開路故障下模塊化永磁同步電機(jī)的容錯控制

武歡

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市軌道交通學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous motor，PMSM）是能量轉(zhuǎn)換的重要組件之一，因其高效率、高轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域[1]。在實際應(yīng)用過程中，通常要求PMSM具備良好的容錯能力[2]。如電動汽車領(lǐng)域，要求PMSM驅(qū)動系統(tǒng)具有較高的可靠性，以確保容錯控制策略能夠在故障發(fā)生時保持電動汽車長時間的穩(wěn)定運行[3]。因此，提升PMSM的容錯能力是保持系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。

多相結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)是目前最常用的兩種具有容錯能力的電機(jī)結(jié)構(gòu)[4]。其中，多相電機(jī)的控制系統(tǒng)和容錯策略較為復(fù)雜，且單相故障下由于正常相繞組磁動勢（magneto motive force，MMF）的變化，容易導(dǎo)致明顯的轉(zhuǎn)矩波動[5]。相比之下，模塊化電機(jī)具有多個三相模塊，每個模塊均由獨立的三相逆變器控制[6]，當(dāng)任一模塊因故障斷開時，不會影響其余模塊的正常運行，因此模塊化拓?fù)涫歉呖煽啃匀蒎e電機(jī)研究的重點內(nèi)容[7]。

文獻(xiàn)[8]提出了一種由8個三相模塊單元組成的模塊化電機(jī)模型，當(dāng)電機(jī)故障時，由于不同模塊之間的磁耦合較小，使得故障模塊能夠從系統(tǒng)中斷開實現(xiàn)容錯操作，但該方式會大大降低系統(tǒng)的輸出能力。文獻(xiàn)[9]針對雙三相電機(jī)的單相開路故障，提出了一種最優(yōu)損耗與最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制策略。文獻(xiàn)[10]針對不同模塊的單相開路故障，提出了一種中性點互連的容錯方法，提升電機(jī)容錯能力，但該容錯方法較為復(fù)雜，會降低普通模塊的電磁性能，導(dǎo)致電機(jī)整體系統(tǒng)性能下降。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于分流電容器拓?fù)涞娜郟MSM容錯策略，但該方式由于中性點通過分流電容器鏈接到DC總線的中點，將導(dǎo)致總線電壓的大電壓波動，不適用于模塊化電機(jī)。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于冗余支路拓?fù)涞娜郟MSM容錯策略，但由于中性點增加了冗余支路，使得該支路容易導(dǎo)入至模塊化電機(jī)中，影響最大輸出轉(zhuǎn)矩。

綜上，現(xiàn)有研究方法主要集中在單相開路故障的容錯策略，尚無法處理模塊化電機(jī)的兩相或多相開路故障。因此，針對多相開路故障的容錯策略，提出一種新型擴(kuò)展開路容錯控制（extended open circuit fault tolerant control，EOCFTC）策略。首先，選擇具有冗余支路的拓?fù)渥鳛槊總€三相模塊的容錯拓?fù)?，分別針對正常和單相開路容錯，采用磁場定向控制（field oriented control，F(xiàn)OC）和MMF補償策略實現(xiàn)容錯控制；然后，根據(jù)模塊化電機(jī)的特性研究繞組重構(gòu)策略，通過采用EOCFTC策略實現(xiàn)模塊化電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩能力；最后，采用最小模塊化電機(jī)進(jìn)行實驗，驗證所提容錯控制系統(tǒng)的正確性和有效性。

1 模塊化電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

本文構(gòu)建的模塊化電機(jī)的定子沿圓周將電機(jī)分為n個模塊，每個定子模塊均是一組獨立控制的三相繞組。通常，模塊化電機(jī)各模塊的定子繞組均為三相Y型對稱繞組，且各模塊具有相同的電氣位置及電氣角度。因此每個模塊的三相電流方程具有相同的形式，如下式所示：

式中：Im1，2，…，n為各模塊相電流幅度；ωe為電角頻率。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生開路故障時，通過對故障模塊的容錯控制可以實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的輸出，進(jìn)而提高電機(jī)控制系統(tǒng)故障輸出能力。對于模塊化電機(jī)，主要有兩種容錯控制策略，分別為單電機(jī)容錯和多電機(jī)容錯。其中，多電機(jī)容錯控制是指當(dāng)電機(jī)發(fā)生開路故障時，通過非故障相構(gòu)建容錯控制拓?fù)?，然而該方法可能存在一定的不可靠性，因此為了保障模塊化電機(jī)的安全可靠運行，通常使用單電機(jī)容錯。

圖1為三相模塊的幾種容錯拓?fù)洌渲邪▋上嗨拈_關(guān)拓?fù)?、附加橋臂拓?fù)?、三相四開關(guān)拓?fù)浼叭嗨臉虮弁負(fù)浣Y(jié)構(gòu)等。

圖1 單電機(jī)容錯逆變器拓?fù)銯ig.1 Single-motor fault tolerant inverter topology

對于逆變器開路故障，通常使用附加橋臂和三相四開關(guān)拓?fù)?，而多模塊結(jié)構(gòu)不適合應(yīng)用于兩相四開關(guān)拓?fù)?，這是因為該容錯拓?fù)淙菀壮霈F(xiàn)母線電壓波動。對于逆變器功率件或者電機(jī)繞組開路故障，通常使用三相四橋臂拓?fù)洌撏負(fù)洳粫?dǎo)致故障時母線電壓的波動。模塊化電機(jī)的各個模塊電機(jī)共用同一母線，不同模塊之間電機(jī)相互隔離，且可以獨立控制，因此選取三相四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為合適。

當(dāng)多模塊電機(jī)發(fā)生故障時，為了減少對其的影響，盡量不對其定子電樞磁勢的空間分布進(jìn)行改變，因此對于多模塊電機(jī)的各個子模塊，均使用三相四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2為模塊化電機(jī)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過合理的轉(zhuǎn)矩分配控制，模塊化電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制可簡化為每個模塊的電流控制。

圖2 模塊化電機(jī)控制系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2 Modular motor control system topology diagram

2 單相開路容錯控制策略

2.1 故障模塊切除控制策略

電機(jī)單模塊發(fā)生開路故障后，首要保證電機(jī)運行性能的穩(wěn)定，同時因為多模塊電機(jī)的不同模塊之間是相互獨立、相互隔離的，因此若A1相出現(xiàn)開路故障，則首先需對其故障模塊進(jìn)行隔離切除，故障模塊切除后，可以得到模塊化電機(jī)在三相坐標(biāo)系下的電壓方程如下式所示：

其中

式中：Udqn為n模塊的交直軸電壓；An為n模塊的電感矩陣；Idqn為交直軸電流；Bn為n模塊的互感矩陣；Ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈。

d-q坐標(biāo)系下，電機(jī)電壓方程如下式所示：

式中：Ri為電機(jī)相電阻；p 為微分算子；Idi，Iqi分別為交、直軸電流；Udi，Uqi分別為交、直軸電壓；Ldi，Lqi分別為交、直軸電感。

則轉(zhuǎn)矩方程如下式所示：

電機(jī)的總輸出轉(zhuǎn)矩如下式所示：

綜上，對故障相進(jìn)行切除隔離后，模塊化電機(jī)的總輸出為其額定運行時的3/4，如果有n個子模塊同時發(fā)生故障，對這n個子模塊進(jìn)行切除，模塊化電機(jī)的總輸出為其額定運行時的（4-n）/4。

2.2 單相開路故障MMF補償容錯控制策略

單相開路故障是指發(fā)生在電機(jī)的某一單相或發(fā)生在逆變器某一橋臂中的故障，可通過采用相同的容錯策略進(jìn)行處理。因此根據(jù)模塊化電機(jī)的特性，將每個模塊均視為一個普通的三相電機(jī)，采用MMF補償策略處理模塊中的單相開路故障。當(dāng)故障發(fā)生時，模塊在氣隙中產(chǎn)生的合成基本磁通的振幅減小，并隨之發(fā)生波動，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩降低及大轉(zhuǎn)矩波動。

以模塊1的A1相斷路為例，為了降低A1相的不良影響，根據(jù)MMF策略調(diào)整B1相和C1相電流，以補償開路故障引起的MMF下降。正常情況下，單個模塊中三相對稱繞組的基本MMF表達(dá)式為

式中：N為串聯(lián)相的匝數(shù)；θS為當(dāng)前位置與A1相繞組之間的電角度。

當(dāng)A1相打開時，其他兩相生成的MMF之和如下式所示：

經(jīng)計算可得：

式中：iB1，iC1分別為故障發(fā)生后B1相、C1相的電流。假設(shè)電流的增加不會引起鐵心飽和，則可以得到iB1和iC1表達(dá)式如下：

此時零序電流如下式所示：

2.3 MMF補償時電壓和電流極限方法

在電機(jī)開路故障時，故障相無電流，同時因為i0的存在，MMF補償容錯控制策略下的電流矢量在空間中不再表現(xiàn)為一個圓形。根據(jù)坐標(biāo)變換，定子電流在d-q軸系和在α-β平面具有如下對應(yīng)關(guān)系：

式中：iα，iβ分別為α，β軸對應(yīng)的電流。

通過式（11）可以得到零序電流矢量在α-β平面內(nèi)MMF補償容錯控制策略時的軌跡，如圖3所示。

圖3 正常和容錯條件下的電流向量Fig.3 Current vector under normal and fault tolerant conditions

從式（8）和圖3可知，在電機(jī)開路故障時，非故障相繞組之間的相位角保持在60°，α-β平面內(nèi)電流矢量的投影表現(xiàn)為圓形，則電機(jī)故障時的輸出能力有一定保證。通過這種控制方法可以減小電機(jī)故障時的轉(zhuǎn)矩波動，同時故障電機(jī)有一定的輸出能力。

3 多相開路故障容錯控制策略

模塊化電機(jī)中的多相開路故障較為復(fù)雜，既包括具有單相開路故障的模塊，又包括具有兩相開路故障的模塊。通常，MMF補償策略無法在一個模塊中處理兩相開路故障，因此MMF策略不足以作為模塊化電機(jī)的最終開路容錯策略?？紤]到模塊化電機(jī)中各模塊的電氣位置相同，具有相同的電角度，本文提出了EOCFTC策略，即在電機(jī)故障時對故障模塊中的繞組進(jìn)行重構(gòu)進(jìn)而使得故障模塊的非故障相得以充分利用，最終保證模塊化電機(jī)在故障時的輸出能力的最大化。

3.1 模塊化電機(jī)的兩相開路故障

模塊化電機(jī)的兩相開路故障包括2種情況。

情況1：開路故障相均屬于同一模塊，如圖4所示。其模塊化電機(jī)的總輸出轉(zhuǎn)矩能力降低（n-0.846）/n，但高于傳統(tǒng)控制策略的（n-1）/n。

圖4 兩相開路故障情況1下的故障模塊結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of the fault module under the two-phase open circuit fault condition 1

情況2：開路故障相屬于兩個不同的模塊，如圖5所示。采用MMF補償策略處理模塊1和模塊2的故障，此時模塊化電機(jī)的總輸出轉(zhuǎn)矩能力下降了（n-1.423）/n，但高于傳統(tǒng)控制策略的（n-2）/n。

圖5 兩相開路故障情況2下的故障模塊結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of the fault module under the two-phase open circuit fault condition 2

3.2 模塊化電機(jī)的三相開路故障

模塊化電機(jī)的三相開路故障相較于兩相開路故障更為復(fù)雜，共包括2種情況。

情況1：三個開路故障相均屬于同一模塊。此時，該模塊屬于自然切斷，不具有研究意義，因此本文不做論述。

情況2：三個開路故障相屬于兩個不同的模塊，且彼此電角度不同，如圖6中所示模塊1的A1相與模塊2的B2，C2相。通過采用FOC策略，使得新模塊能夠正常運行。因此，模塊化電機(jī)的總輸出轉(zhuǎn)矩能力下降了（n-1）/n，高于傳統(tǒng)策略的（n-2）/n和MMF策略的（n-1.423）/n。

圖6 三相斷路故障情況2下的模塊結(jié)構(gòu)Fig.6 Module structure under three-phase open circuit fault condition 2

3.3 模塊間的繞組重構(gòu)容錯控制策略

為了充分利用多相故障時故障模塊剩余正常相繞組，考慮到模塊化永磁同步電機(jī)各子模塊電機(jī)對應(yīng)相同相位、電氣位置相同的特點，當(dāng)多相發(fā)生故障時，剩余正常繞組可以通過繞組重構(gòu)形成新的子模塊電機(jī)正常運行。這樣，模塊化電機(jī)的非故障相得以充分利用，模塊化電機(jī)多相故障時能夠輸出更大轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)模塊化電機(jī)多相故障時的極限容錯運行。

以A1，B1，C3相故障為例進(jìn)行說明，如果模塊化電機(jī)的A1相、B1相、C3相發(fā)生開路故障，則A3相、B3相、C1相為非故障繞組，圖7為其機(jī)械位置示意圖。根據(jù)圖7可知，A3相與B3相的電氣角度為120°，機(jī)械角度為30°，A3相與C1相的電氣角度為150°，機(jī)械角度為120°，若將模塊1和模塊3進(jìn)行中性點相連，則可以通過A3相、B3相、C1相構(gòu)建一個三相繞組。該三相繞組和正常子模塊功能完全相同，且其電流向量在α-β平面內(nèi)是圓形，不會產(chǎn)生磁勢補償容錯中所出現(xiàn)的輸出轉(zhuǎn)矩波動的問題。

圖7 各相繞組機(jī)械位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the mechanical position of each phase winding

4 實驗驗證與分析

4.1 實驗環(huán)境搭建

本文選取具有兩個模塊的模塊化電機(jī)實驗平臺對提出的容錯控制策略進(jìn)行驗證。其中，控制系統(tǒng)微處理器為TMS320F28335。該模塊化電機(jī)的相應(yīng)參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)矩3 N·m，極對數(shù)4，相繞組電阻0.5 Ω，d軸電感23.8 mH，q軸電感42.8 mH，轉(zhuǎn)子磁鏈0.072 Wb。在模塊化電機(jī)控制系統(tǒng)中，兩個模塊通過速度控制器輸出總轉(zhuǎn)矩，兩個電流控制器分別處理各模塊的d，q軸電流。

圖8為兩模塊電機(jī)的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其采用三相四橋臂拓?fù)洌瑑赡K電機(jī)總共有8個絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。本文選取的IGBT型號為FF300R17ME4，其驅(qū)動板橋臂使用共母線銅排的方式連接正、負(fù)極。同時，將吸收電容加至正、負(fù)極之間，可以降低IGBT通斷對母線電容的影響。同時，該IGBT為了減小體積及方便安裝，通過尼龍材料定制連接端子，且直流母線通過設(shè)計正、負(fù)極母排來實現(xiàn)。

圖8 兩模塊電機(jī)逆變器拓?fù)銯ig.8 Two-module motor inverter topology

4.2 基于TOCFTC策略的單相開路故障分析

若模塊1發(fā)生開路故障（如C1相），則傳統(tǒng)的開路容錯控制（TOCFTC）策略會切斷模塊1，以避免產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩波動。設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min，開始加、減載實驗，電機(jī)從空載開始逐漸加載至1.5 N·m，電機(jī)運行穩(wěn)定后，去除電機(jī)負(fù)載，圖9為加、減載實驗下的電機(jī)d，q軸電流曲線及1.5 N·m負(fù)載下電機(jī)的相電流曲線。根據(jù)圖9可知，在加載之前，模塊2的d軸電壓ud2=1.78 V，q軸電壓uq2=27.35 V。在對電機(jī)加載之后，電機(jī)產(chǎn)生了-3 r/min的轉(zhuǎn)速波動，待電機(jī)運行穩(wěn)定后，電機(jī)的q軸電流和電壓分別為iq2=3.74 A，uq2=40.22 V；電機(jī)的d軸電流和電壓為id2=-0.07 A，ud2=-15.50 V，模塊2的相電流幅值為3.98 A。電機(jī)運行穩(wěn)定且保持一段時間之后，去除電機(jī)負(fù)載，此時，電機(jī)產(chǎn)生了21 r/min的轉(zhuǎn)速波動，而加載時的電機(jī)波動為-3 r/min，在電機(jī)空載和負(fù)載穩(wěn)定運行時，電機(jī)轉(zhuǎn)速無波動，且電機(jī)的運行性能較為穩(wěn)定。

圖9 基于TOCFTC策略的單相開路故障實驗曲線Fig.9 Single-phase open circuit fault curves based on TOCFTC strategy

在電機(jī)額定運行時，其轉(zhuǎn)矩分配比例為1∶1，在對電機(jī)進(jìn)行加載后，模塊2的d，q軸電壓均降低為額定運行時的0.98倍，電壓矢量幅值為額定運行時的0.97倍，相電流幅值為額定運行時的1.1倍，q軸電流為額定運行時的1.04倍，d軸電流比額定運行時減少了0.01 A。在電機(jī)加載時，其轉(zhuǎn)速波動降低了76%，在電機(jī)去載時，其轉(zhuǎn)速波動增加了13%。

綜上，切除故障模塊時，電機(jī)保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩減半的情況下，剩余健康模塊2與正常情況下相比，電流幅值略微有所增加，交、直軸電壓近似相等。加、減載時的轉(zhuǎn)速波動大大減少，去載時的轉(zhuǎn)速波動有所增大，電機(jī)動態(tài)運行性能良好。

4.3 基于EOCFTC策略的單相開路故障分析

故障情況與4.2節(jié)相同，模塊1的容錯操作采用MMF補償策略。根據(jù)前述分析可知，模塊1和模塊2的轉(zhuǎn)矩分配比為1∶。在保持其余正常相的相電流幅度不變的情況下，需將負(fù)載轉(zhuǎn)矩調(diào)整為2.366 N·m。設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min進(jìn)行加、減載實驗，電機(jī)從空載開始逐漸加載直至2.366 N·m，電機(jī)運行穩(wěn)定后，去除電機(jī)負(fù)載，圖10為加、減載實驗下的電機(jī)d，q軸電流曲線及負(fù)載運行時電機(jī)的相電流曲線。在對電機(jī)加載之后，電機(jī)產(chǎn)生了-3 r/min的轉(zhuǎn)速波動，待電機(jī)運行穩(wěn)定后，電機(jī)模塊1的q軸電流和電壓分別為iq1=2.08 A，uq1=28.43 V，模塊1的d軸電流和電壓分別為id1=-0.09 A，ud1=-7.71 V，電機(jī)模塊2的q軸電流和電壓分別為iq2=3.68 A，uq1=28.43 V，模塊2的d軸電流和電壓分別為id2=-0.06 A，ud2=-15.84 V。此時，電機(jī)負(fù)載情況下，模塊1和模塊2的相電流幅值分別為4.09 A和2.84 A。電機(jī)運行穩(wěn)定且保持一段時間之后，去除電機(jī)負(fù)載，此時電機(jī)產(chǎn)生了19 r/min的電機(jī)波動。

圖10 基于EOCFTC策略的單相開路故障實驗曲線Fig.10 Single-phase open circuit fault curves based on EOCFTC strategy

當(dāng)通過MMF容錯控制策略對模塊1進(jìn)行容錯控制時，相較于非故障模塊2，模塊1的相電流幅值是模塊2的1.07倍，模塊1的q軸電流是模塊2的0.565倍，這與理論值0.577非常接近。當(dāng)電機(jī)空載時，模塊1的d軸電壓為模塊2的0.84倍，q軸電壓為0.7倍，模塊1的電壓向量幅值是模塊2的0.7倍。在電機(jī)負(fù)載運行時，模塊1的q軸電壓和d軸電壓分別為模塊2的0.71倍和0.49倍，模塊1的電壓向量是模塊2的0.68倍。

綜上，模塊1的C1相開路故障采用磁勢補償容錯控制策略時，故障模塊和正常模塊的相電流幅值有所增加，加載時的轉(zhuǎn)速波動減少，去載時的轉(zhuǎn)速波動有所增加。

4.4 基于EOCFTC策略的兩相開路故障分析

根據(jù)第3.1節(jié)內(nèi)容，模塊化電機(jī)的兩相開路故障包括兩種情況。在實驗中模擬模塊化電機(jī)C1相和A2相發(fā)生開路故障，使用MMF補償容錯控制策略，兩個模塊的轉(zhuǎn)矩分配比例為1∶1，則根據(jù)上文的分析結(jié)果，當(dāng)電機(jī)以額定電流運行時，其輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的0.577倍，即1.732 N·m。

設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min，開始加、減載實驗，對電機(jī)從空載開始逐漸加載至1.732 N·m，電機(jī)運行穩(wěn)定后，去除電機(jī)負(fù)載，圖11為加、減載實驗結(jié)果。根據(jù)圖11可知，在對電機(jī)加載之后，電機(jī)產(chǎn)生了-2 r/min的轉(zhuǎn)速波動，待電機(jī)運行穩(wěn)定后，電機(jī)模塊1的q軸電流和電壓分別為iq1=2.13 A，uq1=27.90 V，模塊2的q軸電流和電壓分別為iq2=-0.07 A，uq2=-8.16 V；電機(jī)模塊1的d軸電流和電壓為id1=-0.07 A，ud1=-8.16 V，電機(jī)模塊2的d軸電流和電壓為id2=-0.06 A，ud2=-8.19 V，模塊1和模塊2的相電流幅值分別為4.18 A，4.11 A。運行穩(wěn)定且保持一段時間之后，去除電機(jī)負(fù)載，此時，電機(jī)產(chǎn)生了13 r/min的電機(jī)波動。

圖11 基于EOCFTC策略的兩相開路故障實驗曲線Fig.11 Two-phase open circuit fault curves based on EOCFTC strategy

將模塊1和模塊2進(jìn)行比較，在加載之前，即電機(jī)空載時，模塊1的電壓矢量幅值是模塊的0.96倍。電機(jī)負(fù)載運行時，模塊1的d軸電流、電壓矢量幅值、相電流幅值分別為模塊2的0.98，0.98，1.02倍。根據(jù)實驗結(jié)果可知，d，q軸電壓變化和電流信號變化均相同時，模塊1和模塊2的轉(zhuǎn)矩分配比例相同。相較于額定運行時模塊1和模塊2的1∶1的輸出轉(zhuǎn)矩分配比，在采用磁勢補償容錯控制策略下，兩模塊負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1/3，相電流幅值為額定運行時的1.13倍，電壓矢量幅值為額定運行時的0.65倍，在電機(jī)加載時電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動減少了82%，在電機(jī)去載時電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動減少了28%，由此可知，在電機(jī)加、減載時，d，q軸電壓和電流具有較大波動，這會對電機(jī)的動態(tài)性能產(chǎn)生一定的影響。

因此，當(dāng)A2相、C1相兩相故障時，若兩模塊均采用磁勢補償容錯控制策略，則電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.53倍，同時加、減載時電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動降低。

4.5 基于EOCFTC策略的三相開路故障分析

模擬A1相、B2相、C2相開路故障時，采用MMF容錯能夠提高模塊化電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。通過對A2相、B1相、C1相繞組進(jìn)行重新構(gòu)建成為新的電機(jī)子模塊，此時，電機(jī)能輸出額定轉(zhuǎn)矩的0.5倍，即1.5 N·m。

設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min，開始加、減載實驗，對電機(jī)從空載開始逐漸加載直至1.5 N·m，電機(jī)運行穩(wěn)定后，去除電機(jī)負(fù)載，圖12為加、減載實驗結(jié)果。根據(jù)圖12可知，在對電機(jī)加載之后，電機(jī)產(chǎn)生了-1 r/min的轉(zhuǎn)速波動，待電機(jī)運行穩(wěn)定后，電機(jī)新模塊的q軸電流和電壓分別為iq=3.71 A，uq=39.37 V；電機(jī)新模塊的d軸電流和電壓為id=-0.08 A，ud=-13.76 V，新模塊的相電流幅值為3.18 A。運行穩(wěn)定且保持一段時間之后，去除電機(jī)負(fù)載，此時，電機(jī)產(chǎn)生了22 r/min的電機(jī)波動。

圖12 基于EOCFTC策略的三相開路故障實驗曲線Fig.12 Three-phase open circuit fault curves based on EOCFTC strategy

相較于模塊1故障切除實驗，在電機(jī)以500 r/min轉(zhuǎn)速空載運行時，新模塊的電壓向量是模塊1故障切除實驗中模塊2的0.99倍。在電機(jī)以1.5 N·m負(fù)載穩(wěn)定運行時，新模塊的電壓向量幅值是模塊1故障切除實驗中模塊2的0.97倍，q軸電流是模塊2的0.99倍。電機(jī)加載時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速波動減少了24%，電機(jī)去載時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速波動減少了37%，因此具有相對較優(yōu)的動態(tài)性能。

5 結(jié)論

針對模塊化永磁同步電動機(jī)的容錯控制，提出了一種新型的開路故障下模塊化電機(jī)的容錯控制（EOCFTC）策略，并通過實驗分析得出以下結(jié)論：

1）單相開路故障采用磁勢補償容錯控制策略時，故障模塊和正常模塊的相電流幅值有所增加，加載時的轉(zhuǎn)速波動減少，去載時的轉(zhuǎn)速波動有所增加。

2）兩相開路故障時，若兩故障模塊均采用磁勢補償容錯控制策略，則電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.53倍，同時，加、減載時電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動降低。

3）三相開路故障采用磁勢補償容錯控制策略時，電機(jī)加載時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速波動減少了24%，電機(jī)去載時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速波動減少了37%，具有相對較優(yōu)的動態(tài)性能。