五相容错永磁无刷直流电机容错控制策略

五相容错永磁无刷直流电机容错控制策略

0种新型的容错控制策略近年来，随着科学技术的发展，永维无刷直流（bloc）电机的结构简单、可靠性高、输出旋转大的优点越来越受到重视。但是电机及其控制系统的电力电子器件存在着一定的故障率,使得电机驱动系统的可靠性问题逐渐凸现出来,特别是在航空航天、军事装备、电动车辆等有较高要求的领域,可靠性显得尤为重要。多相电机,由于相数的增加使其可以提供比三相电机更多的控制自由度,增加的自由度可用来实现在故障状态下的无扰容错运行。发生故障后,多相电机仅需要修改其控制策略,而无需修改任何硬件电路,剩余的正常相便可以补偿故障引起的转矩脉动,实现容错运行。这一特性使得多相电机可靠性技术收到了越来越多的国内外学者的关注。但对于具有梯形波反电势多相BLDC电机的容错技术却鲜有报道。因此,本文开展了一种新型五相BLDC电机的容错控制策略。在分析了其结构以及电磁特性的基础上,给出了BLDC电机的一相开路故障情况下的转矩等效BLAC容错控制方法,使其在一相开路的情况下能输出和正常情况下相同的平均转矩。建立了瞬态场路耦合联合仿真模型,搭建了五相BLDC电机实验平台上,进行了仿真和试验验证。1电机的控制策略通常情况下,容错电机的绕组相与相之间应具有“独立性”,即电机的相与相之间的耦合较小,每一相都可以作为独立模块分别进行控制,从而在某一相出现故障时,其他相仍然能够通过控制策略的调整,实现带故障运行。图1为一台五相20/18极BLDC电机。电机采用外转子结构,定子采用集中式绕组,并且加入了容错齿,从而保证了相与相之间的电路以及磁路的独立性,符合容错电机的设计要求。另一方面,电机中电枢齿的宽度是容错齿的宽度的两倍,从而扩大了梯形波反电势平顶部分。图2为该电机在500r/min时的实测反电势波形图。由于该电机为五相电机,所以A、B、C、D、E五相反电势各差72°,由图可知该电机的反电势梯形波平顶部分达到了144°,所以适用于BLDC运行。2控制战略2.1正常运行状态如前所述,由于所研究的五相BLDC电机的空载反电势为144°梯形波,故在正常方式下其可采用144°导通的BLDC方式。此时,电机的五相电流方程为其中,θ为电机转子位置角。因此,正常运行状态下的电磁转矩TN_BLDC可以表示为其中,Em为梯形波反电势幅值;Im为梯形波电流幅值。2.2电机的电机转速产生的假设从传统意义而言,具有梯形波空载反电势的五相BLDC电机应采用BLDC控制方式。本文提出了一种基于转矩等效的BLAC控制方式,使电机在此控制方式下产生与BLDC控制方式时相等的转矩输出。假设所用来控制的五相电枢电流为其中,Imax为正弦波电流的幅值。此时电机的电磁转矩TN_BLAC可以表示为其中,Em1为是反电势基波的幅值。通过对电机的梯形波反电势进行分析,可知:所以,为了能够使得五相BLDC电机在BLDC方式和BLAC方式下产生等效的输出转矩,令式(2)等于式(4),并将式(5)代入,可得:所以,得到的五相BLDC电机产生等效转矩的BLAC控制方程为2.3u3000运行状态由前面的推导可以知道,五相BLDC电机在BLAC控制方式下,可以获得与BLDC控制方式等效的转矩输出。而另一方面,其旋转主磁场是由五相电流产生的磁场相叠加而成,如果其中某一相发生开路故障而无法工作,则可以通过保持电机内的合成旋转磁场不变的方法来保证系统的连续运行。因此,对于故障条件下的五相BLDC电机,如果能保证其他非故障相电流所产生的旋转磁场等效于转矩等效BLAC方式所产生的旋转磁场,则此容错BLAC方式即可保证BLDC电机在四相工作情况下,获得与正常运行的BLDC方式相等效的转矩特性。当工作于上面所述的转矩等效BLAC方式时,电机产生的旋转磁动势(MMF)可以表示为其中,α=1∠72°,N为电机每相匝数。假设电机A相发生开路故障,此时电机内旋转磁动势由其他四相产生,可以表示为若令式(8)等于式(9),即令故障条件下产生与转矩等效BLAC运行方式同等的旋转磁动势,令等式两边实部等于实部,虚部等于虚部,将式(7)代入等式中,并假定则可以得到容错方式下的各相电流3u3000讨论为了更准确验证上述理论的正确性,特别是对一相开路故障状态下的电机特性的研究,因此本文采用了电路、磁路瞬态联合仿真的方法,图3为20/18极五相BLDC电机系统联合仿真模型图。当该五相电机工作于正常的BLDC方式时,通入如图4(a)所示电流。可知当通入幅值为10A的电流时,电机的平均输出转矩为11.8Nm。而当电机发生一相开路的故障时,电流变为图4(b)中所示。如图5所示,可见电机的转矩出现了明显的下降,下降到了9.7Nm,并且脉动也明显变大。当对该20/18极五相BLDC电机通入如式(3)所示的五相正弦电流时,在理论上,电机产生的输出转矩应等效于采用BLDC控制方式下产生的转矩,图6为转矩等效BLAC方式下的五相正弦电流和输出的转矩,此时电机输出的平均转矩为11.7Nm。相比于正常BLDC控制方式下的平均输出转矩11.8Nm,两者差距较小,实现了转矩等效的目的。当电机发生一相开路的故障时,为了提高电机的故障条件下的运行性能,运用前面所提到的容错控制策略,电机将运行于容错BLAC状态,其电流和转矩波形图如图7所示。可知其平均输出转矩为11.6Nm,相比正常BLDC方式和转矩等效BLAC方式输出转矩基本相同,但是转矩脉动略微增大。可见系统的带故障性能较好,容错性能得到了很大提高。表1为上述各种方式下的转矩以及转矩脉动的对比,可以看到电机发生故障,对电机的稳定运行有着很大的影响,而五相BLDC电机可以通过转矩等效的BLAC方式达到基本相同的运行效果,并且运用容错BLAC控制方式能明显提高电机容错运行性能,使得系统在故障情况下仍然能实现较好的运行情况。4电机转速测试为了验证其正确性,搭建了如图8所示的实验平台。在实验中,五相BLDC电机运行时,图中所示的直流电机处于发电状态,它将作为BLDC电机的负载,测试其带负载的能力。两者通过联轴器与转矩传感器相连,从而能够测量BLDC电机转矩输出的性能。五相BLDC的驱动系统如图9所示,由DSPTMS320F2812和IPM以及一些外围电路所组成。首先,当电机正常运行时,通入如图10所示的五相梯形波电流,其电流幅值为2A,可测得正常运行时平均电机输出的平均转矩为2Nm。其次,当电机某一相发生开路故障时,如图11所示,开路相电流变为0,系统进入式(11)所示的容错BLAC运行方式,与故障前平均转矩大小几乎相同,只是转矩脉动略微变大,这与仿真的结果相吻合。可见,该五相BLDC电机在缺相状态下,运用上面所述的容错控制策略,能够良好的运行,系统具有较好的带故障运行能力。5ent-maagregact.u2004赵文祥,程明,朱孝勇,等.驱动用微特电机及其控制系统的可靠性技术研究综述[J].电工技术学报,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)