基于容錯逆變器的永磁同步電動機矢量控制

李小川，王 明，李艷玲

(1.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西西安710018;2.長慶油田公司第七采油廠，甘肅環(huán)縣745700)

0 引 言

隨著永磁同步電動機(PMSM)廣泛應用于風機、水泵、數(shù)控機床、船舶推進、工業(yè)機器人以及航空航天等交流調(diào)速應用領域，人們在提高系統(tǒng)控制性能的同時也進一步提出了系統(tǒng)具有故障時的可持續(xù)運行能力。目前，對于交流電機調(diào)速系統(tǒng)故障檢測、診斷及容錯運行的研究已受到人們的廣泛關注。研究人員不僅對電機、逆變器及傳感器的故障診斷進行了深入研究，同時也對調(diào)速系統(tǒng)的容錯控制策略進行了大量的研究。Jason D.Ede［1］研究了一種容錯永磁同步電動機并針對其單相繞組故障提出了最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制策略，Silverio Bolognani［2－3］針對永磁同步電動機驅(qū)動控制中逆變器功率器件發(fā)生故障時的一種四橋臂容錯逆變器控制策略，可以保證在不同橋臂故障時電機產(chǎn)生平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩輸出。R.L.A.Ribeiro等人［4－5］研究了交流電機控制系統(tǒng)逆變器故障后，通過雙向晶閘管使逆變器拓撲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為四開關逆變器，簡化后的四開關逆變器不增加系統(tǒng)硬件成本，而且可以保障容錯后的系統(tǒng)運行穩(wěn)定。ZHANG Lanhong［6］研究直接轉(zhuǎn)矩控制下的交流電機控制系統(tǒng)容錯策略，并且分別對常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩和使用空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩進行了容錯策略分析，提出的容錯策略均能有效控制電機系統(tǒng)在故障下的持續(xù)運行并能保持直接轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)良的動態(tài)特性。

本文由分析永磁同步電動機數(shù)學模型和一種容錯逆變器入手，并根據(jù)常規(guī)六開關三相永磁同步電動機電流特性，提出一種永磁同步電動機矢量控制逆變器容錯運行策略，該策略可以在逆變器發(fā)生故障時有效控制電機穩(wěn)定運行，并可以保持原系統(tǒng)的運行特性。最后通過MATLAB仿真軟件對本文方法進行驗證。

1 容錯逆變器結(jié)構(gòu)及其工作原理［5］

1.1 逆變器結(jié)構(gòu)

圖1(a)為本文研究的容錯逆變器本體結(jié)構(gòu)，由六個功率開關管(S1、S2、S3、S4、S5、S6)、4 個雙向晶閘管(TRa、TRb、TRc、TRn)、3 個快速熔斷絲(Fa、Fb、Fc)、兩個“劈相”電容(C1、C2)組成。其中S1 和S2構(gòu)成A相橋臂，S3和S4構(gòu)成B相橋臂，S5和S6構(gòu)成C相橋臂。

圖1 容錯逆變器容錯前和容錯后的拓撲結(jié)構(gòu)

容錯逆變器如圖1(a)所示，在正常工作期間，六個功率開關正常工作，與電機繞組相連接的四個雙向晶閘管處于關斷狀態(tài)。在電機正常運行狀態(tài)中，其定子電壓矢量可以表示:

在逆變器發(fā)生故障時，容錯控制策略由實時故障檢測結(jié)果進行故障診斷，然后根據(jù)故障診斷結(jié)果進行相應的故障容錯處理。逆變器側(cè)故障主要包括逆變器開關器件短路和開路故障。例如當逆變器C相橋臂短路或開路時，容錯控制策略由檢測和診斷結(jié)果迅速隔離逆變器故障相(C相)橋臂，逆變器以四開關狀態(tài)運行，故障相定子繞組切換到電容中點。此時，過大的電流將熔斷絲Fc燒斷，容錯控制發(fā)出指令，停止故障相兩個開關的觸發(fā)信號同時發(fā)出導通晶閘管TRc的觸發(fā)信號。逆變器A相和B相橋臂故障處理與以上分析相似。由此，在逆變器某個開關故障下，系統(tǒng)具有正常工作的能力。其中，雙向晶閘管TRn主要用于電機側(cè)繞組故障處理，考慮在實際應用中逆變器側(cè)故障較為頻繁，本文對電機側(cè)故障不作討論。

1.2 容錯后的四開關三相逆變器

容錯逆變器不同相橋臂分別發(fā)生故障后，經(jīng)容錯策略驅(qū)動，逆變器轉(zhuǎn)換為容錯后的四開關三相逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。圖1(b)為C相橋臂故障后的新逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。A相、B相和C相橋臂容錯后的逆變器電壓矢量方程分別:

逆變器A相、B相和C相橋臂分別故障后，容錯后的逆變器電壓矢量如表2所示。

表2 逆變器在三種容錯方式下的電壓矢量

正常逆變器和三種容錯方式下的逆變器的電壓矢量在定子靜止坐標系αβ下的空間分布如圖2所示。

圖2 正常逆變器和三種容錯方式下的逆變器的四個電壓矢量空間分布

由圖2可以知道，在逆變器正常工作狀態(tài)下，逆變器發(fā)出八個常規(guī)電壓矢量，其中包含兩個零矢量，其它六個矢量在空間平面上呈60°對稱分布。當逆變器故障后，不同相的故障后發(fā)出的電壓矢量分布是不同的，四個不同幅值的電壓矢量在空間平面呈90°對稱分布。四開關逆變器調(diào)制出的最大電壓幅值為正常逆變器的一半。

2 容錯控制方案

由以上分析知道，當容錯逆變器發(fā)生故障時，逆變器拓撲結(jié)構(gòu)由六開關三相結(jié)構(gòu)切換到四開關三相結(jié)構(gòu)，電機仍然具有持續(xù)工作的能力。當逆變器C相開關故障前和故障后，電機三相定子繞組的C相電流可以表示:

由式(5)可以知道，只要同時控制住A相和B相定子電流，C相定子電流就可以得到有效控制。這樣，當容錯逆變器C相橋臂故障時就可以實現(xiàn)對電機三相定子電流的有效控制。對于容錯逆變器A相和B相容錯的分析與以上分析相同。綜上所述，對于容錯逆變器下的永磁電機矢量控制，當任意一相逆變器開關故障時，控制其它兩相電流并切換逆變器拓撲結(jié)構(gòu)仍然可以實現(xiàn)電機的三相繞組持續(xù)工作能力。

圖3為提出的容錯逆變器下的永磁同步電動機矢量控制方案結(jié)構(gòu)框圖?？刂品桨覆捎脜⒖贾陛S電流=0的速度和電流雙閉環(huán)控制方式。系統(tǒng)基本控制結(jié)構(gòu)和常規(guī)的永磁同步電動機矢量控制相同，不同之處在于系統(tǒng)采用了容錯逆變器和相應的容錯策略。系統(tǒng)主要有PI轉(zhuǎn)速控制器、dq/abc坐標變換、滯環(huán)電流控制器等，參考交軸電流()可以通過轉(zhuǎn)速PI控制器得到。

圖3 控制方案結(jié)構(gòu)框圖

3 仿真結(jié)果

為了驗證所提出的控制策略，本文在MATLAB中進行了仿真研究。仿真中使用的電機參數(shù)如表3所示。圖4(a)為逆變器在正常運行狀態(tài)和三種故障狀態(tài)下的電壓矢量軌跡。在正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)工作于六開關逆變器模式，在故障狀態(tài)下，系統(tǒng)工作于四開關運行模式，輸出的電壓矢量幅值減小。而且，不同故障下的逆變器輸出電壓空間矢量軌跡是不同的，它們的軌跡空間分布和前文中的理論分析一致。圖4(b)為逆變器C相橋臂在0.2 s時發(fā)生故障時的系統(tǒng)瞬態(tài)響應。在0～0.2 s，系統(tǒng)工作在常規(guī)的六開關逆變器供電模式，在0.2 s以后，逆變器C相橋臂開關管發(fā)生故障，整個C相橋臂退出運行。此時，C相繞組連接至劈相電容中點，A和B相橋臂開關聯(lián)合兩個劈相電容進入四開關容錯工作模式。逆變器輸出電壓幅值下降，但電機轉(zhuǎn)速保持不變。系統(tǒng)仍然保持正常運行。圖4(c)、圖4(d)為逆變器分別為A相和B相橋臂在0.2 s時發(fā)生故障時的系統(tǒng)電流瞬態(tài)響應。

表3 永磁同步電動機參數(shù)表

由圖4可以知道，所提出的容錯逆變器驅(qū)動的PMSM電機策略，可以有效實現(xiàn)PMSM電流控制策略中逆變器開關故障狀態(tài)下的可持續(xù)運行。仿真結(jié)果符合理論分析。當系統(tǒng)進入容錯模式下運行后，系統(tǒng)僅由控制非故障相的兩相電流來實現(xiàn)持續(xù)控制，由于逆變器發(fā)出的電壓控制矢量峰值降為原來的一半，逆變器的輸出功率和電機所能實現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)速都會將降低。雖然系統(tǒng)的性能指標降低，但是保證了系統(tǒng)的可持續(xù)運行能力，這對系統(tǒng)性能要求不高的電機控制應用領域，逆變器容錯控制策略仍然具有較大的經(jīng)濟價值和應用前景。

圖4 所提出控制方案仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文研究了一種容錯型逆變器并將該逆變器應用于永磁同步電動機矢量控制中。該策略的提出可以有效解決實際應用中需要保證電機控制系統(tǒng)在逆變器發(fā)生故障時的持續(xù)性運行的問題。其中，分析了容錯逆變器不同容錯方式下的三相四開關逆變器電壓矢量特性，并根據(jù)永磁同步電動機三相電流的控制特性提出了容錯逆變器下的永磁同步電動機控制系統(tǒng)方案。通過對所提出種策略進行的仿真研究，確認了該方案具有優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)特性，是一種具有實用前景的電機控制系統(tǒng)容錯策略。

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