五相容錯永磁無刷直流電機容錯控制策略

0種新型的容錯控制策略近年來，隨著科學技術的發展，永維無刷直流（bloc）電機的結構簡單、可靠性高、輸出旋轉大的優點越來越受到重視。但是電機及其控制系統的電力電子器件存在著一定的故障率,使得電機驅動系統的可靠性問題逐漸凸現出來,特別是在航空航天、軍事裝備、電動車輛等有較高要求的領域,可靠性顯得尤為重要。多相電機,由于相數的增加使其可以提供比三相電機更多的控制自由度,增加的自由度可用來實現在故障狀態下的無擾容錯運行。發生故障后,多相電機僅需要修改其控制策略,而無需修改任何硬件電路,剩余的正常相便可以補償故障引起的轉矩脈動,實現容錯運行。這一特性使得多相電機可靠性技術收到了越來越多的國內外學者的關注。但對于具有梯形波反電勢多相BLDC電機的容錯技術卻鮮有報道。因此,本文開展了一種新型五相BLDC電機的容錯控制策略。在分析了其結構以及電磁特性的基礎上,給出了BLDC電機的一相開路故障情況下的轉矩等效BLAC容錯控制方法,使其在一相開路的情況下能輸出和正常情況下相同的平均轉矩。建立了瞬態場路耦合聯合仿真模型,搭建了五相BLDC電機實驗平臺上,進行了仿真和試驗驗證。1電機的控制策略通常情況下,容錯電機的繞組相與相之間應具有“獨立性”,即電機的相與相之間的耦合較小,每一相都可以作為獨立模塊分別進行控制,從而在某一相出現故障時,其他相仍然能夠通過控制策略的調整,實現帶故障運行。圖1為一臺五相20/18極BLDC電機。電機采用外轉子結構,定子采用集中式繞組,并且加入了容錯齒,從而保證了相與相之間的電路以及磁路的獨立性,符合容錯電機的設計要求。另一方面,電機中電樞齒的寬度是容錯齒的寬度的兩倍,從而擴大了梯形波反電勢平頂部分。圖2為該電機在500r/min時的實測反電勢波形圖。由于該電機為五相電機,所以A、B、C、D、E五相反電勢各差72°,由圖可知該電機的反電勢梯形波平頂部分達到了144°,所以適用于BLDC運行。2控制戰略2.1正常運行狀態如前所述,由于所研究的五相BLDC電機的空載反電勢為144°梯形波,故在正常方式下其可采用144°導通的BLDC方式。此時,電機的五相電流方程為其中,θ為電機轉子位置角。因此,正常運行狀態下的電磁轉矩TN_BLDC可以表示為其中,Em為梯形波反電勢幅值;Im為梯形波電流幅值。2.2電機的電機轉速產生的假設從傳統意義而言,具有梯形波空載反電勢的五相BLDC電機應采用BLDC控制方式。本文提出了一種基于轉矩等效的BLAC控制方式,使電機在此控制方式下產生與BLDC控制方式時相等的轉矩輸出。假設所用來控制的五相電樞電流為其中,Imax為正弦波電流的幅值。此時電機的電磁轉矩TN_BLAC可以表示為其中,Em1為是反電勢基波的幅值。通過對電機的梯形波反電勢進行分析,可知:所以,為了能夠使得五相BLDC電機在BLDC方式和BLAC方式下產生等效的輸出轉矩,令式(2)等于式(4),并將式(5)代入,可得:所以,得到的五相BLDC電機產生等效轉矩的BLAC控制方程為2.3u3000運行狀態由前面的推導可以知道,五相BLDC電機在BLAC控制方式下,可以獲得與BLDC控制方式等效的轉矩輸出。而另一方面,其旋轉主磁場是由五相電流產生的磁場相疊加而成,如果其中某一相發生開路故障而無法工作,則可以通過保持電機內的合成旋轉磁場不變的方法來保證系統的連續運行。因此,對于故障條件下的五相BLDC電機,如果能保證其他非故障相電流所產生的旋轉磁場等效于轉矩等效BLAC方式所產生的旋轉磁場,則此容錯BLAC方式即可保證BLDC電機在四相工作情況下,獲得與正常運行的BLDC方式相等效的轉矩特性。當工作于上面所述的轉矩等效BLAC方式時,電機產生的旋轉磁動勢(MMF)可以表示為其中,α=1∠72°,N為電機每相匝數。假設電機A相發生開路故障,此時電機內旋轉磁動勢由其他四相產生,可以表示為若令式(8)等于式(9),即令故障條件下產生與轉矩等效BLAC運行方式同等的旋轉磁動勢,令等式兩邊實部等于實部,虛部等于虛部,將式(7)代入等式中,并假定則可以得到容錯方式下的各相電流3u3000討論為了更準確驗證上述理論的正確性,特別是對一相開路故障狀態下的電機特性的研究,因此本文采用了電路、磁路瞬態聯合仿真的方法,圖3為20/18極五相BLDC電機系統聯合仿真模型圖。當該五相電機工作于正常的BLDC方式時,通入如圖4(a)所示電流?？芍斖ㄈ敕禐?0A的電流時,電機的平均輸出轉矩為11.8Nm。而當電機發生一相開路的故障時,電流變為圖4(b)中所示。如圖5所示,可見電機的轉矩出現了明顯的下降,下降到了9.7Nm,并且脈動也明顯變大。當對該20/18極五相BLDC電機通入如式(3)所示的五相正弦電流時,在理論上,電機產生的輸出轉矩應等效于采用BLDC控制方式下產生的轉矩,圖6為轉矩等效BLAC方式下的五相正弦電流和輸出的轉矩,此時電機輸出的平均轉矩為11.7Nm。相比于正常BLDC控制方式下的平均輸出轉矩11.8Nm,兩者差距較小,實現了轉矩等效的目的。當電機發生一相開路的故障時,為了提高電機的故障條件下的運行性能,運用前面所提到的容錯控制策略,電機將運行于容錯BLAC狀態,其電流和轉矩波形圖如圖7所示。可知其平均輸出轉矩為11.6Nm,相比正常BLDC方式和轉矩等效BLAC方式輸出轉矩基本相同,但是轉矩脈動略微增大?？梢娤到y的帶故障性能較好,容錯性能得到了很大提高。表1為上述各種方式下的轉矩以及轉矩脈動的對比,可以看到電機發生故障,對電機的穩定運行有著很大的影響,而五相BLDC電機可以通過轉矩等效的BLAC方式達到基本相同的運行效果,并且運用容錯BLAC控制方式能明顯提高電機容錯運行性能,使得系統在故障情況下仍然能實現較好的運行情況。4電機轉速測試為了驗證其正確性,搭建了如圖8所示的實驗平臺。在實驗中,五相BLDC電機運行時,圖中所示的直流電機處于發電狀態,它將作為BLDC電機的負載,測試其帶負載的能力。兩者通過聯軸器與轉矩傳感器相連,從而能夠測量BLDC電機轉矩輸出的性能。五相BLDC的驅動系統如圖9所示,由DSPTMS320F2812和IPM以及一些外圍電路所組成。首先,當電機正常運行時,通入如圖10所示的五相梯形波電流,其電流幅值為2A,可測得正常運行時平均電機輸出的平均轉矩為2Nm。其次,當電機某一相發生開路故障時,如圖11所示,開路相電流變為0,系統進入式(11)所示的容錯BLAC運行方式,與故障前平均轉矩大小幾乎相同,只是轉矩脈動略微變大,這與仿真的結果相吻合?？梢?該五相BLDC電機在缺相狀態下,運用上面所述的容錯控制策略,能夠良好的運行,系統具有較好的帶故障運行能力。5ent-maagregact.u2004趙文祥,程明,朱孝勇,等.驅動用微特電機及其控制系統的可靠性技術研究綜述[J].電工技術學報,2007,22(4):38-46.JLi,KTChau,JJiang,etal.ANewEfficientPermanent-magnetVernierMachineforWingPowerGeneration[J].IEEETrans.Magn.,2010,46(6):1475-1478.AMEl-Refaie.Fault-tolerantPermanentMagnetMachines:AReview[J].IETElect.PowerAppl.,2011,5(1)