雙通道磁通切換永磁電機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

徐 磊，程 明，趙文祥

(東南大學(xué)，江蘇南京210096)

0 引 言

隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在軍事、民用等各個(gè)領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，系統(tǒng)的可靠性問題逐漸引起相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注［1－4］。開發(fā)高可靠性、高功率密度的新型永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更成為相關(guān)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)［5］。

定子永磁型電機(jī)是近年發(fā)展起來的一類新型永磁無刷電機(jī)，其性能可以與轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)相媲美，逐漸成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［6－8］。最新的研究結(jié)果表明，雙凸極永磁電機(jī)在具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較高的基礎(chǔ)上，更兼具容錯(cuò)電機(jī)的特點(diǎn)，是一類新型永磁容錯(cuò)電機(jī)［9－11］。同時(shí)，亦有研究表明，磁通切換永磁電機(jī)是一種功率密度更高的定子永磁型電機(jī)［12－14］。而另一方面，冗余技術(shù)是提高電機(jī)可靠性的重要手段［15－16］。雙通道磁通切換永磁(以下簡(jiǎn)稱DC－FSPM)電機(jī)就是將冗余技術(shù)引入磁通切換永磁電機(jī)所提出的一種容錯(cuò)式定子永磁型電機(jī)。

為提高系統(tǒng)可靠性，需要對(duì)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行故障研究，而通常的故障實(shí)驗(yàn)需要較高的代價(jià)。因此，搭建一個(gè)合理的故障模擬平臺(tái)成為所有工作的基礎(chǔ)。通過故障模擬平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)地觀測(cè)和模擬出DC－FSPM電機(jī)正常、故障以及容錯(cuò)等多種運(yùn)行狀態(tài)特性，進(jìn)而為電機(jī)智能容錯(cuò)控制策略的研究打下基礎(chǔ)。

本文以一臺(tái)12/10極DC－FSPM電機(jī)為研究對(duì)象，在對(duì)該電機(jī)的電磁性能進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，搭建了包括功率變換器、驅(qū)動(dòng)電路、DSP控制單元等主要部分組成的故障模擬平臺(tái)?；诠收夏M平臺(tái)，對(duì)DC－FSPM電機(jī)的正常和故障狀態(tài)下的運(yùn)行性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 三相12/10極DC－FSPM電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1 DC－FSPM電機(jī)

圖1為一臺(tái)三相12/10極DC－FSPM電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。它由12個(gè)定子齒和10個(gè)轉(zhuǎn)子齒組成，其轉(zhuǎn)子部分與開關(guān)磁阻電機(jī)類似，為凸極結(jié)構(gòu)，其上既無繞組亦無永磁體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;定子部分是由12個(gè)單元依次緊貼拼裝而成。同時(shí)，一相繞組由空間上垂直放置的兩套繞組組成。在一個(gè)轉(zhuǎn)子周期內(nèi)，兩個(gè)線圈對(duì)轉(zhuǎn)子的磁路有半個(gè)電周期的相位差，且方向相反。這一特性直接導(dǎo)致了兩個(gè)線圈繞組內(nèi)的電磁特性(包括磁鏈、感應(yīng)電勢(shì)和電感等)在相位上相差半個(gè)周期。

圖2為有限元仿真計(jì)算得到的DC－FSPM電機(jī)兩個(gè)通道的永磁磁鏈曲線，圖3是其合成后的三相永磁磁鏈。對(duì)比可知，每個(gè)通道相位之間依次相差機(jī)械角12°(等同于電角度120°，因電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)Pr=10)，具有良好的對(duì)稱性。圖4、圖5分別為有限元計(jì)算的DC－FSPM電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形。其中，對(duì)于第一通道中的線圈A1和第二通道的線圈A2而言，它們的反電動(dòng)勢(shì)是互補(bǔ)的，這個(gè)特性是DC－FSPM電機(jī)所獨(dú)有的。恰是由于線圈磁路上存在互補(bǔ)性，在通入同相位的正弦電流時(shí)，線圈匝鏈的磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的主要諧波分量，由于其幅值相等但相位正好相反，可以互相抵消，保證了該電機(jī)能夠輸出平滑的電磁轉(zhuǎn)矩。因此，正常運(yùn)行狀態(tài)下的DCFSPM電機(jī)可以運(yùn)行于傳統(tǒng)的正弦波工作方式。

2 故障模擬控制器

圖6為帶中性點(diǎn)的DC－FSPM電機(jī)控制電路圖。在該雙通道冗余驅(qū)動(dòng)電路中，為減少功率器件數(shù)，采用了帶中性點(diǎn)的功率變換電路，但中線通斷可控制。由于DC－FSPM電機(jī)電感正負(fù)半周的不對(duì)稱性，進(jìn)而造成中性點(diǎn)電壓發(fā)生偏移，對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能有較大影響。因此，需要實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)正負(fù)半周導(dǎo)通角度和導(dǎo)通寬度進(jìn)行調(diào)整，控制相對(duì)比較復(fù)雜。為此，本設(shè)計(jì)中在正常運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)采用不帶中性點(diǎn)的半橋功率變換電路(即封鎖中線電流)。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，A、B、C三相電流相加為零，互成回路;而當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，A相發(fā)生斷路，但是B、C兩相通入的電流并不發(fā)生變化，若不接通中線則無法實(shí)現(xiàn)電流回路，所以采用不帶中性點(diǎn)的半橋功率變換電路無法實(shí)現(xiàn)電路的正常工作。因此在故障發(fā)生時(shí)，必須把半橋功率變換器的中線接入系統(tǒng)。

圖6 DC－FSPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)技術(shù)在設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)往往選用繼電器，但是由于其噪聲大和機(jī)械性能方面的原因，現(xiàn)在已經(jīng)很少見了。隨之而來的是無觸點(diǎn)開關(guān)－雙向可控硅的使用，但在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，需要采用同步過零觸發(fā)電路進(jìn)行同步觸發(fā)。由于這部分電路包括比較器、單穩(wěn)態(tài)電路和光電隔離器等器件，芯片多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)故障，所以在設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了MOTOROLA公司推出的單片集成可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3041。

MOC3041芯片是一種集成的帶有光電耦合的雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電路。它內(nèi)部集成了發(fā)光二極管、雙向可控硅和過零觸發(fā)電路等器件，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳及容錯(cuò)電路如圖7所示。從圖中可以看出，MOC3041由輸人和輸出兩部分組成。輸入部分是一個(gè)砷化稼發(fā)光二極管，在5～15 mA正向電流的作用下發(fā)出足夠強(qiáng)度的紅外光線去觸發(fā)輸出部分。輸出部分包括一個(gè)硅光敏雙向可控硅和過零觸發(fā)器。在紅外光線的作用下，雙向可控硅可雙向?qū)ǎc過零觸發(fā)器一起輸出同步觸發(fā)脈沖，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)——外部的雙向可控硅TRIAC。

圖7 中線容錯(cuò)控制電路

圖7中，R1、R4分別為限流電阻，控制LED的觸發(fā)電流;R3、R6為門極電阻，用以提高控制極的抗干擾能力;R2、R5為控制回路限流電阻，可以保護(hù)MOC3041中的雙向可控硅。

該部分的工作過程是:若DSP檢測(cè)到有故障發(fā)生，則將發(fā)出開通中線的信號(hào)(即將中線控制端口置為高電平)，此時(shí)MOC3041內(nèi)部導(dǎo)通，從而控制可控硅導(dǎo)通，中線接入。當(dāng)無故障發(fā)生，中線控制端口為低電平，MOC3041內(nèi)部截止，可控硅斷開，中線不接入。該故障模擬平臺(tái)可以在檢測(cè)到DC－FSPM電機(jī)一相斷路故障信號(hào)以后自動(dòng)接通中線，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的故障運(yùn)行，以達(dá)到電機(jī)從正常運(yùn)行到故障運(yùn)行的過渡。這為DC－FSPM電機(jī)在故障狀態(tài)下運(yùn)行狀態(tài)分析提供了一個(gè)有力的平臺(tái)。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與結(jié)果

基于前述的DC－FSPM電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，構(gòu)建了基于DSP的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)故障模擬平臺(tái)，對(duì)DC－FSPM電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。為此，設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)12/10極DC－FSPM電機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖8所示。圖9為該樣機(jī)的實(shí)測(cè)空載反電動(dòng)勢(shì)波形(圖中分別為線圈A1、A2、B1、B2的反電動(dòng)勢(shì))，可見與圖5中的仿真分析結(jié)果相吻合。

圖8 DC－FSPM電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

圖9 實(shí)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)波形

在此基礎(chǔ)上，搭建了DC－FSPM電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它由DC－FSPM電機(jī)、雙通道控制系統(tǒng)、電氣上相互獨(dú)立的兩套供電系統(tǒng)、直流發(fā)電機(jī)及負(fù)載組成，如圖10所示。其中，直流測(cè)功機(jī)由一臺(tái)2.2 kW直流電動(dòng)機(jī)和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩測(cè)試裝置構(gòu)成，可顯示穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩的大小。

圖10 DC－FSPM電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖11為本文所研制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障模擬平臺(tái)電路實(shí)物圖。本文主要研究了DC－FSPM電機(jī)在一相斷路故障情況下的運(yùn)行狀態(tài)，因此實(shí)驗(yàn)中以A1線圈斷路故障為例，給定DC－FSPM電機(jī)一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩及500 r/min的參考轉(zhuǎn)速。

圖12給出了從正常運(yùn)行狀態(tài)到故障狀態(tài)過渡的三相電流以及中線電流的波形，可以看出A相電流在故障以后變成零，而中線在此時(shí)接通有電流流過。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的故障模擬平臺(tái)可以很好地模擬出故障狀態(tài)下電機(jī)從正常運(yùn)行狀態(tài)到故障運(yùn)行的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。

圖11 DC－FSPM電機(jī)故障模擬平臺(tái)

圖12 故障到容錯(cuò)過渡瞬間的電流

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在研究分析DC－FSPM電機(jī)的基本工作原理以及靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上，基于TMS320F2812控制芯片，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的故障模擬平臺(tái)，并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了DC－FSPM電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了DC－FSPM電機(jī)從正常運(yùn)行到一相斷路故障的過渡運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確而有效，證明了所設(shè)計(jì)的電機(jī)故障模擬平臺(tái)能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的故障模擬。該故障模擬平臺(tái)為課題組進(jìn)一步深入研究定子永磁型電機(jī)的智能容錯(cuò)控制策略打下了基礎(chǔ)。

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