多相電機(jī)因具有功率密度高、可靠性高和容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在艦船驅(qū)動(dòng)、多電飛機(jī)等現(xiàn)代交流傳動(dòng)的特殊應(yīng)用場合受到廣泛關(guān)注。在大功率驅(qū)動(dòng)場合，傳統(tǒng)三相電機(jī)一般采用多電平技術(shù)或功率器件串并聯(lián)來滿足功率使用要求，但其驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易降低電機(jī)系統(tǒng)可靠性，且容錯(cuò)能力較差。

目前學(xué)者們一般通過增加電機(jī)相數(shù)來降低每相功率器件容量要求，各種多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也應(yīng)運(yùn)而生。但多相電機(jī)大多數(shù)采用m套三相繞組電機(jī)結(jié)構(gòu)，一般有m個(gè)中性點(diǎn)，一旦一相繞組開路，一般只能切除開路相所在整套繞組單元來進(jìn)行降額運(yùn)行，或者將切除的整套繞組單元的輸出功率分配到其他正常工作繞組上。

本文提出一種3×5相永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM），該電機(jī)繞組采用星形聯(lián)結(jié)且三個(gè)中性點(diǎn)相互獨(dú)立結(jié)構(gòu)，當(dāng)一相繞組開路時(shí)，直接對(duì)包含該開路相繞組的五相繞組進(jìn)行不降額容錯(cuò)控制運(yùn)行。3×5相PMSM由三套五相繞組構(gòu)成，每套五相繞組保留了多相電機(jī)本有的容錯(cuò)能力。

王東等對(duì)非正弦對(duì)稱的5×3相感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了一定研究，建立了感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其定子漏抗、電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算。吳新振等分析了多相電機(jī)定子繞組的組合空間分布對(duì)磁動(dòng)勢(shì)諧波含量的影響。多相電機(jī)控制一般利用坐標(biāo)變換將定子電流變換到正交平面進(jìn)行空間解耦。

為了保證電機(jī)繞組開路故障后獲得平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩輸出，多相電機(jī)容錯(cuò)控制一般從瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩或磁鏈不變的角度考慮，調(diào)整輸出電流相位和幅值，或者通過冗余來完成容錯(cuò)，其容錯(cuò)運(yùn)行歸納為斷相解耦控制和最優(yōu)電流滯環(huán)容錯(cuò)控制兩大類。

本文對(duì)3×5相PMSM定子繞組不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立三dq軸矢量控制模型。在3×5相PMSM一相繞組開路時(shí)，分別進(jìn)行五相六橋臂SVPWM容錯(cuò)控制和最優(yōu)電流滯環(huán)容錯(cuò)控制，并在相同負(fù)載條件下，對(duì)十五相PMSM相電流進(jìn)行諧波分析。同時(shí)對(duì)基于FPGA的十五相PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，解決了多路PWM輸出同步與PWM輸出管腳數(shù)量受限的問題。

圖7 基于FPGA的十五相PMSM控制原理框圖

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)論

本文分析了繞組采用星形聯(lián)結(jié)且三個(gè)中性點(diǎn)相互獨(dú)立結(jié)構(gòu)的3×5相PMSM定子電壓與磁鏈方程，并建立了三dq軸矢量控制模型，仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論分析和所建立控制模型的正確性。

研究不同PWM調(diào)制方式的五相繞組容錯(cuò)控制方法，通過五相六橋臂SVPWM容錯(cuò)控制和電流滯環(huán)容錯(cuò)控制的仿真與實(shí)驗(yàn)分析，表明電流滯環(huán)容錯(cuò)控制與五相六橋臂SVPWM容錯(cuò)控制相比，雖然總諧波含量較大，但其低次諧波含量更小。

電流滯環(huán)容錯(cuò)控制方式相比SVPWM容錯(cuò)控制方式更靈活，在針對(duì)不同開路故障條件下，需要選擇適合的容錯(cuò)方法。通過對(duì)五相六橋臂SVPWM容錯(cuò)時(shí)的各相電流推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)該方法是一種保證磁動(dòng)勢(shì)不變的特殊控制方式。

最后搭建了基于FPGA的十五相PMSM驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，解決了多路PWM輸出同步與PWM輸出管腳數(shù)量受限的問題。