永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開路故障診斷及容錯(cuò)控制

高 巖

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchro-nous Motor, PMSM)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因其節(jié)能效果顯著和運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)良而廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、航空、軍事等領(lǐng)域。但是由于系統(tǒng)控制的復(fù)雜性和運(yùn)行工況的復(fù)雜多變,實(shí)現(xiàn)SVPWM控制策略的逆變器易出現(xiàn)故障[1-2]。一旦逆變器發(fā)生故障，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將喪失正常工作能力，在一般場(chǎng)合會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失，而在航空、軍事、新能源汽車等重要場(chǎng)合將可能造成災(zāi)難性事故。因此，研究PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障快速診斷及其容錯(cuò)控制具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開路故障可由下述原因引起： 開關(guān)功率器件無驅(qū)動(dòng)信號(hào)、開關(guān)功率器件斷路、逆變器與PMSM連接線路斷路或電機(jī)繞組開路。針對(duì)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開路故障診斷方法已有多篇文獻(xiàn)涉及，如基于擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)、遞推最小二乘算法或頻譜分析等開路故障檢測(cè)方法[3-7]，以上算法計(jì)算都較復(fù)雜，考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用，尚需研究計(jì)算簡(jiǎn)單，且在存在測(cè)量誤差時(shí)亦可快速進(jìn)行開路故障檢測(cè)、定位及隔離故障相的開路故障診斷方法。

針對(duì)PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開路故障，本文采用定子電流矢量軌跡斜率，針對(duì)不同相開路時(shí)表征出不同特征值來診斷、定位開路故障相。開路故障的容錯(cuò)方案為首先隔離故障相，并導(dǎo)通第四對(duì)橋臂，使之與星型連接的PMSM中性點(diǎn)引出線相連，采用轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)[8-9，10-19]，實(shí)現(xiàn)開路故障下的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)控制運(yùn)行。

1 PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開路故障診斷

PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí), 電機(jī)三相電流滿足三相之和為零, 將三相電流由abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至靜止αβ坐標(biāo)系下，即

(1)

可得

(2)

定義電流矢量軌跡的斜率為

(3)

式中： 下標(biāo)k、k-1——第k次、第k-1次定子電流采樣值。

當(dāng)a相故障時(shí)電流傳感器出現(xiàn)測(cè)量偏差， 即開路故障時(shí)a相傳感器測(cè)量值不為0，而是ia=iΔ，此時(shí)電流平衡關(guān)系為ia+ib+ic=iΔ，即ib+ic=0，代入式(1)可得

(4)

代入式(3)，仍可得K=0。

由于逆變器輸出諧波的存在，定子電流除了基波電流外，還存在諧波分量，會(huì)導(dǎo)致電流矢量軌跡斜率的波動(dòng)。為了提高檢測(cè)精度，對(duì)定子電流進(jìn)行基波提取，再對(duì)提取的定子電流進(jìn)行矢量軌跡的斜率計(jì)算來準(zhǔn)確判定是否出現(xiàn)開路故障并定位故障相。該自適應(yīng)算法可用式(5)表示[20]：

(5)

式中：I(t),ω(t),Φ(t)——提取信號(hào)的振幅、頻率和相位角。

基波提取根據(jù)模型即圖1獲得。i(t)表示輸入變量,ifund(t)表示基波提取后的輸出變量，e(t)為誤差信號(hào)。通過調(diào)節(jié)圖1中的u1,u2,u3即可調(diào)節(jié)該算法的幅值、頻率和相位角的收斂速度及精確度。其中C為角頻率。

圖1 基波提取的系統(tǒng)框圖

PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開路故障診斷及隔離結(jié)構(gòu)圖如圖2、圖3所示。假設(shè)a相發(fā)生故障, 檢測(cè)和比較控制模塊檢測(cè)出K值為零, 并且判斷出是VT1或VT4不工作或者相繞組斷路, 然后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)控制故障橋臂的開關(guān)ID使其斷開, 將該對(duì)橋臂完全與電源隔離。不管是單相繞組斷路還是一橋臂的開關(guān)器件發(fā)生故障，本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)和比較控制模塊均會(huì)將故障相橋臂與電源系統(tǒng)立即斷開, 使其完全不影響其他橋臂的正常工作。

圖2 PMSM開路故障診斷及容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 PMSM開路故障容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 PMSM系統(tǒng)開路故障的容錯(cuò)控制

當(dāng)PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)開路故障時(shí)，為了維持系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能，需對(duì)其進(jìn)行容錯(cuò)控制。本文介紹的容錯(cuò)控制是通過逆變器硬件冗余實(shí)現(xiàn)，即在逆變器原有的三橋臂上，新增加第四橋臂，且與電機(jī)定子繞組的中性點(diǎn)抽出線相連接實(shí)現(xiàn)開路故障后系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行。假如a相故障，在完成故障相定位和隔離后，繼續(xù)使用a相觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通第四相。

故障后，由于電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行，將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)性能降低。為了獲得與故障前相似的性能，需要研究其容錯(cuò)控制策略，使正常兩相產(chǎn)生與故障前相同的轉(zhuǎn)矩和磁通。但是考慮到故障后電機(jī)由其余兩相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使電機(jī)性能降低，為了克服這種狀況，采用轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，即通過增加電機(jī)參考零序電壓經(jīng)坐標(biāo)變換作為空間矢量調(diào)制的參考[20]。為此，通過補(bǔ)償控制可以獲得與開路故障前一致的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能。

三相電流經(jīng)坐標(biāo)變換得到dq坐標(biāo)系下的定子電流分量id、iq：

(6)

式中：θ——電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度；

i0——零序電流。

不失一般性，假設(shè)出現(xiàn)故障，故障后的電機(jī)不再對(duì)稱運(yùn)行，出現(xiàn)了零序電流，中性線電流為in，流經(jīng)PMSM中性點(diǎn)和逆變器第四橋臂中點(diǎn)，如式(7) 所示：

(7)

式(6)經(jīng)逆變換可得式(8)：

(8)

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，零序電流為零，計(jì)算可得

(9)

(10)

式中:id、iq——dq坐標(biāo)系下的定子電流分量。

但是，由其余兩相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使電機(jī)性能降低。為了克服此問題，通過轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，即采用通過添加零序電壓變換坐標(biāo)變換后的電機(jī)參考電壓用作參考的空間矢量調(diào)制。為了補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，零序電壓是從電機(jī)的方程(11)進(jìn)行分析獲得式(12)：

(11)

U0=ωeLσid+Rsiqsinθ+

ωeLσiq-Rsidcosθ

(12)

式中：Rs——定子電阻；

ωe,λm——轉(zhuǎn)子電角速度和永磁體磁鏈；

Ld,Lq——d,q軸的定子電感；

Lσ——漏感。

3 PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真

基于MATLAB/Simulink軟件，對(duì)PMSM矢量控制系統(tǒng)開路故障檢測(cè)、定位、隔離及容錯(cuò)控制進(jìn)行建模和仿真。電機(jī)參數(shù)如下： 額定速度250rad/s；極對(duì)數(shù)pn=3；定子電阻Rs=2.875Ω；直軸、交軸電感Ld=25.025×10-3H,Lq=40.17×10-3H；磁鏈Ψf=0.305Wb；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=3.6×10-3kg·m2，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同狀態(tài)時(shí)電流矢量軌跡的斜率波形

圖5 基波提取后不同狀態(tài)時(shí)電流矢量軌跡的斜率波形

圖6 不同狀態(tài)時(shí)定子電流動(dòng)態(tài)

圖7 不同狀態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)

圖8 不同狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)

圖9 不同狀態(tài)時(shí)id,q的波形

4 結(jié) 語

為了解決PMSM矢量控制系統(tǒng)中開路故障的診斷及容錯(cuò)問題，對(duì)現(xiàn)有的診斷方法進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，考慮到諧波對(duì)診斷結(jié)果的影響。采用一種新穎的容錯(cuò)控制策略, 即確定故障相后從永磁同步電機(jī)中點(diǎn)引出中性線觸發(fā)導(dǎo)通第四對(duì)橋臂并加入轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)補(bǔ)償進(jìn)行控制,故障發(fā)生前后輸出轉(zhuǎn)矩保持恒定。在上述研究的基礎(chǔ)上，搭建了PMSM矢量控制系統(tǒng)的Simulink模型，系統(tǒng)仿真結(jié)果證實(shí)了方案的可行性。

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