1.3.2 多自由度使用

1.容錯(cuò)運(yùn)行控制

多相電動(dòng)機(jī)具有多自由度，可以利用剩余的可控自由度實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)容錯(cuò)不間斷運(yùn)行控制。具有容錯(cuò)功能的多相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1-7所示［2］。圖1-7a是傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)逆變器橋臂或電動(dòng)機(jī)繞組發(fā)生故障時(shí)，可以采用拋棄對應(yīng)相繞組的控制，利用剩余健康相繼續(xù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)降額不間斷運(yùn)行，而且由于采用單套逆變器控制結(jié)構(gòu)，使得剩余健康相的控制相互關(guān)聯(lián)。圖1-7b中每一相繞組采用獨(dú)立的單相逆變器進(jìn)行供電，當(dāng)發(fā)生相繞組或?qū)?yīng)相逆變器故障時(shí)，只需將對應(yīng)單相逆變器與直流源斷開即可，該種拓?fù)渫瑫r(shí)還具有直流母線電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)相數(shù)是3的倍數(shù)時(shí)可以采用圖1-7c所示拓?fù)洌ㄗ泳哂卸嗵字行狞c(diǎn)隔離的三相繞組，每一套三相單元都由一個(gè)獨(dú)立的三相逆變器供電，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，只需將故障的三相單元與直流電源斷開即可，而且可以采用熟知的三相功率電子模塊，從而減少了變換器體積、成本，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)多個(gè)三相單元方法實(shí)現(xiàn)了更加間接的控制策略。

當(dāng)多相電動(dòng)機(jī)缺相后，顯然剩余健康相定子繞組不再對稱，而轉(zhuǎn)子永磁體或繞組仍然是對稱的，如何利用剩余健康相繞組實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)缺相后平穩(wěn)運(yùn)行？本章參考文獻(xiàn)［39-41］針對六相永磁同步電動(dòng)機(jī)，研究了基于虛擬變量定義的缺一相、缺兩相時(shí)的對稱數(shù)學(xué)模型，并基于該數(shù)學(xué)模型建立了利用剩余健康相的直接轉(zhuǎn)矩控制理論，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)繞組無故障不間斷過渡至缺相運(yùn)行。本章參考文獻(xiàn)［42，43］針對五相永磁同步電動(dòng)機(jī)也提出了基于磁鏈改進(jìn)型缺一相容錯(cuò)型直接轉(zhuǎn)矩控制。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組發(fā)生缺相后，若僅僅從剩余健康相繞組角度看待電動(dòng)機(jī)，那么顯然定子是不對稱的；但若仍然把故障相繞組考慮進(jìn)去，那么電動(dòng)機(jī)定子側(cè)還是對稱的，與繞組無故障情況不同之處只是在于故障相繞組電流等于零。所以，可以借鑒繞組無故障時(shí)的電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型來構(gòu)建繞組缺相時(shí)的轉(zhuǎn)矩控制策略，同時(shí)將故障相繞組電流等于零作為限定條件引入控制策略中，從而簡化控制策略的構(gòu)建。為此，本章參考文獻(xiàn)［44，45］以單逆變器供電六相串聯(lián)三相雙永磁體同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)缺相容錯(cuò)運(yùn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，利用繞組無故障時(shí)的數(shù)學(xué)模型結(jié)合故障相繞組電流等于零的條件構(gòu)建直接轉(zhuǎn)矩控制策略，實(shí)現(xiàn)了繞組無故障向繞組缺相不間斷運(yùn)行的轉(zhuǎn)換。其中，本章參考文獻(xiàn)［44］利用預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的進(jìn)一步減小；本章參考文獻(xiàn)［45］利用占空計(jì)算方法，進(jìn)一步簡化了直接轉(zhuǎn)矩控制策略。

對于多個(gè)三相單元的多相拓?fù)洌梢圆捎藐P(guān)閉故障三相單元的方法實(shí)現(xiàn)整個(gè)電動(dòng)機(jī)切套減額容錯(cuò)運(yùn)行。本章參考文獻(xiàn)［46］以三套五相繞組構(gòu)成的十五相異步推進(jìn)電動(dòng)機(jī)為研究對象，針對電動(dòng)機(jī)不同套數(shù)繞組投入/切出減額運(yùn)行工況，重新計(jì)算了對應(yīng)的定、轉(zhuǎn)子參數(shù)，并應(yīng)用分布磁路法計(jì)算了計(jì)及飽和變化的勵(lì)磁電抗，建立了電動(dòng)機(jī)對應(yīng)不同套數(shù)繞組運(yùn)行時(shí)的等效電路，結(jié)合螺旋槳負(fù)載機(jī)械特性，計(jì)算了十五相異步推進(jìn)電動(dòng)機(jī)切套減額運(yùn)行時(shí)與負(fù)載相適應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。

2.多電動(dòng)機(jī)串聯(lián)運(yùn)行控制

在紡織廠、高壓交流、卷繞機(jī)、電動(dòng)汽車等應(yīng)用領(lǐng)域中，存在多個(gè)交流電動(dòng)機(jī)變速驅(qū)動(dòng)同時(shí)使用的情況。目前解決多變速驅(qū)動(dòng)的方法是共直流母線，每一個(gè)三相交流電動(dòng)機(jī)采用獨(dú)立的電壓源逆變器供電，可以采用多個(gè)三相電動(dòng)機(jī)并聯(lián)于一個(gè)三相逆變器上，但需要這些電動(dòng)機(jī)具有相同的負(fù)載和轉(zhuǎn)速。多電動(dòng)機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)示意圖如圖1-8所示，一個(gè)n相電流可控電壓源供給一套n相定子繞組，且采用相移方法實(shí)現(xiàn)定子繞組串聯(lián)。由于一個(gè)電動(dòng)機(jī)中磁場和轉(zhuǎn)矩的控制只需要一對αβ電流分量，因此這樣有可能采用剩余的自由度對其他電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。但要實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電動(dòng)機(jī)之間的解耦控制，還要求一臺電動(dòng)機(jī)中控制磁場和轉(zhuǎn)矩的電流在其他電動(dòng)機(jī)中不產(chǎn)生磁場和轉(zhuǎn)矩。

Lockheed Martin公司的Gataric S工程師在本章參考文獻(xiàn)［47］中最早提出了多電動(dòng)機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)思想，他首先把傳統(tǒng)的三相笛卡兒坐標(biāo)變換推廣到五相坐標(biāo)系，然后以注入零序電流的方式實(shí)現(xiàn)了雙五相電動(dòng)機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)的獨(dú)立解耦運(yùn)行。此后，英國利物浦約翰摩爾大學(xué)的Levi E教授在本章參考文獻(xiàn)［48］中將該方法進(jìn)一步應(yīng)用于任意對稱繞組偶數(shù)相與奇數(shù)相的多電動(dòng)機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)中，給出了相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)數(shù)量、解耦變換陣和相序變換規(guī)則。

與獨(dú)立變換器供電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，多電動(dòng)機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有以下兩方面的優(yōu)點(diǎn)：

1）單逆變器供電多電動(dòng)機(jī)繞組串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以明顯減少變換器個(gè)數(shù)及采用通道數(shù)，進(jìn)而降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件成本并縮小體積。

2）由于多個(gè)電動(dòng)機(jī)共用一個(gè)變換器，故多個(gè)電動(dòng)機(jī)之間具有能量直接流動(dòng)回路，當(dāng)其中部分電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，其發(fā)電制動(dòng)能量可直接供給其他電動(dòng)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，易于實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。

由多臺相數(shù)相同的多相電動(dòng)機(jī)組成的多電動(dòng)機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)，例如兩臺五相電動(dòng)機(jī)組成的串聯(lián)系統(tǒng)［49］以及兩臺雙三相電動(dòng)機(jī)組成的串聯(lián)系統(tǒng)［50］，由于任何一臺電動(dòng)機(jī)的基波電流都會(huì)流經(jīng)另一臺電動(dòng)機(jī)，故多電動(dòng)機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)銅耗有所增加，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大負(fù)載能力也有所降低。但對于復(fù)繞機(jī)等工業(yè)應(yīng)用場合，兩臺電動(dòng)機(jī)不會(huì)同時(shí)工作于最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，且兩臺電動(dòng)機(jī)一臺工作于電動(dòng)狀態(tài)、一臺工作于制動(dòng)狀態(tài)，雙電動(dòng)機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)不僅易于實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，且由于其對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大負(fù)載能力無影響的優(yōu)點(diǎn)，可以顯著提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。

對于六相串聯(lián)三相雙電動(dòng)機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)等由相數(shù)不同的電動(dòng)機(jī)組成的多電動(dòng)機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)［51］，若前一臺電動(dòng)機(jī)的容量遠(yuǎn)大于后一臺電動(dòng)機(jī)，由于前一臺電動(dòng)機(jī)的基波電流不流經(jīng)后一臺電動(dòng)機(jī)，則前一臺電動(dòng)機(jī)對后一臺電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力基本無影響，故該種多電動(dòng)機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)可用于大容量電動(dòng)機(jī)串聯(lián)小容量電動(dòng)機(jī)的主從式雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，例如冶金、造紙等工業(yè)制造領(lǐng)域中用到的電動(dòng)機(jī)。

可采用傳統(tǒng)單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略對多電動(dòng)機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行控制，當(dāng)前國內(nèi)外對多電動(dòng)機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)的研究多是基于矢量控制，對其直接轉(zhuǎn)矩控制的研究還較為少見。本章參考文獻(xiàn)［52］針對六相串聯(lián)三相雙PMSM串聯(lián)系統(tǒng)，給出了數(shù)學(xué)模型，并通過矢量控制實(shí)現(xiàn)了兩臺PMSM的獨(dú)立解耦運(yùn)行。本章參考文獻(xiàn)［53］針對雙五相PMSM串聯(lián)系統(tǒng)，引入了魯棒前饋電流控制以提高矢量控制的電流跟蹤性能，實(shí)現(xiàn)其矢量控制。本章參考文獻(xiàn)［54］提出了一種基于雙三相電動(dòng)機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)自適應(yīng)輸入輸出反饋線性化和滑模變結(jié)構(gòu)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略。

3.諧波注入提升負(fù)載能力控制

根據(jù)電動(dòng)機(jī)學(xué)理論可知，相同次數(shù)的諧波磁場分量與諧波電流分量相互作用可以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。若通過電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法有意在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生一定的有益諧波磁場，且在定子繞組中流過對應(yīng)次諧波電流，則會(huì)產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩疊加到基波電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩上，從而增強(qiáng)了電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力。這種電動(dòng)機(jī)定子繞組反電動(dòng)勢為非正弦波。

本章參考文獻(xiàn)［55，56］針對五相隱極式永磁同步電動(dòng)機(jī)，推導(dǎo)出了3次諧波電流最優(yōu)注入增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩能力的理論，利用反電動(dòng)勢中的3次諧波分量與3次諧波電流作用產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，同時(shí)降低了鐵心飽和程度。圖1-9所示為具體的系統(tǒng)框圖。

本章參考文獻(xiàn)［57］針對雙三相PMSM，提出了一種注入5次和7次諧波電流增強(qiáng)轉(zhuǎn)矩能力的方法，轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)約為9%。本章參考文獻(xiàn)［58］針對五相永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，提出了一種注入3次諧波轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)控制方法，從定子銅損耗最小及定子電流幅值最小角度推導(dǎo)了基波與3次諧波平面定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)矩約增強(qiáng)了3%，定子電流幅值約減小了20%。

4.轉(zhuǎn)子磁懸浮控制

多相電動(dòng)機(jī)具有多自由度的特點(diǎn)，在單繞組結(jié)構(gòu)的無軸承電動(dòng)機(jī)中，可以將控制轉(zhuǎn)子切向旋轉(zhuǎn)的功能和控制轉(zhuǎn)子徑向懸浮的功能分別映射到空間正交的兩個(gè)直角坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子切向旋轉(zhuǎn)和徑向懸浮控制之間的解耦。本章參考文獻(xiàn)［59］針對定子永磁型無軸承磁通切換電動(dòng)機(jī)，把轉(zhuǎn)子切向運(yùn)行和徑向懸浮控制分別映射到一次平面和2次諧波平面上，很好地實(shí)現(xiàn)了二者之間的解耦控制。本章參考文獻(xiàn)［60］針對12/8極無軸承開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和懸浮力在電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)控制中存在強(qiáng)耦合的問題，研究了一種12/4極無軸承開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。本章參考文獻(xiàn)［61］針對單繞組五相無軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)提出了一種轉(zhuǎn)子位置滑模觀測器，同時(shí)采用注入一次定子電流和二次定子電流的方法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子切向旋轉(zhuǎn)和徑向懸浮控制。本章參考文獻(xiàn)［62］對六相單繞組無軸承永磁薄片電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)和懸浮工作原理進(jìn)行了分析，揭示了一次定子電流控制轉(zhuǎn)矩和二次定子電流控制懸浮力的原理。