学术简报：十五相永磁同步电机的驱动控制与容错运行
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哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员匡志、杜博超、徐浩、赵天旭、崔淑梅，在2019年第13期《电工技术学报》上撰文，为进一步提高多相电机系统的容错能力，该文提出一种3×5相永磁同步电机（PMSM），该电机绕组采用星形联结且三个中性点彼此独立结构，并对一相开路故障的五相绕组直接进行不降额的解耦控制与电流最优的滞环容错控制。
首先，分析3×5相PMSM定子电压与磁链方程，并建立三dq轴矢量控制模型；其次，在一相绕组开路的容错运行条件下，比较五相六桥臂空间矢量脉宽调制（SVPWM）容错控制与电流滞环容错控制的实现方式，并对两者的相电流进行谐波分析；最后，搭建基于FPGA的十五相永磁同步电机驱动控制实验平台，解决了多路PWM输出同步与PWM输出管脚数量受限的问题。
仿真和实验结果证明了所建立的电机控制模型与容错控制理论分析的正确性。
多相电机因具有功率密度高、可靠性高和容错能力强等优点，在舰船驱动、多电飞机等现代交流传动的特殊应用场合受到广泛关注。在大功率驱动场合，传统三相电机一般采用多电平技术或功率器件串并联来满足功率使用要求，但其驱动控制结构复杂，易降低电机系统可靠性，且容错能力较差。
目前学者们一般通过增加电机相数来降低每相功率器件容量要求，各种多相电机驱动的拓扑结构也应运而生。但多相电机大多数采用m套三相绕组电机结构，一般有m个中性点，一旦一相绕组开路，一般只能切除开路相所在整套绕组单元来进行降额运行，或者将切除的整套绕组单元的输出功率分配到其他正常工作绕组上。
本文提出一种3×5相永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM），该电机绕组采用星形联结且三个中性点相互独立结构，当一相绕组开路时，直接对包含该开路相绕组的五相绕组进行不降额容错控制运行。3×5相PMSM由三套五相绕组构成，每套五相绕组保留了多相电机本有的容错能力。
王东等对非正弦对称的5×3相感应电机进行了一定研究，建立了感应电机数学模型，并对其定子漏抗、电动势进行了推导计算。吴新振等分析了多相电机定子绕组的组合空间分布对磁动势谐波含量的影响。多相电机控制一般利用坐标变换将定子电流变换到正交平面进行空间解耦。
为了保证电机绕组开路故障后获得平稳的转矩输出，多相电机容错控制一般从瞬时转矩或磁链不变的角度考虑，调整输出电流相位和幅值，或者通过冗余来完成容错，其容错运行归纳为断相解耦控制和最优电流滞环容错控制两大类。
本文对3×5相PMSM定子绕组不同结构进行分析，建立三dq轴矢量控制模型。在3×5相PMSM一相绕组开路时，分别进行五相六桥臂SVPWM容错控制和最优电流滞环容错控制，并在相同负载条件下，对十五相PMSM相电流进行谐波分析。同时对基于FPGA的十五相PMSM驱动控制系统进行研究，解决了多路PWM输出同步与PWM输出管脚数量受限的问题。
图7 基于FPGA的十五相PMSM控制原理框图
图8 实验平台
本文分析了绕组采用星形联结且三个中性点相互独立结构的3×5相PMSM定子电压与磁链方程，并建立了三dq轴矢量控制模型，仿真和实验数据验证了理论分析和所建立控制模型的正确性。
研究不同PWM调制方式的五相绕组容错控制方法，通过五相六桥臂SVPWM容错控制和电流滞环容错控制的仿真与实验分析，表明电流滞环容错控制与五相六桥臂SVPWM容错控制相比，虽然总谐波含量较大，但其低次谐波含量更小。
电流滞环容错控制方式相比SVPWM容错控制方式更灵活，在针对不同开路故障条件下，需要选择适合的容错方法。通过对五相六桥臂SVPWM容错时的各相电流推导，发现该方法是一种保证磁动势不变的特殊控制方式。
最后搭建了基于FPGA的十五相PMSM驱动控制实验平台，解决了多路PWM输出同步与PWM输出管脚数量受限的问题。