Optimal control with radial force compensation for multiphase permanent magnet synchronous machines under multiple open-circuit faults

Abstract

Systemzuverlässigkeit und Ausfallsicherheit sind zentrale Themen für elektrische Antriebe in sicherheitskritischen Anwendungen der Industrie- und Automobilbranche. Stromkreisunterbrechungsfehler, engl. open-circuit (OC) faults, sind häufige Fehler in elektrischen Maschinen, die deren elektrische Freiheitsgrade reduzieren. Dies führt zu einem Leistungsabfall und zu unerwünschten Radialkräften, die wiederum Vibrationen und Lärm verursachen, bis hin zu einem Totalausfall des Antriebes. Mehrphasige Maschinen bieten zusätzliche Freiheitsgrade für den Betrieb, womit die Fehlerauswirkungen abgeschwächt werden können. In dieser Arbeit wird eine optimale, fehlertolerante und echtzeitfähige Regelungsstrategie für mehrphasige Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM) unter Berücksichtigung mehrfacher Stromkreisunterbrechungsfehler präsentiert. Rastmomente, magnetische Sättigung und höhere harmonische Schwingungen sind die wichtigsten nichtlinearen Effekte der untersuchten PMSM. Die 12 individuell ansteuerbaren Einzelzahn-Statorwicklungen bieten die Flexibilität, verschiedene elektrische Spulenverschaltungen bei gleichem magnetischen Verhalten zu untersuchen und zu vergleichen. Für diese PMSM wird ein modellbasierter Ansatz für die Regelungsstrategie verwendet. Die dafür erforderliche Modellstruktur besteht aus einem nichtlinearen, magnetischen Reluktanznetzwerk, engl. magnetic equivalent circuit (MEC), welches systematisch alle relevanten magnetischen Eigenschaften abbildet. Die benötigte flexible Struktur zur Berücksichtigung verschiedener elektrischer Spulenverschaltungen und mehrfachen Stromunterbrechungsfehlern ist durch ein elektrisches Modell gegeben, das mit dem Reluktanznetzwerk kombiniert wird. Auf der Grundlage dieses flexiblen Modells werden Optimalströme mit Hilfe eines Optimierungsproblems berechnet, das die beiden klassischen Regelungsziele Drehmomentabweichung und Verlustleistung minimiert. Darüber hinaus werden dank der zusätzlichen Freiheitsgrade auch die auftretenden Radialkräfte im Falle von Stromkreisunterbrechungsfehlern minimiert. Diese optimierten Ströme werden approximiert und effizient in Lookup Tabellen gespeichert, um die Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten. Die Herausforderungen für die Fehlerdiagnose und die fehlertolerante Regelung, engl. fault-tolerant control (FTC), ergeben sich aus den höheren harmonischen Komponenten, die in den Referenzstrommustern enthalten sind. Ein schnelles und zuverlässiges Fehlerdiagnoseverfahren wird entwickelt, das auf den Eigenschaften der Phasenstrommessungen im Zeitbereich beruht. Dabei sind keine zusätzlichen Sensoren oder Vorkenntnisse über die Verschaltungen der elektrischen Spulen oder Phasensysteme erforderlich. Bei einer Fehlerdiagnose wird die fehlertolerante Regelungsstrategie angepasst, um die Auswirkungen des Fehlers zu reduzieren. Die fehlertolerante Regelungsstrategie besteht aus einem nichtlinearen Vorsteuerungsterm, einem PI-Feedbackregler und einem iterativ lernenden Regelungskonzept, engl. iterativ learning control (ILC) strategy, um eine hohe Regelgüte auch bei unbekannten, nichtlinearen Verhalten des Wechselrichters, engl. voltage source inverter (VSI), zu gewährleisten. Anhand von Experimenten auf dem Prüfstand wird die Leistungsfähigkeit des Fehlerdiagnoseverfahrens und der fehlertoleranten Regelungsstrategie demonstriert. Insbesondere werden einfache, doppelte und dreifache Stromunterbrechungsfehler für ein viermal dreiphasiges System (4x3-Konfiguration) und ein zwölfphasiges System (1x12-Konfiguration) untersucht. Mit dem Fehlerdiagnoseverfahren werden alle untersuchten Stromunterbrechungsfehler erfolgreich innerhalb von 41% einer Stromgrundwellenperiode erkannt und die Robustheit ist auch unter Lastwechseln gegeben. Durch die fehlertolerante Regelungsstrategie können die Stromfehler im eingeschwungenen Zustand auf das Zweifache der Stromsensorrauschamplitude reduziert werden. Mit dieser hohen Regelgüte können die in den Referenzströmen inkludierten Regelungsziele genau umgesetzt werden. In den untersuchten Szenarien für einfache, doppelte und dreifache Stromunterbrechungsfehler können bei gleichbleibender Drehmomentgenauigkeit die Radialkräfte um über 90% reduziert werden. Ein umfassender Vergleich zwischen der 4x3-Konfiguration und der 1x12-Konfiguration unterstreicht die Vorteile der höheren Freiheitsgrade im Falle der 1x12-Konfiguration, resultierend in höherer Radialkraftkompensation bei geringeren Verlustleistungen.

System reliability and fault tolerance are vital issues for electric drives in safety-critical applications of the industrial and automotive sectors. Open-circuit (OC) faults in electric machines are common faults that decrease the machines' electrical degrees of freedom (DOFs), leading to a deterioration in performance and undesired radial forces that cause vibrations and noise, up to a total failure of the drive. Multiphase machines provide additional DOFs for the control of the machine, which allows to mitigate the impact of OC faults. This work presents a real-time optimal fault-tolerant control (FTC) strategy for multiphase permanent magnet synchronous machines (PMSMs) considering multiple OC faults. Cogging torque, magnetic saturation, and non-fundamental wave behavior are the main nonlinear effects of the investigated PMSM. The 12 individually controllable single tooth stator windings offer the flexibility to study and compare different electrical coil interconnections while maintaining equal magnetic behavior. For this PMSM, a model-based approach is used for the FTC strategy. The required model structure consists of a nonlinear magnetic equivalent circuit (MEC), which systematically considers all relevant magnetic properties. The flexible structure required to consider different electrical coil connections and multiple OC fault cases is provided by an electrical model that is combined with the MEC. Based on this flexible model, the optimal currents are calculated by an optimization problem that minimizes the classical two control goals of torque tracking error and power loss. Furthermore, and thanks to the additional DOFs, the radial forces in the event of OC fault are also minimized. These optimized currents are then approximated and stored efficiently in lookup tables to ensure real-time capability. The challenges for fault diagnosis and fault-tolerant control arise from the higher harmonic components included within the reference current patterns. A fast and reliable fault diagnosis method is developed based on the time-domain properties of the phase current measurements. Thereby, no additional sensors or prior knowledge about the electrical coil interconnections or phase systems are required. A successful fault diagnosis adapts the FTC strategy to mitigate the fault impact. The FTC strategy consists of a nonlinear feedforward term, a PI-based feedback controller, and an iterative learning control (ILC) concept to ensure a high control performance even for unknown nonlinear voltage source inverter (VSI) behavior. With experiments on a test stand, the performances of the fault diagnosis method and the FTC strategy are demonstrated. In particular, single, double, and triple OC faults are investigated for the quadruple three-phase system (4x3 configuration) and a twelve-phase system (1x12 configuration). With the fault diagnosis method, all investigated OC faults are successfully diagnosed within 41% of a fundamental current period, and the robustness is also given under load changes. Thanks to the FTC strategy, the current tracking errors in the steady state are two times the current sensor noise amplitude. With this high control accuracy, the control goals included in the reference currents can be precisely implemented. In the scenarios investigated for single, double, and triple OC fault cases, the radial forces can be reduced by over 90% while maintaining the same torque accuracy. A comprehensive comparison between the 4x3 configuration and the 1x12 configuration pronounces the advantages of the higher available DOFs in the case of the 1x12 configuration, resulting in higher radial force compensation with lower power losses.