江苏大学研究团队提出一种基于虚拟方波注入的五相PMSM开路故障下直接转矩控制策略

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五相永磁同步电机（PMSM）具有功率密度高、转矩脉动低、容错能力强等优点，在不增加额外硬件的基础上加入容错策略，就能实现故障后的平稳运行。因此，五相PMSM在新能源车、航空航天等高可靠性领域得到了广泛关注。在传统直接转矩控制中，参考磁链往往是一个固定值，这将导致五相永磁同步电机在正常及容错情况下运行时效率不高。 为解决该问题，江苏大学电气信息工程学院周华伟教授团队提出了一种基于虚拟方波注入的直接转矩控制策略（VSWI-DTC），该策略不但能保持直接转矩控制良好的动态性能且抑制开路故障引起的转矩脉动，而且提高了电机在正常和开路故障情况下的效率。

研究背景

相对于三相PMSM，五相PMSM具有母线电压利用率高、转矩脉动小、控制自由度多、容错能力强等优点，使得其在新能源车、航空航天、船舶推进等领域具有广阔的应用前景。

传统直接转矩控制通常会选择恒定的定子磁链幅值，这会导致PMSM难以在各种工况下实现效率最优。此外，PMSM在运行时存在相开路故障的可能性，这不仅会对PMSM的性能造成影响，甚至会导致系统损坏。因此，本文针对正常和相开路故障情况的五相PMSM开展了效率最优控制的相关研究。

论文所解决的问题及意义

在基于虚拟正弦信号注入的直接转矩控制（VSSI-DTC）中，通常需要滤波器对高频响应信号进行处理，进而得到最优定子磁链。然而，滤波器的使用不可避免地会引起信号延迟，影响系统性能。

为进一步提升系统控制性能，江苏大学电气信息工程学院的科研人员提出了基于虚拟方波注入的五相PMSM开路故障下直接转矩控制策略，该策略在最优磁链检测过程中无需使用滤波器，能够保证电机在开路情况下稳定运行的同时，使得其在各种负载工况下均具有最小的电流，进而实现当前工况下的效率最优。

论文方法及创新点

为提高电机在正常和开路故障情况下的效率，本文提出了一种基于虚拟方波注入的DTC策略。

首先，建立五相PMSM在正常和开路故障情况下的数学模型，在同步旋转坐标系中推导出恒定转矩下电流幅值与定子磁链幅值的关系。

其次，设计最优定子磁链探测器。通过向定子磁链幅值中注入虚拟方波信号，根据电流幅值的变化情况补偿定子磁链幅值，在线探寻最优定子磁链幅值。

再次，与无差拍DTC相结合，实现电机高效率DTC运行。该系统控制框图如图1所示。

图1 所提出的VSWI-DTC框图

最后，研究人员搭建了如图2所示的五相PMSM实验平台，验证了所提出的用于五相PMSM开路故障情况下的VSWI-DTC策略的可行性。实验结果如图3-5所示。

图2 五相PMSM实验平台

图3 从恒定磁链控制切换到VSWI-DTC的转矩和磁链波形

图4 容错情况下给定转矩阶跃时的转矩、定子磁链和电流响应

图5 VSWI-DTC的效率分布图

结论

为提高DTC策略控制的五相PMSM在正常及容错情况下的运行效率，并保证其具有优良的稳态和动态性能，提出了一种基于虚拟方波注入的DTC策略。该策略具有如下优点：

1）无论是在正常还是开路故障情况下，都无需使用滤波器，且能在线快速探寻到最优定子磁链幅值，具有优良的稳态和动态性能，且提升电机效率的效果与VSSI-DTC策略基本相同，但探测最优定子磁链的速度快于VSSI-DTC。

2）能够抑制开路故障引起的转矩脉动，在开路故障情况下具有和正常情况下相似的动态性能。

3）注入的信号为虚拟信号，不会引起额外的转矩脉动和损耗。

团队介绍

研究人员隶属于江苏大学江苏省电动车辆驱动与智能控制重点实验室，团队负责人为刘国海教授。主要研究方向包括电动车辆驱动用永磁电机优化设计、驱动控制等。

该工作发表论文的通讯作者为周华伟教授、博士生导师，江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师，先后主持国家自然科学基金项目3项、横向课题多项。以第一作者发表SCI/EI论文30余篇，获国家发明专利30余件、PCT授权专利6件。

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、电动农机用永磁电机驱动系统研究。

周振伍

硕士研究生，研究方向为永磁电机驱动控制。

朱流川

硕士研究生，研究方向为永磁电机驱动控制。

本工作成果发表在2024年第22期《电工技术学报》，论文标题为“基于虚拟方波注入的五相永磁同步电机开路故障下直接转矩控制 “。本课题为国家自然科学基金资助项目。

引用本文

周华伟, 周振伍, 朱流川. 基于虚拟方波注入的五相永磁同步电机开路故障下直接转矩控制[J]. 电工技术学报, 2024, 39(22): 7073-7083. Zhou Huawei, Zhou Zhenwu, Zhu Liuchuan. Virtual Square Wave Injection Based Direct Torque Control for Five-Phase PMSM with Open-Circuit Fault. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(22): 7073-7083.

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