五相容錯永磁無刷直流電機容錯控制策略

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(xué)技術(shù)的發(fā)展，永維無刷直流（bloc）電機的結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、輸出旋轉(zhuǎn)大的優(yōu)點越來越受到重視。但是電機及其控制系統(tǒng)的電力電子器件存在著一定的故障率,使得電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性問題逐漸凸現(xiàn)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(lǐng)域,可靠性顯得尤為重要。多相電機,由于相數(shù)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(xiàn)在故障狀態(tài)下的無擾容錯運行。發(fā)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(zhuǎn)矩脈動,實現(xiàn)容錯運行。這一特性使得多相電機可靠性技術(shù)收到了越來越多的國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。但對于具有梯形波反電勢多相BLDC電機的容錯技術(shù)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(jié)構(gòu)以及電磁特性的基礎(chǔ)上,給出了BLDC電機的一相開路故障情況下的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。建立了瞬態(tài)場路耦合聯(lián)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(yīng)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(xiàn)故障時,其他相仍然能夠通過控制策略的調(diào)整,實現(xiàn)帶故障運行。圖1為一臺五相20/18極BLDC電機。電機采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),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(shè)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(zhàn)略2.1正常運行狀態(tài)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(dǎo)通的BLDC方式。此時,電機的五相電流方程為其中,θ為電機轉(zhuǎn)子位置角。因此,正常運行狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速產(chǎn)生的假設(shè)從傳統(tǒng)意義而言,具有梯形波空載反電勢的五相BLDC電機應(yīng)采用BLDC控制方式。本文提出了一種基于轉(zhuǎn)矩等效的BLAC控制方式,使電機在此控制方式下產(chǎn)生與BLDC控制方式時相等的轉(zhuǎn)矩輸出。假設(shè)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(zhuǎn)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(chǎn)生等效的輸出轉(zhuǎn)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(chǎn)生等效轉(zhuǎn)矩的BLAC控制方程為2.3u3000運行狀態(tài)由前面的推導(dǎo)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(zhuǎn)矩輸出。而另一方面,其旋轉(zhuǎn)主磁場是由五相電流產(chǎn)生的磁場相疊加而成,如果其中某一相發(fā)生開路故障而無法工作,則可以通過保持電機內(nèi)的合成旋轉(zhuǎn)磁場不變的方法來保證系統(tǒng)的連續(xù)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(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場等效于轉(zhuǎn)矩等效BLAC方式所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩特性。當工作于上面所述的轉(zhuǎn)矩等效BLAC方式時,電機產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢(MMF)可以表示為其中,α=1∠72°,N為電機每相匝數(shù)。假設(shè)電機A相發(fā)生開路故障,此時電機內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁動勢由其他四相產(chǎn)生,可以表示為若令式(8)等于式(9),即令故障條件下產(chǎn)生與轉(zhuǎn)矩等效BLAC運行方式同等的旋轉(zhuǎn)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(tài)下的電機特性的研究,因此本文采用了電路、磁路瞬態(tài)聯(lián)合仿真的方法,圖3為20/18極五相BLDC電機系統(tǒng)聯(lián)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(zhuǎn)矩為11.8Nm。而當電機發(fā)生一相開路的故障時,電流變?yōu)閳D4(b)中所示。如圖5所示,可見電機的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)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(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)等效于采用BLDC控制方式下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,圖6為轉(zhuǎn)矩等效BLAC方式下的五相正弦電流和輸出的轉(zhuǎn)矩,此時電機輸出的平均轉(zhuǎn)矩為11.7Nm。相比于正常BLDC控制方式下的平均輸出轉(zhuǎn)矩11.8Nm,兩者差距較小,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩等效的目的。當電機發(fā)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(tài),其電流和轉(zhuǎn)矩波形圖如圖7所示?？芍淦骄敵鲛D(zhuǎn)矩為11.6Nm,相比正常BLDC方式和轉(zhuǎn)矩等效BLAC方式輸出轉(zhuǎn)矩基本相同,但是轉(zhuǎn)矩脈動略微增大?？梢娤到y(tǒng)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(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩脈動的對比,可以看到電機發(fā)生故障,對電機的穩(wěn)定運行有著很大的影響,而五相BLDC電機可以通過轉(zhuǎn)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(tǒng)在故障情況下仍然能實現(xiàn)較好的運行情況。4電機轉(zhuǎn)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(fā)電狀態(tài),它將作為BLDC電機的負載,測試其帶負載的能力。兩者通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)矩傳感器相連,從而能夠測量BLDC電機轉(zhuǎn)矩輸出的性能。五相BLDC的驅(qū)動系統(tǒng)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(zhuǎn)矩為2Nm。其次,當電機某一相發(fā)生開路故障時,如圖11所示,開路相電流變?yōu)?,系統(tǒng)進入式(11)所示的容錯BLAC運行方式,與故障前平均轉(zhuǎn)矩大小幾乎相同,只是轉(zhuǎn)矩脈動略微變大,這與仿真的結(jié)果相吻合?？梢?該五相BLDC電機在缺相狀態(tài)下,運用上面所述的容錯控制策略,能夠良好的運行,系統(tǒng)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(qū)動用微特電機及其控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)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)