单相开路情况下6/19永磁磁通切换容错电机转矩冲量平衡控制策略

肖文妍  王宇  耿亮  王子禹  张源

DOI： 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170113

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导语

永磁磁通切换容错（FTFSPM）电机具有高转矩密度和高可靠性的优点，适合应用在全电/多电飞机的电力系统中。传统的电机开路故障容错控制中，转速的动态性能会受到转速环PI参数的影响。

因此本文研究了一种转矩冲量平衡控制算法，该算法利用在动态变化前后转矩的冲量值保持不变，精确计算出动态过程中前进矢量和后退矢量的作用时间，只需一次减速、一次升速过程即可实现转速的收敛，不受PI参数的影响，优化转速的动态性能。通过仿真和实验实现电机在单相开路故障下的转矩冲量平衡控制，并与传统的直接转矩控制算法对比，验证了所提出算法的正确性和有效性。

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研究背景、

直接转矩控制策略转速环采用PI调节，其转速的稳态性能和动态性能受到PI参数影响。给定转速和反馈转速构成控制偏差，传递给PI环对其进行调节，由于积分环节的存在动态响应变慢。在众多的PI参数中，通过比较筛选可得到一组PI参数，在动态过程中转矩和转速达到较快的跟踪；再者，对于不同的动态响应，最优的PI参数的选取不同。

电机的动态性能会有差异，需要有一种方法可以找到这组较优的PI参数，优化电机的动态性能；或者，通过非线性思想等效寻求出最快的动态过程。因此本文研究了一种转矩冲量平衡控制算法，在动态过程中不受PI参数的影响，优化转速的动态性能。

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论文所解决的问题及意义

基于机电类比提出转矩冲量平衡控制策略，介绍了其基本原理，推导出转矩冲量平衡表达式。动态时，基于转矩冲量平衡表达式，精确计算出系统前进矢量和后退矢量的作用时间，转速可以达到快速的收敛，不受PI参数影响，优化了动态性能。在稳态时，采用直接转矩控制策略，用PI参数调节系统无静差。通过该算法可以优化电机的动态性能，有较强的鲁棒性，控制算法实现简单。

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论文方法及创新点

电机的运动方程与电路中的电压方程一致，电源系统中的电荷量和电机系统中的转矩冲量相对应，利用电容电荷平衡控制策略的特性，将其移植到电机系统中，可以调节其动态性能，找到快速的响应。

电机控制策略多采用矢量控制和直接转矩控制，内环和外环通过PI参数的调节来控制动态过程。电源系统和电机系统的工作原理是不同的，用了两种不同的物理量，但是微分等式在形式上是相同的。基于电容电荷平衡控制的特点，该控制方法可以应用在电机系统中，通过调节动态过程得到快速的动态响应。在整个动态过程中，逆变器只选择两次不同的电压矢量来减小动态过程中的超调，达到改善调节过程的目的。

图1   电机突加负载过程中转速和转矩波形

图2  基于FTFSPM电机的转矩冲量平衡控制策略系统框图

图3   突加负载响应过程

图4   A相开路情况下突加负载响应过程

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结论

本文对容错型永磁磁通切换电机单相开路情况下电机动态性能优化进行研究。针对直接转矩控制策略中转矩响应快，但转速受PI环参数响应慢的特点，提出了转矩冲量平衡控制算法。根据在负载变化前后，电机的转速不发生变化，结合电机运动方程得到电机转矩冲量，从而精确求得逆变器发送前进矢量和后退矢量的时间，实现转速的快速收敛。

该动态调节方法动态过程响应快，不受PI参数的影响，优化了电机转速跟踪性能。最后，基于6/19容错型永磁磁通切换电机及其控制系统，进行直接转矩控制以及转矩冲量平衡控制的对比实验，验证了所提出算法的有效性。

本文引用

肖文妍, 王宇, 耿亮, 王子禹,  张源. 单相开路情况下6/19永磁磁通切换容错电机转矩冲量平衡控制策略[J]. 电工技术学报, 2018, 33(7): 1488-1496.

Xiao Wenyan, Wang Yu, Geng Liang, Wang Ziyu, Zhang Yuan. Torque Impulse Balance Control Strategy of 6/19 FTFSPM Machine under Open-Circuit Condition[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(7): 1488-1496.

  团 队 及 作 者 简 介   

王宇（1982），男，博士，副教授，研究生导师，IEEE senior member, IEEE Transaction on Industrial Electronics, IEEE Transaction on Power Electronics等国际期刊审稿人。所领导团队研究方向包括交流电机的先进控制理论、全电多电飞机中的起动/发电机系统、电作动系统和新能源发电系统的拓扑结构与控制方法。主持基金16项，其中国家级基金2项，省部级基金4项。发表EI收录文章80余篇，SCI收录20余篇，申请中国国家发明30余项，已获得授权20余项。获得2013年江苏省优秀硕士论文，2015年江苏省优秀博士论文。

肖文妍（1993），女，硕士研究生，研究方向是容错型电机的容错控制策略及其高性能动态控制算法实现。

耿亮（1993），男，硕士研究生，研究方向是容错型电机的容错控制策略及AC-DC变换器系统的非线性控制技术。

王子禹（1995），男，硕士研究生，研究方向是多输入源发电系统的非线性控制技术。

张源（1996），男，硕士研究生，研究方向是DC-DC变换器的非线性控制技术。

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