十二相永磁电机驱动系统的容错控制策略

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多相电机可以实现容错工作是其用于船舶电力推进领域的重要原因，海军工程大学电气工程学院、海军工程大学研究生院的研究人员魏永清、康军、曾海燕、朱鹏，在2019年第21期《电工技术学报》上撰文，以采用多通道控制技术的十二相永磁推进系统为研究对象，研究基于分组控制的驱动系统容错控制方式。

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永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有功率密度大、能量转换效率高、振动噪声低等优点，而且通过采用多相设计，能降低单相驱动的容量，实现容错运行，提高可靠性，同时电机相数越多，电枢反应磁动势的正弦度就越高，其转矩脉动也越小，因此多相永磁电机在船舶电力推进系统中的应用越来越多。

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例如，武汉712研究所针对多相电机在舰船推进中的应用做了大量的研究工作，并开始了试验船的设计。华中科技大学、西安交通大学和北京凯奇公司以数控机床等工业应用场合为背景对十五相电机调速系统进行了研究。哈尔滨工业大学以载人离心机直接驱动系统的研制为背景，对十五相无刷直流电机调速系统进行了研究。

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缺相运行是多相电机的一大优点，在绕组断相情况下，如按正常情况时的电流给定进行跟踪调制，剩余各相绕组将形成不对称分布状态，电机将出现二倍或四倍频的转矩波动。要保持光滑的圆形气隙旋转磁场，需要选取新的变换矩阵，将不对称的电机模型变换成解耦的对称模型，以实现矢量控制。

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但基于降维数学模型的容错控制策略需要建立缺相后的降维数学模型，不同中性点连接方式以及不同相数开路情况下对应的解耦变换阵不同，需要分别建模，使得容错控制策略实现比较复杂，尤其是故障运行与容错运行之间的在线切换。

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为了提高电机驱动系统的容错性能，多相电机可以采用多单元并联控制技术，通常将三个互差120°的绕组当作一个单元，按普通三相电机的方法来控制。多个单元可同时运行，也可部分运行或单独运行。如法国热蒙公司为智利海军“蝎子”级潜艇制造的3 300kW永磁电力推进系统，就采用了二十四个H桥逆变器给两套十二相绕组供电。

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十二相永磁推进系统结构如图1所示，推进单元分成了四个通道，在每个通道内，由三个H桥或一个三相全桥逆变器给一套空间对称的三相绕组供电，电机每个绕组的中性点相互独立。

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图1 十二相永磁电机驱动系统结构框图

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当某相出现故障时，控制系统将切除故障相所在的通道，不影响其他通道正常工作，保证了系统不间断运行，即工作在容错模式。这种控制方式在船舶电力推进广泛采用，特别是对可靠性要求高的军用船舶，不足之处是绕组成套切除将带来功率损失。在这种容错工作方式下，容错控制是否与缺相位置有关，以及切除不同单元时转矩输出有什么变化，这些问题要建立在对多相电机建模及容错控制策略的基础上进行分析。

海军工程大学电气工程学院、海军工程大学研究生院的研究人员选择相移15°的十二相永磁同步电机为研究对象，首先在建立dq坐标系下多相永磁同步电机多Y数学模型的基础上，分析容错模式时的电机转矩输出能力，并将矢量控制与分组控制结构相结合，以相绕组最大电流为约束条件建立驱动系统的容错控制策略，保证永磁同步电动机缺相时输出转矩的平稳性。

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图8 十二相永磁电机驱动系统的组成框图

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图9a H桥型逆变器实物照片

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图9b 推进电机及负载实特照片

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最后，对十二相永磁电机驱动系统的断相故障状况进行仿真和实验，验证了采用基于多Y数学模型的分组控制方式，更适用于对可靠性要求高的多相电机调速系统。当出现缺相故障时，系统自动切除故障单元，并且限制其他正常单元的输出电流，实现了故障状态下的降额运行。

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以上研究成果发表在2019年第21期《电工技术学报》，论文标题为“十二相永磁电机驱动系统的容错控制策略”，作者为魏永清、康军、曾海燕、朱鹏。

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