29)]]>或者步驟10，采用推廣克拉克逆變換矩陣將兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓指令變換到自然坐標(biāo)系上的電壓指令然后和剩余三相非故障相的短路補(bǔ)償電壓(u″A、u″C、u″D)相加，最后再和剩余非故障相的各相反電勢(shì)(eA、eC、eD)分別相加得到期望相電壓指令uA**uC**uD**=Tpost-1uα*uβ*+uA′′uC′′uD′′+eAeCeD---(30)]]>步驟11，將步驟10所得到的期望相電壓指令經(jīng)電壓源逆變器，采用CPWM調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)不相鄰兩相短路故障后的容錯(cuò)矢量無(wú)擾運(yùn)行。式(29)或式(30)期望相電壓經(jīng)電壓源逆變器采用基于零序電壓諧波注入的CPWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)B相和E相短路故障情況下的無(wú)擾容錯(cuò)運(yùn)行。本發(fā)明提出的高性能不相鄰兩相短路故障容錯(cuò)矢量控制策略如圖3和圖4所示。當(dāng)其它不相鄰兩相發(fā)生短路故障時(shí)，只需將自然坐標(biāo)系逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(k＝0、1、2、3、4；B相和E相故障時(shí)，k＝0；C相和A相故障時(shí)，k＝1；D相和B相故障時(shí)，k＝2；E相和C相故障時(shí)，k＝3；A相和D相故障時(shí)，k＝4))電角度，此時(shí)派克變換矩陣及其逆變換矩陣分別為C2s/2r=cos(θ-2kπ/5)sin(θ-2kπ/5)-sin(θ-2kπ/5)cos(θ-2kπ/5)---(31)]]>C2r/2s=cos(ωt-2kπ5)-sin(ωt-2kπ5)sin(ωt-2kπ5)cos(ωt-2kπ5)---(32)]]>按圖2和圖3或圖4在Matlab/Simulink中建立圖1所示五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)的控制系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真，得五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)不相鄰兩相短路故障容錯(cuò)矢量控制仿真結(jié)果。圖5是B相和E相短路故障下相電流波形，0.1s短路故障發(fā)生，電流波形發(fā)生畸變，0.2s施加本發(fā)明容錯(cuò)矢量控制策略，電流正弦度改善。圖6是B相和E相短路故障下推力波形，0.1s時(shí)短路故障發(fā)生，電機(jī)輸出推力波動(dòng)明顯，0.2s施加本發(fā)明短路容錯(cuò)矢量控制策略，電機(jī)輸出推力脈動(dòng)得到明顯抑制，幾乎沒(méi)有脈動(dòng)。圖7和圖8分別是電機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中推力指令發(fā)生階躍變化時(shí)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流和電機(jī)輸出推力響應(yīng)，推力響應(yīng)時(shí)間為0.2ms。圖9和圖10是電機(jī)B相和E相發(fā)生短路故障情況下施加本發(fā)明短路容錯(cuò)矢量控制策略后推力指令發(fā)生階躍變化時(shí)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流和電機(jī)輸出推力響應(yīng)，電機(jī)推力響應(yīng)時(shí)間是0.3ms。因此，本發(fā)明五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)不相鄰兩相短路故障容錯(cuò)矢量策略能使電機(jī)具有正常運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。另外，電流跟隨性能好，實(shí)現(xiàn)了無(wú)擾容錯(cuò)運(yùn)行。從以上所述可知，本發(fā)明用于五相永磁體內(nèi)嵌式容錯(cuò)直線電機(jī)不相鄰兩相短路容錯(cuò)矢量控制策略在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)允許最大電流情況下，不但能保證不相鄰兩相短路故障時(shí)電機(jī)輸出推力和正常狀態(tài)下一致，而且能明顯抑制電機(jī)不相鄰兩相短路故障后的推力波動(dòng)，更為關(guān)鍵的是具有和故障前相近的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和電流跟隨精度，且適合任何不相鄰兩相發(fā)生短路故障的情況，通用性強(qiáng)，無(wú)需復(fù)雜計(jì)算，CPU開(kāi)銷(xiāo)小，電流調(diào)節(jié)器參數(shù)整定簡(jiǎn)單。因此，本發(fā)明在電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)等對(duì)運(yùn)行可靠性要求高的系統(tǒng)中擁有很好的應(yīng)用前景。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，但實(shí)施例并不是用來(lái)限定本發(fā)明的。在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，所做的任何等效變化或潤(rùn)飾，均屬于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3