1.3.2 多自由度使用

1.容錯運行控制

多相電動機具有多自由度，可以利用剩余的可控自由度實現電動機容錯不間斷運行控制。具有容錯功能的多相電動機驅動系統如圖1-7所示［2］。圖1-7a是傳統的拓撲結構，當逆變器橋臂或電動機繞組發生故障時，可以采用拋棄對應相繞組的控制，利用剩余健康相繼續實現電動機降額不間斷運行，而且由于采用單套逆變器控制結構，使得剩余健康相的控制相互關聯。圖1-7b中每一相繞組采用獨立的單相逆變器進行供電，當發生相繞組或對應相逆變器故障時，只需將對應單相逆變器與直流源斷開即可，該種拓撲同時還具有直流母線電壓利用率高的優點。當相數是3的倍數時可以采用圖1-7c所示拓撲，定子具有多套中心點隔離的三相繞組，每一套三相單元都由一個獨立的三相逆變器供電，當發生故障時，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，縮短了設計時間，同時多個三相單元方法實現了更加間接的控制策略。

當多相電動機缺相后，顯然剩余健康相定子繞組不再對稱，而轉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現電動機缺相后平穩運行？本章參考文獻［39-41］針對六相永磁同步電動機，研究了基于虛擬變量定義的缺一相、缺兩相時的對稱數學模型，并基于該數學模型建立了利用剩余健康相的直接轉矩控制理論，實現了電動機繞組無故障不間斷過渡至缺相運行。本章參考文獻［42，43］針對五相永磁同步電動機也提出了基于磁鏈改進型缺一相容錯型直接轉矩控制。

當電動機繞組發生缺相后，若僅僅從剩余健康相繞組角度看待電動機，那么顯然定子是不對稱的；但若仍然把故障相繞組考慮進去，那么電動機定子側還是對稱的，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的電動機數學模型來構建繞組缺相時的轉矩控制策略，同時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建。為此，本章參考文獻［44，45］以單逆變器供電六相串聯三相雙永磁體同步電動機驅動系統缺相容錯運行直接轉矩控制，利用繞組無故障時的數學模型結合故障相繞組電流等于零的條件構建直接轉矩控制策略，實現了繞組無故障向繞組缺相不間斷運行的轉換。其中，本章參考文獻［44］利用預測方法，實現了轉矩脈動的進一步減小；本章參考文獻［45］利用占空計算方法，進一步簡化了直接轉矩控制策略。

對于多個三相單元的多相拓撲，可以采用關閉故障三相單元的方法實現整個電動機切套減額容錯運行。本章參考文獻［46］以三套五相繞組構成的十五相異步推進電動機為研究對象，針對電動機不同套數繞組投入/切出減額運行工況，重新計算了對應的定、轉子參數，并應用分布磁路法計算了計及飽和變化的勵磁電抗，建立了電動機對應不同套數繞組運行時的等效電路，結合螺旋槳負載機械特性，計算了十五相異步推進電動機切套減額運行時與負載相適應的最大輸出轉矩。

2.多電動機串聯運行控制

在紡織廠、高壓交流、卷繞機、電動汽車等應用領域中，存在多個交流電動機變速驅動同時使用的情況。目前解決多變速驅動的方法是共直流母線，每一個三相交流電動機采用獨立的電壓源逆變器供電，可以采用多個三相電動機并聯于一個三相逆變器上，但需要這些電動機具有相同的負載和轉速。多電動機串聯驅動示意圖如圖1-8所示，一個n相電流可控電壓源供給一套n相定子繞組，且采用相移方法實現定子繞組串聯。由于一個電動機中磁場和轉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機進行控制。但要實現串聯電動機之間的解耦控制，還要求一臺電動機中控制磁場和轉矩的電流在其他電動機中不產生磁場和轉矩。

Lockheed Martin公司的Gataric S工程師在本章參考文獻［47］中最早提出了多電動機串聯驅動思想，他首先把傳統的三相笛卡兒坐標變換推廣到五相坐標系，然后以注入零序電流的方式實現了雙五相電動機串聯系統的獨立解耦運行。此后，英國利物浦約翰摩爾大學的Levi E教授在本章參考文獻［48］中將該方法進一步應用于任意對稱繞組偶數相與奇數相的多電動機串聯系統中，給出了相應的電動機數量、解耦變換陣和相序變換規則。

與獨立變換器供電驅動系統相比，多電動機串聯驅動系統主要有以下兩方面的優點：

1）單逆變器供電多電動機繞組串聯驅動系統可以明顯減少變換器個數及采用通道數，進而降低驅動系統的硬件成本并縮小體積。

2）由于多個電動機共用一個變換器，故多個電動機之間具有能量直接流動回路，當其中部分電動機處于發電制動運行時，其發電制動能量可直接供給其他電動運行的電動機，易于實現回饋制動。

由多臺相數相同的多相電動機組成的多電動機串聯系統，例如兩臺五相電動機組成的串聯系統［49］以及兩臺雙三相電動機組成的串聯系統［50］，由于任何一臺電動機的基波電流都會流經另一臺電動機，故多電動機串聯系統銅耗有所增加，驅動系統的最大負載能力也有所降低。但對于復繞機等工業應用場合，兩臺電動機不會同時工作于最大轉矩狀態，電動機的轉矩隨轉速的升高而降低，且兩臺電動機一臺工作于電動狀態、一臺工作于制動狀態，雙電動機串聯系統不僅易于實現回饋制動，且由于其對驅動系統的最大負載能力無影響的優點，可以顯著提高驅動系統的效率。

對于六相串聯三相雙電動機串聯系統等由相數不同的電動機組成的多電動機串聯系統［51］，若前一臺電動機的容量遠大于后一臺電動機，由于前一臺電動機的基波電流不流經后一臺電動機，則前一臺電動機對后一臺電動機的負載能力基本無影響，故該種多電動機串聯系統可用于大容量電動機串聯小容量電動機的主從式雙電動機驅動，例如冶金、造紙等工業制造領域中用到的電動機。

可采用傳統單電動機驅動系統的控制策略對多電動機串聯系統進行控制，當前國內外對多電動機串聯系統的研究多是基于矢量控制，對其直接轉矩控制的研究還較為少見。本章參考文獻［52］針對六相串聯三相雙PMSM串聯系統，給出了數學模型，并通過矢量控制實現了兩臺PMSM的獨立解耦運行。本章參考文獻［53］針對雙五相PMSM串聯系統，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，實現其矢量控制。本章參考文獻［54］提出了一種基于雙三相電動機串聯系統自適應輸入輸出反饋線性化和滑模變結構的直接轉矩控制策略。

3.諧波注入提升負載能力控制

根據電動機學理論可知，相同次數的諧波磁場分量與諧波電流分量相互作用可以產生恒定的電磁轉矩。若通過電動機設計方法有意在電動機氣隙中產生一定的有益諧波磁場，且在定子繞組中流過對應次諧波電流，則會產生額外的電磁轉矩疊加到基波電流產生的轉矩上，從而增強了電動機的負載能力。這種電動機定子繞組反電動勢為非正弦波。

本章參考文獻［55，56］針對五相隱極式永磁同步電動機，推導出了3次諧波電流最優注入增強電動機轉矩能力的理論，利用反電動勢中的3次諧波分量與3次諧波電流作用產生額外的電磁轉矩，同時降低了鐵心飽和程度。圖1-9所示為具體的系統框圖。

本章參考文獻［57］針對雙三相PMSM，提出了一種注入5次和7次諧波電流增強轉矩能力的方法，轉矩增強約為9%。本章參考文獻［58］針對五相永磁同步電動機直接轉矩控制系統，提出了一種注入3次諧波轉矩的轉矩增強控制方法，從定子銅損耗最小及定子電流幅值最小角度推導了基波與3次諧波平面定子磁鏈和電磁轉矩之間的關系，實驗結果表明轉矩約增強了3%，定子電流幅值約減小了20%。

4.轉子磁懸浮控制

多相電動機具有多自由度的特點，在單繞組結構的無軸承電動機中，可以將控制轉子切向旋轉的功能和控制轉子徑向懸浮的功能分別映射到空間正交的兩個直角坐標系中，從而實現轉子切向旋轉和徑向懸浮控制之間的解耦。本章參考文獻［59］針對定子永磁型無軸承磁通切換電動機，把轉子切向運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，很好地實現了二者之間的解耦控制。本章參考文獻［60］針對12/8極無軸承開關磁阻電動機轉矩和懸浮力在電動機實時控制中存在強耦合的問題，研究了一種12/4極無軸承開關磁阻電動機。本章參考文獻［61］針對單繞組五相無軸承永磁同步電動機提出了一種轉子位置滑模觀測器，同時采用注入一次定子電流和二次定子電流的方法，實現轉子切向旋轉和徑向懸浮控制。本章參考文獻［62］對六相單繞組無軸承永磁薄片電動機的旋轉和懸浮工作原理進行了分析，揭示了一次定子電流控制轉矩和二次定子電流控制懸浮力的原理。