1.3.2 多自由度使用

1.容错运行控制

多相电动机具有多自由度，可以利用剩余的可控自由度实现电动机容错不间断运行控制。具有容错功能的多相电动机驱动系统如图1-7所示［2］。图1-7a是传统的拓扑结构，当逆变器桥臂或电动机绕组发生故障时，可以采用抛弃对应相绕组的控制，利用剩余健康相继续实现电动机降额不间断运行，而且由于采用单套逆变器控制结构，使得剩余健康相的控制相互关联。图1-7b中每一相绕组采用独立的单相逆变器进行供电，当发生相绕组或对应相逆变器故障时，只需将对应单相逆变器与直流源断开即可，该种拓扑同时还具有直流母线电压利用率高的优点。当相数是3的倍数时可以采用图1-7c所示拓扑，定子具有多套中心点隔离的三相绕组，每一套三相单元都由一个独立的三相逆变器供电，当发生故障时，只需将故障的三相单元与直流电源断开即可，而且可以采用熟知的三相功率电子模块，从而减少了变换器体积、成本，缩短了设计时间，同时多个三相单元方法实现了更加间接的控制策略。

当多相电动机缺相后，显然剩余健康相定子绕组不再对称，而转子永磁体或绕组仍然是对称的，如何利用剩余健康相绕组实现电动机缺相后平稳运行？本章参考文献［39-41］针对六相永磁同步电动机，研究了基于虚拟变量定义的缺一相、缺两相时的对称数学模型，并基于该数学模型建立了利用剩余健康相的直接转矩控制理论，实现了电动机绕组无故障不间断过渡至缺相运行。本章参考文献［42，43］针对五相永磁同步电动机也提出了基于磁链改进型缺一相容错型直接转矩控制。

当电动机绕组发生缺相后，若仅仅从剩余健康相绕组角度看待电动机，那么显然定子是不对称的；但若仍然把故障相绕组考虑进去，那么电动机定子侧还是对称的，与绕组无故障情况不同之处只是在于故障相绕组电流等于零。所以，可以借鉴绕组无故障时的电动机数学模型来构建绕组缺相时的转矩控制策略，同时将故障相绕组电流等于零作为限定条件引入控制策略中，从而简化控制策略的构建。为此，本章参考文献［44，45］以单逆变器供电六相串联三相双永磁体同步电动机驱动系统缺相容错运行直接转矩控制，利用绕组无故障时的数学模型结合故障相绕组电流等于零的条件构建直接转矩控制策略，实现了绕组无故障向绕组缺相不间断运行的转换。其中，本章参考文献［44］利用预测方法，实现了转矩脉动的进一步减小；本章参考文献［45］利用占空计算方法，进一步简化了直接转矩控制策略。

对于多个三相单元的多相拓扑，可以采用关闭故障三相单元的方法实现整个电动机切套减额容错运行。本章参考文献［46］以三套五相绕组构成的十五相异步推进电动机为研究对象，针对电动机不同套数绕组投入/切出减额运行工况，重新计算了对应的定、转子参数，并应用分布磁路法计算了计及饱和变化的励磁电抗，建立了电动机对应不同套数绕组运行时的等效电路，结合螺旋桨负载机械特性，计算了十五相异步推进电动机切套减额运行时与负载相适应的最大输出转矩。

2.多电动机串联运行控制

在纺织厂、高压交流、卷绕机、电动汽车等应用领域中，存在多个交流电动机变速驱动同时使用的情况。目前解决多变速驱动的方法是共直流母线，每一个三相交流电动机采用独立的电压源逆变器供电，可以采用多个三相电动机并联于一个三相逆变器上，但需要这些电动机具有相同的负载和转速。多电动机串联驱动示意图如图1-8所示，一个n相电流可控电压源供给一套n相定子绕组，且采用相移方法实现定子绕组串联。由于一个电动机中磁场和转矩的控制只需要一对αβ电流分量，因此这样有可能采用剩余的自由度对其他电动机进行控制。但要实现串联电动机之间的解耦控制，还要求一台电动机中控制磁场和转矩的电流在其他电动机中不产生磁场和转矩。

Lockheed Martin公司的Gataric S工程师在本章参考文献［47］中最早提出了多电动机串联驱动思想，他首先把传统的三相笛卡儿坐标变换推广到五相坐标系，然后以注入零序电流的方式实现了双五相电动机串联系统的独立解耦运行。此后，英国利物浦约翰摩尔大学的Levi E教授在本章参考文献［48］中将该方法进一步应用于任意对称绕组偶数相与奇数相的多电动机串联系统中，给出了相应的电动机数量、解耦变换阵和相序变换规则。

与独立变换器供电驱动系统相比，多电动机串联驱动系统主要有以下两方面的优点：

1）单逆变器供电多电动机绕组串联驱动系统可以明显减少变换器个数及采用通道数，进而降低驱动系统的硬件成本并缩小体积。

2）由于多个电动机共用一个变换器，故多个电动机之间具有能量直接流动回路，当其中部分电动机处于发电制动运行时，其发电制动能量可直接供给其他电动运行的电动机，易于实现回馈制动。

由多台相数相同的多相电动机组成的多电动机串联系统，例如两台五相电动机组成的串联系统［49］以及两台双三相电动机组成的串联系统［50］，由于任何一台电动机的基波电流都会流经另一台电动机，故多电动机串联系统铜耗有所增加，驱动系统的最大负载能力也有所降低。但对于复绕机等工业应用场合，两台电动机不会同时工作于最大转矩状态，电动机的转矩随转速的升高而降低，且两台电动机一台工作于电动状态、一台工作于制动状态，双电动机串联系统不仅易于实现回馈制动，且由于其对驱动系统的最大负载能力无影响的优点，可以显著提高驱动系统的效率。

对于六相串联三相双电动机串联系统等由相数不同的电动机组成的多电动机串联系统［51］，若前一台电动机的容量远大于后一台电动机，由于前一台电动机的基波电流不流经后一台电动机，则前一台电动机对后一台电动机的负载能力基本无影响，故该种多电动机串联系统可用于大容量电动机串联小容量电动机的主从式双电动机驱动，例如冶金、造纸等工业制造领域中用到的电动机。

可采用传统单电动机驱动系统的控制策略对多电动机串联系统进行控制，当前国内外对多电动机串联系统的研究多是基于矢量控制，对其直接转矩控制的研究还较为少见。本章参考文献［52］针对六相串联三相双PMSM串联系统，给出了数学模型，并通过矢量控制实现了两台PMSM的独立解耦运行。本章参考文献［53］针对双五相PMSM串联系统，引入了鲁棒前馈电流控制以提高矢量控制的电流跟踪性能，实现其矢量控制。本章参考文献［54］提出了一种基于双三相电动机串联系统自适应输入输出反馈线性化和滑模变结构的直接转矩控制策略。

3.谐波注入提升负载能力控制

根据电动机学理论可知，相同次数的谐波磁场分量与谐波电流分量相互作用可以产生恒定的电磁转矩。若通过电动机设计方法有意在电动机气隙中产生一定的有益谐波磁场，且在定子绕组中流过对应次谐波电流，则会产生额外的电磁转矩叠加到基波电流产生的转矩上，从而增强了电动机的负载能力。这种电动机定子绕组反电动势为非正弦波。

本章参考文献［55，56］针对五相隐极式永磁同步电动机，推导出了3次谐波电流最优注入增强电动机转矩能力的理论，利用反电动势中的3次谐波分量与3次谐波电流作用产生额外的电磁转矩，同时降低了铁心饱和程度。图1-9所示为具体的系统框图。

本章参考文献［57］针对双三相PMSM，提出了一种注入5次和7次谐波电流增强转矩能力的方法，转矩增强约为9%。本章参考文献［58］针对五相永磁同步电动机直接转矩控制系统，提出了一种注入3次谐波转矩的转矩增强控制方法，从定子铜损耗最小及定子电流幅值最小角度推导了基波与3次谐波平面定子磁链和电磁转矩之间的关系，实验结果表明转矩约增强了3%，定子电流幅值约减小了20%。

4.转子磁悬浮控制

多相电动机具有多自由度的特点，在单绕组结构的无轴承电动机中，可以将控制转子切向旋转的功能和控制转子径向悬浮的功能分别映射到空间正交的两个直角坐标系中，从而实现转子切向旋转和径向悬浮控制之间的解耦。本章参考文献［59］针对定子永磁型无轴承磁通切换电动机，把转子切向运行和径向悬浮控制分别映射到一次平面和2次谐波平面上，很好地实现了二者之间的解耦控制。本章参考文献［60］针对12/8极无轴承开关磁阻电动机转矩和悬浮力在电动机实时控制中存在强耦合的问题，研究了一种12/4极无轴承开关磁阻电动机。本章参考文献［61］针对单绕组五相无轴承永磁同步电动机提出了一种转子位置滑模观测器，同时采用注入一次定子电流和二次定子电流的方法，实现转子切向旋转和径向悬浮控制。本章参考文献［62］对六相单绕组无轴承永磁薄片电动机的旋转和悬浮工作原理进行了分析，揭示了一次定子电流控制转矩和二次定子电流控制悬浮力的原理。