学术简报｜基于虚拟绕组和全阶观测器的五相感应电机无速度传感器容错控制策略

摘要

电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学）、北京交通大学电气学院的研究人员彭忠、郑泽东等，在2018年第21期《电工技术学报》上撰文指出，多相电机驱动系统可靠性高、容错能力强、控制自由度更多。

该文提出了虚拟绕组容错控制的思路，电机断相故障工况与正常工况下采用统一的控制算法框架。算法将断相故障转换为空间尺度下控制指令的约束，同时在时间尺度下加入各次谐波平面上的谐波抑制算法，实现时空协同容错控制；另一方面，引入全阶观测器估计电机磁链和速度，实现多相感应电机驱动系统无速度传感器容错控制。

最后，在五相感应电机实验平台上验证了所提算法的有效性，实现了电机断相工况下转子磁链和转子转速的准确估计，输出转矩波形中的脉动分量得到有效消除，断相切换过程平滑过渡。

在船舶电力推进、电动汽车等领域中，多相电机驱动系统由于具有控制自由度多、可靠性高、容错能力强等特点得到了广泛应用。各国学者对多相电机的模型建模、电机本体分析、调制算法和控制策略等方面进行了大量卓有成效的研究，而如何利用多相电机的多维自由度实现更高性能的容错控制一直是该领域研究中的热点问题。此外，无速度传感器矢量控制系统由于省去了速度传感器，从而降低了系统成本，减少了系统维护工作，进一步提高了系统可靠性。

多相电机驱动系统的故障主要有变频器供电外部线路断相故障、变频器开关管失效故障、电机绕组断相故障、电机绕组短路故障等类型。大多数故障都可以通过合适的保护策略转换为断相故障进行处理，因此目前多相电机容错控制算法方面研究最多的是电机缺相后的容错控制问题。

容错控制算法的思路大致可分为以下几类： 

1）缺相解耦容错控制算法，该方法最早由Y. Zhao 等提出，其基本思想是根据电机的缺相故障位置，通过解耦变换和非对称旋转变换重构故障下电机的解耦数学模型，实现多相电机的解耦容错控制。文献[14]进一步利用这种方法综合分析了五相永磁电机断一相下的解耦电机模型，实现了较好的容错控制效果。但是，故障下解耦变换矩阵的选取与故障相位置、电机相数等相关，电机非对称解耦模型的建立过程复杂，容错算法切换过程中可能造成电流冲击。

2）电流优化容错控制算法，思路是电机断相后通过适当地控制剩余正常各相的电流，使得故障后电机中仍然能够产生规则的圆形气隙合成磁动势，从而获得平稳的电机输出转矩。同时，在确保圆形磁动势的前提下，可以对各相电流进行进一步优化，优化的目标可以是电机的铜损最小或是电机输出的电磁转矩最大。

最优电流控制电流环一般采用滞环控制、比例谐振控制、模型预测控制等方式。但相比传统的PI控制，这些控制器在工程中的实用性较差，如滞环控制的开关频率不固定，不适合于大功率场合；模型预测控制的算法设计过程复杂，运算实现的代价高。

3）强鲁棒性容错控制算法，该算法不关心电机断相后的数学模型和电机参数是否发生变化，电机正常运行和断相运行时采用相同的控制策略。这种控制算法对被控对象数学模型和参数值依赖性低，控制器通常采用的有模糊控制器、滑模控制器等。算法通用性强，但复杂度较高，算法也未实现断相后精确的磁链观测和转矩控制。

在可靠性要求较高的领域和速度传感器不适合安装的场合，交流电机系统的无机械传感器控制成为必须。三相感应电机的无速度传感器矢量控制方法大致可分为两类：一是基于电机模型，如通过对反电动势作纯积分来估计磁链或运用模型参考自适应的方法得到估计磁链和速度；二是基于电机的各向异性，如检测转子齿谐波或采用高频谐波注入的方法。

在多相电机系统应用场合中，速度传感器工作环境可能更加恶劣，系统可靠性要求更高。因此，实现多相系统的无速度传感器运行具有重大的工程应用价值和研究意义。

本文在五相感应电机模型的基波平面设计了基于虚拟绕组思路的正常工况和断任意相工况统一框架下的容错算法，保证断相工况下磁链估计的准确性，电流环控制采用简单且工程实用性强的PI控制器，易于实现。在磁链估计准确的基础上，引入全阶观测器估计电机转速和磁链，从而实现五相感应电机驱动系统在无速度传感器下的容错控制。

实验结果表明该算法具有良好的容错控制性能，在断相工况下算法能实现估计速度准确跟踪电机实际速度的目标，电机发生断相故障前后切换过程电流无冲击。

图8  五相感应电机驱动平台

结论

本文提出了工程适用性较强的虚拟绕组容错控制算法，同时结合全阶观测器算法实现了五相感应电机的无速度传感器下的断相容错控制，得到以下结论：

1）本文提出的容错控制算法引入电流为零的虚拟绕组等效断相绕组，算法实现方式上利用广义对称分量法推导得到相应断相工况下的断相空间约束指令，构建了正常工况和容错工况下统一的控制算法框架。

2）与传统多相感应电机容错控制算法相比，本文容错控制算法在空间尺度下加入断相约束指令，采用较简单的PI电流控制器，实现了断相工况下的精确磁链观测和电流控制，容错切换过程电流无冲击；在时间尺度下加入谐波抑制算法，实现了断相工况下谐波平面分量与基波平面各序分量之间的独立控制，实现容错控制的同时兼顾谐波抑制算法设计。

3）基于虚拟绕组法，设计了正常工况和断相工况下的多相电机全阶磁链观测器，实现了多相感应电机全工况下的无速度传感器统一算法。实验结果表明， 在断相工况下算法能实现估计速度准确跟踪电机实际速度的目标，各相电流波形正弦度良好，低次谐波含量少，减小了电机损耗；电机发生断相故障前后能保持稳定的输出转矩和良好的动态调整性能。

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