江苏大学研究团队提出一种PMSM开路和短路容错控制方法

阅读提示：本文约 2000 字

在电动汽车、农用电动车辆等新能源领域，五相永磁同步电机（PMSM）因其高效、功率密度大等优点受到广泛关注。然而当反电动势含有3次谐波的五相PMSM发生开路和短路故障时，转矩脉动问题严重影响电机的稳定性和性能。 江苏大学电气信息工程学院的周华伟教授团队构建故障状态下的PMSM基波模型，将3次谐波反电动势导致的转矩脉动视作扰动的一部分。在此基础上，提出了一种基于扰动观测器的矢量控制（DOB-FOC）策略，保证PMSM在故障情况下的稳定运行。仿真和实验结果验证了所提容错策略的有效性。

研究背景

轮毂驱动因其高效率和灵活性成为电动汽车的趋势。相较于三相PMSM，五相PMSM具有母线电流谐波小、转矩脉动低、控制自由度多等优势成为研究热点。当五相PMSM含有3次谐波反电动势时，在正常运行过程中注入3次谐波电流能提高其转矩能力。

然而，在开路和短路故障情况下，永磁体的3次谐波磁场与基波电流相互作用将产生较大的2次和4次脉动转矩，严重时将导致整个系统振荡，进而无法继续运行。

论文所解决的问题及意义

当前现有的控制策略在应对上述问题时大多采用精确建模、谐波注入等方式，存在复杂度高、涉及的电机参数较多、控制效果弱等不足。

江苏大学电气信息工程学院的科研人员为实现反电动势含3次谐波的五相PMSM在单相开路和短路故障情况下的无扰动平稳运行，提出了一种基于扰动观测器的矢量控制策略，有效抑制了故障导致的转矩脉动，并使故障PMSM的稳态和动态性能与正常情况下相媲美。

论文方法及创新点

本文将3次谐波反电动势导致的转矩脉动视作扰动的一部分，在建模过程中仅考虑基波成分。

首先，通过在同步旋转坐标系上建立开路和短路故障下的五相PMSM基波数学模型，并基于降阶正交变换矩阵实现了PMSM反电动势仅含基波情况下的开路容错控制。

其次，分析3次谐波反电动势对开路故障PMSM转矩脉动的作用机理以及短路情况下PMSM转矩脉动显著增大的原因，将开路、短路情况下的转矩脉动均视为扰动量，构建故障PMSM的二阶扰动模型。

再次，设计扰动观测器，提取短路电流、外部扰动以及未建模部分（含3次谐波反电动势）等所引起的转矩脉动，并前馈到系统中，进而有效抑制转矩脉动，提高PMSM开路故障情况下的运行性能，尤其是反电动势含有3次谐波的PMSM在开路和短路故障情况下的抗扰性能。

研究建立了基于DOB-FOC的开路和短路容错控制。所提方法的控制框图如图1所示。

图1 基于DOB-FOC开路和短路容错控制框图

结论

研究人员搭建了如图2所示的实验平台来验证理论可行性。他们通过综合实验结果总结出所提出容错控制方法对比传统方案具备以下优势：

图2 五相PMSM实验平台

1、该策略只需建立故障电机的基波数学模型，无需考虑3次谐波反电动势，就能有效抑制开路和短路故障情况下的3次谐波反电动势导致的转矩脉动。

2、该策略无需额外硬件支持就能有效估算出短路电流导致的转矩脉动，亦可有效观测出两相故障导致的扰动，增强了PMSM对故障、外部扰动的抗扰性能。

3、该策略不仅适用于反电动势仅含基波的PMSM，还适用于反电动势含3次谐波的PMSM，同时适用于相开路和相短路两种故障。

团队介绍

该论文的通讯作者为周华伟教授、博士生导师，主要从事电动汽车、电磁悬架、机器人关节、飞行器用永磁电机驱动控制系统研究。高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养对象。近年来，先后主持国家自然科学基金项目3项、横向课题多项。发表SCI/EI论文50余篇，获国家发明专利30余件、PCT授权专利6件。

本工作成果发表在2024年第15期《电工技术学报》，论文标题为“基于扰动观测器的五相永磁同步电机开路和短路容错矢量控制“。本课题得到国家自然科学基金的支持。

引用本文

周华伟, 陈铖, 向小龙, 张多, 陈前. 基于扰动观测器的五相永磁同步电机开路和短路容错矢量控制[J]. 电工技术学报, 2024, 39(15): 4782-4793. Zhou Huawei, Chen Cheng, Xiang Xiaolong, Zhang Duo, Chen Qian. Disturbance-Observer-Based Field-Oriented Control of Five-Phase PMSM under Open-Circuit and Short-Circuit Faults. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(15): 4782-4793.

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