一種永磁同步電機(jī)的容錯控制方法

程 輝，楊克立，周 洪

(1.河南工程學(xué)院 電氣信息工程系，河南 鄭州 451191；2.中原工學(xué)院 工業(yè)訓(xùn)練中心，河南 鄭州 451192)

三相變頻驅(qū)動系統(tǒng)通常采用逆變器控制交流電機(jī)，但由于開關(guān)功率器件的脆弱性及控制的復(fù)雜性，使得實(shí)現(xiàn)SVPWM控制策略的逆變器易發(fā)生故障[1].一旦逆變器發(fā)生故障，整個驅(qū)動系統(tǒng)就喪失了正常工作的能力.同時，各種原因造成的繞組斷路故障也會給電機(jī)帶來嚴(yán)重的后果.因此，對于如何提高三相變頻驅(qū)動系統(tǒng)的高可靠性，避免因故障造成的停機(jī)也在不斷研究中[2-3].如今，不惜代價(jià)添加冗余附加硬器件設(shè)計(jì)，例如，在電機(jī)內(nèi)部形成雙套定子繞組或?qū)嵭须p逆變器控制，被廣泛地研究并用來提高驅(qū)動裝置的高可靠實(shí)用性[4]，但這不但增加了設(shè)計(jì)運(yùn)行成本，也增加了檢修費(fèi)用.并且，在很多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，例如紡織、冶金軋機(jī)、航空航天及電動車等，當(dāng)故障發(fā)生后，適當(dāng)?shù)亟档拖到y(tǒng)的性能或者減少故障發(fā)生后的工作時間,以保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行也被視為可行的控制方法.于是，減少系統(tǒng)硬件冗余并且保持系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的容錯控制策略目前已被廣泛研究[5-8].雖然內(nèi)部永磁同步電機(jī)的性能優(yōu)越，在國內(nèi)外工業(yè)界已取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，但是驅(qū)動控制系統(tǒng)的可靠性并不高這一缺點(diǎn)，限制了它的廣泛應(yīng)用.因此，研究并提高內(nèi)部永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的容錯性能并盡可能地減少系統(tǒng)硬件冗余具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 控制策略

本文研究并設(shè)計(jì)的內(nèi)部永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)針對一橋臂或單相繞組的以下故障具有容錯功能：(1)開關(guān)功率器件無驅(qū)動信號；(2)開關(guān)功率器件發(fā)生開路；(3)開關(guān)功率器件發(fā)生斷路；(4)繞組開路.

式(1)中，ia，ib，ic為電機(jī)定子的三相電流，iα，iβ，iο為坐標(biāo)系中定子電流分量 .

(2)

式(2)中，id，id，i0為d，q坐標(biāo)系上定子電流分量，γ為轉(zhuǎn)子磁極軸線與A相定子繞組的夾角.

由式(1)、(2)可得

(3)

圖1 α-β平面上有用的電壓矢量區(qū)域Fig.1 Projection on α-β plane

圖2 平面上有用的電壓矢量區(qū)域Fig.2 Projection on b-c plane

2 內(nèi)部永磁同步電機(jī)容錯驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的控制策略，本文所設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)容錯驅(qū)動控制系統(tǒng)如圖3所示.

圖3 容錯驅(qū)動控制系統(tǒng)Fig.3 Structure of fault-tolerant control system

系統(tǒng)中的電機(jī)為抽出中性線的內(nèi)部永磁同步電機(jī)(IPMSM)，采用磁通正弦定向的電壓矢量控制，通過對定子電壓的調(diào)制來實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動，整體的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)包括3個部分.

2.1 發(fā)生故障的橋臂與電源完全隔離的檢測與斷開設(shè)計(jì)

一旦發(fā)生故障，不管是一相繞組斷路還是一橋臂的一個或者兩個開關(guān)器件發(fā)生故障，其所屬橋臂均應(yīng)與電源系統(tǒng)立即斷開，使其完全不影響其他橋臂的正常工作，并且減少轉(zhuǎn)矩波動.為此，采用比較和檢測控制模塊以檢測各橋臂的輸出電流信號與SVPWM模塊的開關(guān)信號是否一致可以判斷故障是否發(fā)生[7].在故障發(fā)生后輸出相應(yīng)的控制信號S-ID控制故障A橋臂的開關(guān)IDA，使其斷開，將A橋臂完全與電源隔離，并用Sn代替Sa，同時輸出的控制信號S-CD使電機(jī)中性線與逆變器的第四橋臂開關(guān)CD閉合，第四橋臂連入電路.

2.2 主硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主硬件系統(tǒng)包括電源、電流控制模塊、SVPWM模塊、逆變器模塊和抽出中性線的永磁同步電機(jī)模塊.電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的電流分量id和iq,即給定量經(jīng)過電流控制器的計(jì)算，產(chǎn)生參考輸出量ud、uq，用于SVPWM波的生成以驅(qū)動IGBT，產(chǎn)生使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場所需的三相正弦電壓，驅(qū)動電機(jī)正常工作.

2.3 反饋補(bǔ)償設(shè)計(jì)

在電機(jī)的正常工作狀態(tài)下，電機(jī)的中性線與逆變器斷開，在三相三橋臂逆變器驅(qū)動下產(chǎn)生的三相正弦電壓ua，ub，uc輸入電機(jī)的三相定子繞組中，使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場.電機(jī)在A相故障狀態(tài)下，A相斷開，逆變器的第四橋臂與中性線聯(lián)結(jié)，Sn代替Sa.三相三橋臂逆變器驅(qū)動下產(chǎn)生的三相正弦電壓u1，u2和u3，驅(qū)動電機(jī)輸出同樣的轉(zhuǎn)矩.故障后，電機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)下定子電壓的矢量方程[12]為

ud=rid-ωLqiq，

uq=ria+ωLdid+ωλm，

(4)

式(4)中，Ld，Lq，Lσ分別為定子繞組的直軸、交軸與零軸電感系數(shù);ω，λm分別為轉(zhuǎn)子電角速度與永磁體磁鏈.

電壓矢量ua，ub，uc經(jīng)過式(1)和式(2)的逆變換后可以得到電壓矢量ud、uq.同樣的方法，故障后的電壓矢量u1，u2和u3也可以計(jì)算得到電壓矢量ud、uq.結(jié)合矢量方程(4)，比較兩個電壓矢量可得

(5)

由公式(5)可知，為保持相同的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩所提供給逆變器的電壓矢量是不相等的，相異的電壓矢量也是一個正弦矢量，其頻率為定子電壓的2倍.為提高故障后轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性，所設(shè)計(jì)的補(bǔ)償模塊如圖3所示.模塊中的反饋電壓矢量為

uff，d=f(id，iq，ω，θ)cos(γ)，

uff，q=-f(id，iq，ω，θ)sin(γ)，

(6)

3 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證本文所提出的控制策略和容錯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，利用Matlab軟件對上述IPMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真.同步電動機(jī)模型參數(shù)為：額定電壓220 V，額定電流40.1 A，額定轉(zhuǎn)矩151.02 N.m，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，極對數(shù)為3，直軸電感Ld=8.5×10-3H，交軸電感Lq=14.5×10-3H和零軸電感Lσ=0.5×10-3H，λm=0.175 Wb.圖4為仿真結(jié)果圖.

(a) 故障前后相電流波形 (b) 故障前后iq和id波形(a)Phase current waveform (b) Waveform iq ofid and

(c) 故障前后電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形 (d) 補(bǔ)償前后電壓矢量波形(c)Waveform of Me (d) Waveformof ud and uq

4 結(jié)束語

本文研究了IPM電機(jī)在逆變器驅(qū)動發(fā)生故障后一種新穎的容錯控制策略，和常規(guī)的容錯控制策略相比，該方法采用變?nèi)嗨臉虮勰孀兤黩?qū)動并從IPM電機(jī)中引出中性線進(jìn)行控制，簡化了硬件電路，故障發(fā)生前后輸出的轉(zhuǎn)矩保持恒定.仿真結(jié)果表明，該方案可靠可行.

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