多相電機因具有功率密度高、可靠性高和容錯能力強等優(yōu)點，在艦船驅(qū)動、多電飛機等現(xiàn)代交流傳動的特殊應用場合受到廣泛關注。在大功率驅(qū)動場合，傳統(tǒng)三相電機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)動控制結(jié)構(gòu)復雜，易降低電機系統(tǒng)可靠性，且容錯能力較差。

目前學者們一般通過增加電機相數(shù)來降低每相功率器件容量要求，各種多相電機驅(qū)動的拓撲結(jié)構(gòu)也應運而生。但多相電機大多數(shù)采用m套三相繞組電機結(jié)構(gòu)，一般有m個中性點，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行降額運行，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（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM），該電機繞組采用星形聯(lián)結(jié)且三個中性點相互獨立結(jié)構(gòu)，當一相繞組開路時，直接對包含該開路相繞組的五相繞組進行不降額容錯控制運行。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本有的容錯能力。

王東等對非正弦對稱的5×3相感應電機進行了一定研究，建立了感應電機數(shù)學模型，并對其定子漏抗、電動勢進行了推導計算。吳新振等分析了多相電機定子繞組的組合空間分布對磁動勢諧波含量的影響。多相電機控制一般利用坐標變換將定子電流變換到正交平面進行空間解耦。

為了保證電機繞組開路故障后獲得平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩輸出，多相電機容錯控制一般從瞬時轉(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，其容錯運行歸納為斷相解耦控制和最優(yōu)電流滯環(huán)容錯控制兩大類。

本文對3×5相PMSM定子繞組不同結(jié)構(gòu)進行分析，建立三dq軸矢量控制模型。在3×5相PMSM一相繞組開路時，分別進行五相六橋臂SVPWM容錯控制和最優(yōu)電流滯環(huán)容錯控制，并在相同負載條件下，對十五相PMSM相電流進行諧波分析。同時對基于FPGA的十五相PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)進行研究，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 實驗平臺

結(jié)論

本文分析了繞組采用星形聯(lián)結(jié)且三個中性點相互獨立結(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，仿真和實驗數(shù)據(jù)驗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控制方法，通過五相六橋臂SVPWM容錯控制和電流滯環(huán)容錯控制的仿真與實驗分析，表明電流滯環(huán)容錯控制與五相六橋臂SVPWM容錯控制相比，雖然總諧波含量較大，但其低次諧波含量更小。

電流滯環(huán)容錯控制方式相比SVPWM容錯控制方式更靈活，在針對不同開路故障條件下，需要選擇適合的容錯方法。通過對五相六橋臂SVPWM容錯時的各相電流推導，發(fā)現(xiàn)該方法是一種保證磁動勢不變的特殊控制方式。

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