一種新型低耦合雙余度PMSM的設(shè)計(jì)及仿真分析

周廣偉，李聲晉，盧 剛，周奇勛，周 勇

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0引 言

隨著稀土永磁材料和電機(jī)理論的進(jìn)一步發(fā)展，永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱 PMSM)以其高磁能積(BH)、高矯頑力(Hc)和大剩磁密度(Br)而被廣泛應(yīng)用于對(duì)系統(tǒng)可靠性要求較高的航空、航天領(lǐng)域［1-2］。尤其是在飛機(jī)電動(dòng)舵機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制等重要、復(fù)雜且不允許停機(jī)運(yùn)行的伺服系統(tǒng)中，其可靠性設(shè)計(jì)至關(guān)重要［3］。為提高飛控系統(tǒng)的可靠性，一般均采用包括并聯(lián)和串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式的雙余度配置方式。其中，串聯(lián)結(jié)構(gòu)雙余度PMSM是將兩套獨(dú)立的定子和轉(zhuǎn)子共軸安裝，其體積和重量較大，余度間難以協(xié)調(diào)控制;并聯(lián)結(jié)構(gòu)雙余度PMSM雖然解決了體積和重量偏大的問(wèn)題，但其雙繞組間存在的互感影響，增加了系統(tǒng)參數(shù)變化的不確定性［4］。因此本文在基于槽號(hào)相位圖和單套繞組設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型低耦合并聯(lián)結(jié)構(gòu)雙余度PMSM的設(shè)計(jì)方案，從而減小雙繞組間互感的影響，降低兩套繞組間的耦合度，提高PMSM的控制性能。

1低耦合雙余度PMSM雙繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)并聯(lián)結(jié)構(gòu)雙余度PMSM的兩套繞組隔槽嵌放于電機(jī)的定子槽內(nèi)，兩繞組在空間上的交叉重疊將產(chǎn)生較大的互感，嚴(yán)重影響電機(jī)的控制性能［5］。為減小雙繞組間互感的影響，本文設(shè)計(jì)了一種新的繞組空間分布結(jié)構(gòu)，將原本重疊嵌放的兩套繞組分開(kāi)，分別嵌放在電樞鐵心的上、下半周槽內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，1號(hào)繞組分布在PMSM電樞鐵心的上半圓周(圖中的1～12槽)，2號(hào)繞組分布在電樞鐵心的下半圓周(圖中的13～24槽)，兩繞組在空間相互隔離，減小了互感的影響。

圖1 新型雙繞組分布結(jié)構(gòu)示意圖

雙繞組PMSM包括并行/主動(dòng)和工作/備份兩種典型的余度模式。其中，并行/主動(dòng)模式因其在故障狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)故障的無(wú)縫切換，因而更適合于舵面、襟翼等瞬時(shí)負(fù)載重、實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合［6-7］。本文所設(shè)計(jì)的是機(jī)載電動(dòng)靜液作動(dòng)器(Electro-Hydrostatic Actuator，以下簡(jiǎn)稱EHA)用低耦合雙余度PMSM，因此，采用并行/主動(dòng)余度工作模式。圖2～圖3分別是1號(hào)和2號(hào)單層疊繞組的嵌放示意圖，正常情況下兩余度同時(shí)工作(即雙余度工作模式)，等額分擔(dān)負(fù)載。當(dāng)某余度出現(xiàn)故障后，此余度將被切除，負(fù)載將由另一余度單獨(dú)承擔(dān)(即單余度工作模式)。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的新型低耦合雙余度PMSM的性能，利用電磁有限元分析軟件Ansoft12對(duì)其雙余度和單余度兩種工作模式進(jìn)行仿真分析。

2低耦合雙余度PMSM的主要性能分析

根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的新型低耦合雙余度PMSM的雙繞組分布結(jié)構(gòu)及其連接方式，利用Ansoft 12的RMxprt模塊對(duì)其主要性能進(jìn)行仿真分析，電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 低耦合雙余度PMSM的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 雙余度工作模式下PMSM的效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

將表中數(shù)據(jù)錄入到RMxprt模塊，分別對(duì)其雙余度工作模式和單余度工作模式的效率/轉(zhuǎn)速和母線電流/轉(zhuǎn)速的關(guān)系進(jìn)行分析，相應(yīng)的特性曲線如圖4、5所示。由圖4、圖5可知，雙余度工作模式下PMSM的額定轉(zhuǎn)速為8 256r/min，其所對(duì)應(yīng)的效率為82．78%，完全滿足機(jī)載EHA的額定性能要求;單余度工作模式下電機(jī)的總損耗減少，效率高達(dá)86．12%，但其額定轉(zhuǎn)速明顯下降，6 743 r/min的額定轉(zhuǎn)速雖會(huì)導(dǎo)致機(jī)載EHA的頻響性能略有下降，但仍滿足機(jī)載EHA的降額限制要求。正常情況下PMSM工作在雙余度工作模式，由圖6～圖7可知，其每套繞組的工作電流遠(yuǎn)小于單余度工作模式下繞組的母線電流，相當(dāng)于每套繞組工作于輕載狀況，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖5 單余度工作模式下PMSM的效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

圖6 雙余度工作模式下PMSM的母線電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

圖7 單余度工作模式下PMSM的母線電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

3低耦合雙余度PMSM二維瞬態(tài)磁場(chǎng)的有限元分析

電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，磁場(chǎng)、能量、力、功率損耗、速度等物理量都是時(shí)間的函數(shù)［8］，為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的新型低耦合雙余度PMSM空載起動(dòng)性能、負(fù)載起動(dòng)性能和運(yùn)行過(guò)程中的磁路特性是否合理，需對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)分析。采用Maxwell 2D對(duì)PMSM進(jìn)行瞬態(tài)磁場(chǎng)分析時(shí)，需做以下假設(shè):Band為一個(gè)包括永磁磁鋼、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸的集合體;Band以外的物體靜止;Band以內(nèi)的物體只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3．1低耦合雙余度PMSM二維模型的構(gòu)建

雙余度工作模式的PMSM，因其上、下半周余度完全對(duì)稱，為降低Maxwell 2D的運(yùn)算量、減少仿真時(shí)間，采用半圓周作為求解區(qū)域，其二維模型如圖8所示。而單余度工作模式的PMSM，因其上、下半周余度的非對(duì)稱性，對(duì)其瞬態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)，必須采用整個(gè)圓周作為求解區(qū)域，其二維模型如圖9所示。

3．2低耦合雙余度PMSM網(wǎng)格剖分的設(shè)置

網(wǎng)格剖分是有限元求解最為關(guān)鍵的一步，良好的網(wǎng)格剖分可以使得用戶在最小的計(jì)算資源下?lián)碛凶罹_的計(jì)算結(jié)果。Ansoft 12對(duì)求解場(chǎng)域的剖分采用三角形六節(jié)點(diǎn)形式，在場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)或磁場(chǎng)變化較大的區(qū)域，三角形要取得多一些，在其他區(qū)域則可以適當(dāng)取得少一些，從而提高區(qū)域的求解精度和運(yùn)算速度。兩種工作模式下PMSM的網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)據(jù)如表2～表3所示，其網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖10～圖11所示。

表2 雙余度工作模式下PMSM的網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)據(jù)

表3 單余度工作模式下PMSM的網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)據(jù)

3．3低耦合雙余度PMSM邊界條件的確定

單余度工作模式下PMSM以整個(gè)圓周為求解區(qū)域，其邊界條件由第一類邊界條件(定子鐵心外邊界與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)邊界)和第二類邊界條件(電機(jī)單元?jiǎng)澐謺r(shí)所形成的奇、偶對(duì)稱邊界)構(gòu)成。雙余度工作模式下PMSM以半圓周為求解區(qū)域，其邊界條件除第一類和第二類邊界條件外，還須設(shè)置主、從邊界，且滿足Master= -Slave。

3．4低耦合雙余度PMSM激勵(lì)電路的設(shè)計(jì)

低耦合雙余度PMSM定子繞組激勵(lì)電路由兩套完全相同且獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)控制電路構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電路直流母線電壓為270 V，母線電流取則決于三相全控橋功率模塊。根據(jù)電機(jī)的額定功率，并結(jié)合機(jī)載EHA的瞬時(shí)過(guò)載能力及其余量的選取，最終選擇EUPEC的集成三相全控橋 IGBT模塊FSK200R06KE3，該模塊在80℃時(shí)可承受的最高母線電壓為600 V，允許通過(guò)的最大電流為200 A，滿足機(jī)載EHA的控制性能要求。利用Ansoft 12自帶的Maxwell Circuit Editor模塊設(shè)計(jì)的單套繞組電流斬波控制電路如圖12所示。

圖12 單套繞組電流斬波控制電路

3．5負(fù)載起動(dòng)特性分析

雙余度PMSM作為機(jī)載EHA的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，必須具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，但在分析PMSM的負(fù)載起動(dòng)性能時(shí)，如果對(duì)輸入電流不加控制，勢(shì)必造成起動(dòng)瞬間出現(xiàn)過(guò)大的起動(dòng)電流，這與實(shí)際情況不符。實(shí)際工作電流由機(jī)載電源提供，為了減小對(duì)電源的沖擊，不影響同一電源下的其它負(fù)載工作，必須對(duì)PMSM輸入電流進(jìn)行限制。本文采用繞組電流斬波控制的方法，斬波電流上限設(shè)置為150 A，并取計(jì)算步長(zhǎng)為2×10-5s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為5 N·m，分別對(duì)雙余度工作模式和單余度工作模式的低耦合雙余度PMSM的額定負(fù)載起動(dòng)特性進(jìn)行分析。

圖13～圖18為雙繞組工作的PMSM起動(dòng)過(guò)程的瞬態(tài)仿真結(jié)果，由圖可知，PMSM在繞組斬波電流150 A的限制條件下，可在0．2 s內(nèi)將5 N·m的負(fù)載拖動(dòng)至8 000 r/min，完全滿足機(jī)載EHA的快響應(yīng)要求，同時(shí)，電流、磁場(chǎng)波形接近正弦波，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小

圖19～圖22為單繞組工作的PMSM起動(dòng)過(guò)程的瞬態(tài)仿真結(jié)果。其中，單繞組工作的PMSM起動(dòng)力矩為雙繞組工作時(shí)的75%以上，滿足機(jī)載EHA的降額限制要求;三相繞組電流不完全對(duì)稱且存在一定的波動(dòng)，但其所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍在合理的可控范圍內(nèi)，此高頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)機(jī)載EHA這種液壓類大慣性負(fù)載的影響較小，完全滿足其基本性能要求。

3．6鐵心磁飽和特性分析

雙余度工作模式和單余度工作模式下的PMSM的定、轉(zhuǎn)子磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖23～圖26所示。由圖可知，兩種工作模式下PMSM的定、轉(zhuǎn)子鐵心均未達(dá)到磁飽和，在負(fù)載電流允許的情況下，其鐵心損耗在可控范圍內(nèi)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)磁飽和的現(xiàn)象。

圖26 單余度工作模式的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布(0．2 s)

4實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的低耦合雙余度PMSM能否滿足機(jī)載EHA的性能要求，利用為EHA提供負(fù)載的液壓負(fù)載臺(tái)和調(diào)節(jié)EHA負(fù)載大小并實(shí)時(shí)顯示負(fù)載力矩的負(fù)載操作臺(tái)對(duì)其負(fù)載響應(yīng)速度和平穩(wěn)性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)平臺(tái)如圖27所示，施加的負(fù)載額為12 kN，作動(dòng)位移為-40～+40 mm。

圖27 機(jī)載EHA的試驗(yàn)平臺(tái)

圖28～圖30分別為PMSM在雙余度和單余度工作模式下機(jī)載EHA的負(fù)載響應(yīng)速度曲線。由圖可知，雙余度工作模式下作動(dòng)系統(tǒng)從-40 mm位置運(yùn)動(dòng)到+40 mm位置所需時(shí)間為0．672 s，負(fù)載響應(yīng)速度可達(dá)119．1 mm/s，超調(diào)量為0．45%。單余度工作模式下1#余度運(yùn)行時(shí)負(fù)載響應(yīng)速度為114．3 mm/s，超調(diào)量2．88%;2#余度運(yùn)行時(shí)負(fù)載響應(yīng)速度為116．6 mm/s，超調(diào)量2．98%。試驗(yàn)證明，本文所設(shè)計(jì)的新型低耦合雙余度PMSM的兩種工作模式均完全滿足機(jī)載EHA的快響應(yīng)和平穩(wěn)性要求。

圖28 雙余度工作模式下作動(dòng)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

圖29 僅1#余度工作時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

圖30 僅2#余度工作時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

5結(jié) 語(yǔ)

機(jī)載EHA用新型低耦合雙余度PMSM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，繞組間互感較小，在保證系統(tǒng)可靠性的同時(shí)提高了其控制性能，完全滿足機(jī)載EHA的快響應(yīng)和穩(wěn)定性要求。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明，本文所提出的新型低耦合雙余度PMSM的設(shè)計(jì)方法合理、可行，具有較高的推廣價(jià)值。

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