航天用五相永磁电机起动发电系统电动状态容错控制研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

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1.五相永磁电机及背景

自从机器被人发明并使用以来，人们无时无刻不在想着提高机器的使用效率，以便用最少的资源来达到最大的使用效率，以电机行业为例，电动机广泛应用于拖动风机，水泵，压缩机，机床等机械传动装置，是主要的终端耗能大户，电机及系统广泛应用与我国能源，化工，冶金，石化以及电力拖动等多个行业和领域，是我国工业基础的基础。近年来，在国家政策的支持下，我国电机能效水平逐步提高，但总体能效仍然较低，据测算，工业领域电机能效每提高一个百分点，年可节约用电260亿千瓦时。推广高效电动机，淘汰低效电动机是提高能源利用效率的重要措施之一，是符合我国当前经济发展的需要，是非常必要的[12][13]。因此如何提高电机性能来充分利用现有资源已经成为电机领域里各学者的共同话题。永磁同步电机省却了电励磁，充分利用了磁材料来建立激磁磁场；同步电动机具有较高的功率因数，对于有功功率的利用有着显著的优势。过去受限于技术和理论的缺乏，电机往往采用三相驱动。但是随着现代电力电子技术，如整流电路和逆变电路的广泛使用，多相PWM驱动系统等的发展[3]，对于由电力电子变换器供电的电气传动系统来说，电机设计方法和电机控制策略的研究有了更多可以选择的道路。与传统三相驱动系统相比，在大容量驱动场合：随着系统容量的增加，在大容量场合每相绕组需承受较多的功率。提升三相电机工作电压等级不仅对绕组绝缘有着更高的要求，而且逆变器驱动技术也是其在高压大功率场合应用的一大限制因素，然而多电平技术为了追求功率器件承担的电压保持均衡，在控制上较为复杂，严重降低了驱动系统的可靠性，而采用多相电机作为推进电机时，可采用低压期器件实现大功率驱动，由于相数的增加，每相绕组承担的功率也会减少，因此多相电机适用于大功率驱动场合。在高功率密度场合：三相电机采用正弦分布绕组来获得较好的调速性能，然而导致铁芯的饱和范围小，铁芯利用率低，功率密度和转矩密度相对较低。五相电机可设计为梯形波绕组，从而产生梯形波反电动势可提高铁芯利用率，并可从控制上带来功率密度和输出转矩的提升，并证明了3次谐波气隙磁通可用来提高转矩输出能力[1]。此外多相驱动系统有许多突出的优点：在供电电压受限的场合，采用多相电机是解决低压大功率的有效方法，相数增加在缺相故障时的控制空窗期就短，增强了电机的鲁棒性，同时转矩脉动小，脉动频率增加，低速特性得到很大的改善，震动和噪音减小，所以多相电机驱动特别适合于舰船推动，军用战车，航空航天等应用场合[7][9][10]。

2.五相永磁电机的容错控制

1986年Takahashi等首次提出三相感应电机驱动系统中采用直接转矩控制策略，采用转矩和磁链滞环控制器，DTC基于定子磁链定向技术，无需旋转坐标变换，结构简单，对电机鲁棒性强，转矩动态响应快[8]。

1996年通用电气公司研发中心Yifan Zhao和美国威斯康星大学T.A.Lipo较早地对多相电机的数学模型进行了推导，并采用了转子磁场定向的控制策略[14]。采用绕组函数理论对正常模式下的五相电机定子磁动势进行分析，确定实现驱动系统开路故障运行的基本原则—维持定子磁动势与正常模式保持一致，在单相开路故障时，通过约束剩余有效相的反电动势在alpha;-beta;平面上保持圆形（或保持定子磁场为圆形磁场），并引申出适用于单开路模式的解耦变换矩阵（Clarke和Park矩阵）。同理应用于两相开路。依据上述变换矩阵，建立故障模式运行时的五相电机在旋转坐标系下的电压方程和转矩方程[1][4][5][6][9][10][15]。

2004年Leila Parsa和Hamid A.Toliyat教授对五相永磁同步电机的数学模型进行了详细的推导，同时利用有限元仿真，分析了反电动势波形及其谐波含量。

2005年HuangSheng Xu和Hamid A.Toliyat教授对非平衡状态下梯形波励磁的电机容错运行进行了研究，其思想是利用镜像对称原则来控制相电流，使高次谐波产生的纹波为零。在加入电流条件约束的前提下，分别就对a相开路，ab两相开路这两种故障状态进行了相电流基波，注入三次谐波这两种情况下的理论分析和仿真验证[15]。