缺相故障容錯控制策略的研究現(xiàn)狀概述目錄TOC\o"1-3"\h\u25126缺相故障容錯控制策略的研究現(xiàn)狀概述 111351(一）三相四橋臂結(jié)構(gòu)和控制方式 114728(二）三相四開關(guān)結(jié)構(gòu)及其控制方式 2在發(fā)現(xiàn)電機系統(tǒng)出現(xiàn)缺相故障后，必須及時采取有效的容錯控制進行補救，不然電機會產(chǎn)生巨大的轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)速脈動，引起的機械振動有可能會導(dǎo)致電機被損壞。所以對驅(qū)動系統(tǒng)進行容錯控制很有必要。三相永磁同步電機主要有兩種容錯拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)對缺相故障：一種是三相四開關(guān)的拓撲結(jié)構(gòu)，另一種是三相四橋臂的拓撲結(jié)構(gòu)。學(xué)術(shù)界針對這兩種結(jié)構(gòu)，又提出了許多不同的控制策略。三相四橋臂結(jié)構(gòu)和控制方式圖1所示是三相電機四橋臂的容錯拓撲結(jié)構(gòu)。從圖1可以看出，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，三相四橋臂的結(jié)構(gòu)就是依托原來的三相逆變器的結(jié)構(gòu)，添加了一條新的容錯橋臂，使用一個雙向晶閘管將容錯橋臂與其他的三個橋臂連接。當(dāng)永磁同步電機的一相發(fā)生開路故障，逆變器對應(yīng)的故障相斷開，同時雙向晶閘管導(dǎo)通，容錯橋臂導(dǎo)通，取代了故障相橋臂。逆變器的結(jié)構(gòu)從圖1(a)轉(zhuǎn)化為圖1(b)。這種結(jié)構(gòu)的好處是在容錯運行時不會降低電機的轉(zhuǎn)矩，缺點是增加了元件，提高了造價。(a)電機三相四橋臂容錯拓撲結(jié)構(gòu)(b)a相故障重構(gòu)后電機的拓撲結(jié)構(gòu)圖1.1電機的三相四橋臂容錯拓撲及故障重構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)界對于三相永磁同步電機四橋臂結(jié)構(gòu)，提出了許多相應(yīng)的控制策略保證電機安全穩(wěn)定運行。文獻[49]設(shè)計了一種簡單的零序電壓前饋補償方法。該方法通過將dq電流調(diào)節(jié)器的輸入端設(shè)置為dq軸的零序補償電壓，控制電磁轉(zhuǎn)矩。但該方法使用的數(shù)學(xué)模型太理想化，受電機參數(shù)影響較大，穩(wěn)定性差，可操作性不強。參考文獻[48]改進了這種前饋補償方法。首先根據(jù)不平衡相補償電流與零軸電流的關(guān)系，計算出補償電流，然后根據(jù)系統(tǒng)的特殊效果設(shè)計零軸電流內(nèi)模控制器，實現(xiàn)零軸電流跟蹤。(二）三相四開關(guān)結(jié)構(gòu)及其控制方式圖1.2所示是三相四開關(guān)的拓撲結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)相比，圖1.2在電機的驅(qū)動系統(tǒng)中加入對應(yīng)的電氣元件晶閘管。當(dāng)電機的驅(qū)動系統(tǒng)不發(fā)生故障時，晶閘管不會導(dǎo)通，當(dāng)電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障時，晶閘管立即導(dǎo)通，故障相與兩個電容器的中點相連接。三相電機的驅(qū)動系統(tǒng)從圖1.2(a)變成圖1.2(b)。這種結(jié)構(gòu)因為附加元件少、造價低而被廣泛使用。目前，三相四開關(guān)逆變器的控制策略研究主要有兩種，一是三相四開關(guān)逆變器的矢量控制策略研究，另一種是研究這種結(jié)構(gòu)逆變器的實際應(yīng)用。當(dāng)逆變器里單個開關(guān)或是一個橋臂上的兩個開關(guān)開路時，矢量調(diào)制法可以把故障橋臂隔離，使電機繼續(xù)運行。但這種方法不能控制電機定子繞組的開路故障?，F(xiàn)在已有的基于三相四開關(guān)逆變器的矢量調(diào)制方法主要分為兩種，第一種是考慮兩電容器的中點電壓的變化，第二種則不考慮此處電壓變化。文獻[55]提出了一種七段式脈沖寬度調(diào)制法，能夠減少開關(guān)次數(shù)。因為三相四開關(guān)結(jié)構(gòu)的矢量調(diào)制里沒有零矢量，文獻[56-58]分別提出采用兩個較長的矢量、兩個較短的矢量以及四個基本的有效矢量來等效地合成零矢量的方法。文獻[59]提出一種PWM調(diào)制策略用于并網(wǎng)三相整流器故障后容錯，這種方法優(yōu)化了無效占空比的分配，降低了母線上電容器承受的沖擊電流，保護了母線上的電容器。為了產(chǎn)生參考電壓矢量，傳統(tǒng)空間矢量調(diào)制方法通常采用Clarke變換將三相電壓和三相電流轉(zhuǎn)換至αβ坐標(biāo)系里，在三相四開關(guān)結(jié)構(gòu)的逆變器中，采用傳統(tǒng)的坐標(biāo)變換會使基本電壓矢量偏移坐標(biāo)軸，出現(xiàn)角度差，因此在正確選擇扇區(qū)和計算基本矢量的連續(xù)時間時，運算量將會大大增加，而且這個運算涉及到了反三角函數(shù)和無理數(shù)，這需要一個擁有高精度和高速度的控制器[60]。電機的三相四開關(guān)容錯拓撲結(jié)構(gòu)a相故障后電機重構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)圖2電機的三相四開關(guān)及容錯拓撲結(jié)構(gòu)當(dāng)電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生一相開路故障時，文獻[61]引入新的坐標(biāo)變換實現(xiàn)故障后dq電流的解耦，進而實現(xiàn)三相永磁同步電機在一相接到與直流母線連接的電容器的中點，這會導(dǎo)致上下兩個電容器的持續(xù)性充放電，進而引起電容器中點電壓的波動，嚴重影響系統(tǒng)的可靠性。為了降低電容器電壓波動對系統(tǒng)的影響，不少學(xué)者對此展開了大量的研究，提出了一些不同的控制方法。文獻[62]針對基于電壓模型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，提出了一種考慮功率開關(guān)和二極管正向壓降不同的補償方案，通過在磁鏈方程中加入校正電壓來調(diào)整定子磁鏈的不平衡，該方法明顯地改善了電流的波形，抑制了轉(zhuǎn)矩的脈動。在文獻[63]提出的電容器電壓失調(diào)的抑制方法中，利用二階低通濾波器(LowPassFilter,LPF)提取直流失調(diào)分量，這種方法不適用于低功率下的三相四開關(guān)逆變器供電的永磁同步電機驅(qū)動器，由于LPF的帶寬有限，導(dǎo)致控制環(huán)路的穩(wěn)定裕度降低。為了有效地解決低通濾波器所帶來的頻率和傳輸范圍受到限制的問題，文獻[64]將用一種自適應(yīng)陷波器代替低通濾波器，大大地提高了控制環(huán)路的相位裕度，并且不損失帶寬。有多篇學(xué)術(shù)文獻深入研究并提出了一種不需要使用直流濾波器的系統(tǒng)計算方法[65]，利用基波電流和母線電容器之間的電壓差之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計算可以得出直流偏置電壓的大小，從而直接省略了對設(shè)計直流濾波器或者自適應(yīng)陷波器的，進一步提高了母線電容器的電壓平衡性和控制環(huán)的暫態(tài)穩(wěn)定性能。隨著高速、強大的微處理器的不斷發(fā)展，學(xué)術(shù)界對模型預(yù)測控制的使用給予了廣泛的關(guān)注，在文獻[66]中，為了盡量降低逆變器的平均開關(guān)頻率，采用了開關(guān)頻率可優(yōu)化的模型預(yù)測電流控制的系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，使三相四開關(guān)逆變器驅(qū)動的永磁同步電機控制系統(tǒng)得以穩(wěn)定地運行，有效地降低逆變器的平均開關(guān)頻率。在兩個直流母線上兩個電容器電壓不斷波動，文獻[67]在這個前提下提出了一種轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制方案，得出三相四開關(guān)逆變器的電壓矢量，能夠精準(zhǔn)地預(yù)測轉(zhuǎn)矩和磁通量，實現(xiàn)電機精確控制。傳統(tǒng)三相四開關(guān)結(jié)構(gòu)逆變器有另一個固有缺陷，即它的電壓利用率只有三相六開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)逆變器的電壓利用率的一半，為了彌補這個缺陷，文獻[68]提出了一種新型三相四開關(guān)容錯結(jié)構(gòu)的逆變器的設(shè)計方案。該方案提出的逆變器采用新的拓撲結(jié)構(gòu)，輸出的