雙定子磁通切換電機(jī)的單相斷路故障分析與容錯控制*

徐天嘯， 全 力， 朱孝勇， 項子旋， 張 超

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

雙定子磁通切換電機(jī)的單相斷路故障分析與容錯控制*

徐天嘯， 全 力， 朱孝勇， 項子旋， 張 超

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

研究了一種新型雙定子磁通切換(DS-FSPM)電機(jī)在單相斷路故障情況下，轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，基于維持磁動勢不變的控制思路，提出了一種適用于DS-FSPM電機(jī)的新型容錯控制策略。該策略充分利用DS-FSPM電機(jī)內(nèi)外電機(jī)可以同時獨立運(yùn)行的特點，通過重新分配內(nèi)外電機(jī)工作電流，避免了未故障相繞組工作電流發(fā)生擾動，從而保證了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定。最終通過仿真分析證明了該容錯控制策略的有效性。

雙定子磁通切換電機(jī)； 轉(zhuǎn)矩脈動； 故障分析； 容錯控制

0 引 言

雙定子永磁電機(jī)由于具有高功率密度、高效率和豐富的運(yùn)行模式等優(yōu)點，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視[1-5]。從結(jié)構(gòu)的角度，雙定子永磁電機(jī)可以被認(rèn)為是由兩臺獨立的永磁電機(jī)級聯(lián)為一體，并且通過共用的轉(zhuǎn)子部件大大提高了電機(jī)內(nèi)部的空間利用率。因此，該類電機(jī)具有兩個獨立的電氣端口和一個機(jī)械端口，由此為電機(jī)運(yùn)行過程中的多模式能量轉(zhuǎn)換提供了較高的自由度，使其在風(fēng)力發(fā)電、電動汽車、混合動力汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

近年來，隨著應(yīng)用場合對電力驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行的要求日益提高，大力改善驅(qū)動電機(jī)的可靠性成為了目前既熱門而又極具現(xiàn)實意義的研究方向之一。容錯特性作為提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的有效途徑之一，引起了電機(jī)研究領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)學(xué)者的廣泛興趣和關(guān)注[6-7]。目前針對電機(jī)容錯特性方面的研究主要分為兩個方面： 本體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略。從本體結(jié)構(gòu)的角度而言，具有良好容錯運(yùn)行特性的典型代表為開關(guān)磁阻電機(jī)。然而，由于該類電機(jī)受限于相對較低的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，因而應(yīng)用場合較為單一。為了進(jìn)一步提高功率密度，提出了轉(zhuǎn)子永磁式和定子永磁式容錯電機(jī)。該類電機(jī)不僅傳承了較好的容錯性能，而且具有相對較高的功率密度[8-10]。從控制的角度而言，文獻(xiàn)[11-12]提出了最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制策略，在實現(xiàn)容錯的前提下可以使電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩和恒功率區(qū)，但是要經(jīng)過復(fù)雜的迭代計算才能實現(xiàn)控制目標(biāo)。文獻(xiàn)[13-14]利用磁鏈、電流與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系表格提出通過查表的方式進(jìn)行故障辨識及容錯控制，但是對于故障后的轉(zhuǎn)矩脈動沒有獲得有效的抑制。總而言之，無論是本體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的容錯特性改善，還是容錯控制策略的深入研究，多數(shù)均以傳統(tǒng)的單定子單轉(zhuǎn)子電機(jī)作為主要的研究對象。然而，雙定子永磁電機(jī)由于具有兩套獨立的電氣端口，較好的容錯性能成為了該類電機(jī)的固有特性。因此，結(jié)合上述優(yōu)點，研究新型雙定子永磁電機(jī)的容錯控制策略成為了目前該領(lǐng)域的研究重點[13-20]。

本文在一種雙定子磁通切換(Dual-stator Flux-Switching Permanent Magnet, DS-FSPM)電機(jī)的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的新型容錯控制策略。該控制算法充分利用雙定子電機(jī)內(nèi)外電機(jī)相互可以獨立運(yùn)行的特點，使得電機(jī)某一相發(fā)生斷路故障時，電機(jī)輸出性能不變。并且，在分析電機(jī)斷路故障的情況下，探究了轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的機(jī)理，通過采用內(nèi)外電機(jī)繞組電流重新分配的方法進(jìn)行容錯控制，不僅降低了控制算法的復(fù)雜度，而且能有效抑制故障時的轉(zhuǎn)矩脈動。最后，通過對一臺DS-FSPM電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，證明了該控制策略的有效性及可行性。

1 DS-FSPM電機(jī)

雙定子電機(jī)按機(jī)械結(jié)構(gòu)分為同心結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)。同心結(jié)構(gòu)即兩個定子徑向安裝，安裝圓心在同一個點；并行結(jié)構(gòu)即兩個定子軸向安裝，安裝圓心在同一根直線上。同心圓結(jié)構(gòu)的雙定子電機(jī)有功率密度高、轉(zhuǎn)矩密度高的特點，電機(jī)的體積得到了充分的利用。雙定子電機(jī)按磁路結(jié)構(gòu)又可分為串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)。磁路串聯(lián)時，內(nèi)外定子磁鏈?zhǔn)且粋€整體，各相反電勢相差60°；磁路并聯(lián)時，內(nèi)外定子磁鏈?zhǔn)仟毩⑦\(yùn)行的，互相不影響，并且內(nèi)外電機(jī)的反電動勢不是在空間上60°均等劃分，而是對應(yīng)相的反電動勢相位差為0°。并聯(lián)式磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī)能夠允許內(nèi)外定子相互獨立工作，容錯性能好。

本文中DS-FSPM電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)為同心結(jié)構(gòu)，磁路結(jié)構(gòu)為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。電機(jī)內(nèi)、外定子公用一個轉(zhuǎn)子，電機(jī)定轉(zhuǎn)子齒配比設(shè)計為12/22/12，即定子極對數(shù)ps=12，轉(zhuǎn)子極對數(shù)pr=22。內(nèi)、外定子采用集中式繞組，永磁體分別嵌于各個定子齒中間，且轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，結(jié)構(gòu)簡單。

圖1 DS-FSPM電機(jī)截面圖

2 故障態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動分析

根據(jù)功率守恒原則，忽略電機(jī)損耗，DS-FSPM電機(jī)內(nèi)定子正常相繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

(1)

式中：Tpm_i——內(nèi)定子某相繞組對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；

prΨmIm——內(nèi)電機(jī)每相繞組反電動勢幅值；

pr——電機(jī)的極對數(shù)；

ψm——內(nèi)電機(jī)永磁體耦合到電樞繞組的磁鏈最大值；

Im——內(nèi)電機(jī)每相繞組電流幅值；

β——內(nèi)電機(jī)電流滯后角。

可以看出，式(1)由恒定量及交變量組成，恒定量決定了DS-FSPM電機(jī)的內(nèi)電機(jī)通過該相繞組所能輸出的平均轉(zhuǎn)矩；交變量決定了DS-FSPM電機(jī)的內(nèi)電機(jī)通過該相繞組輸出的脈動轉(zhuǎn)矩。內(nèi)電機(jī)正常運(yùn)行時，各自的三相繞組處于對稱狀態(tài)，輸出的交變量合成時可相互抵消，理論上不存在脈動轉(zhuǎn)矩。在斷路故障狀態(tài)時，系統(tǒng)處于非對稱狀態(tài)，交變量不能完全相互抵消，故產(chǎn)生了缺相脈動轉(zhuǎn)矩。若取β=0，根據(jù)式(1)，DS-FSPM電機(jī)內(nèi)電機(jī)各相繞組的輸出脈動轉(zhuǎn)矩可表示為

(2)

為了方便分析故障狀態(tài)下的脈動轉(zhuǎn)矩，將式(2)表示成單位向量形式：

(3)

由于DS-FSPM電機(jī)的內(nèi)電機(jī)和外電機(jī)定子各相是一一對應(yīng)的，而且兩個定子上測得的反電動勢相位是一樣的，所以內(nèi)、外定子對轉(zhuǎn)子的脈動轉(zhuǎn)矩方程是相同的，只是在兩個不同的坐標(biāo)系里面。因此外定子對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩方程可表示為

(4)

同理，外電機(jī)脈動轉(zhuǎn)矩表示為單位向量形式為

(5)

三相繞組正常狀態(tài)下的脈動轉(zhuǎn)矩向量如圖2(a)所示，因為三相繞組通電保持對稱，所以脈動轉(zhuǎn)矩可以相互抵銷。

假設(shè)內(nèi)電機(jī)某相發(fā)生斷路故障時，此時內(nèi)電機(jī)的脈動轉(zhuǎn)矩向量圖如圖2(b)所示，設(shè)圖2中單相轉(zhuǎn)矩的幅值為Tm，則單相斷路故障的轉(zhuǎn)矩脈動幅值也為Tm。

圖2 三相繞組的轉(zhuǎn)矩脈動相量圖

通過以上分析可知，電機(jī)在故障狀態(tài)下運(yùn)行會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，從而影響電機(jī)的驅(qū)動性能，因而需要一種容錯策略來保證電機(jī)在發(fā)生上述故障狀態(tài)下，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動最小化輸出，實現(xiàn)容錯運(yùn)行。

3 容錯控制策略

由上述故障狀態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動分析可知，在確定的故障狀態(tài)下，缺相產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩相量幅值及相角都是確定的，因此，若能夠補(bǔ)償這確定的脈動轉(zhuǎn)矩，并且能夠保證故障時輸出轉(zhuǎn)矩不變，電機(jī)控制系統(tǒng)就可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動最小化的容錯控制。

本電機(jī)為雙凸極電機(jī)，電機(jī)本身有磁阻轉(zhuǎn)矩大的特性，為了使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，采用矢量控制中的id=0控制算法，理論上磁阻轉(zhuǎn)矩為0。通過式(6)可以得到平均電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電流iq的關(guān)系，因為如果確保輸出轉(zhuǎn)矩不變，則iq的值也能夠確定，進(jìn)而內(nèi)外電機(jī)通過磁動勢不變、坐標(biāo)變換得到未故障相的給定電流：

(Ld內(nèi)-Lq內(nèi))id內(nèi)iq內(nèi)]

(Ld外-Lq外)id外iq外]

(6)

將id=0代入式(6)得永磁轉(zhuǎn)矩分量Tpm為

(7)

從式(7)可知，電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩正比于iq內(nèi)與iq外之和。當(dāng)電機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行時，輸出轉(zhuǎn)矩不變，通過不斷對各相電流進(jìn)行控制，可得iq內(nèi)+iq外是一個固定的常數(shù)，id內(nèi)+id外為0。又因為內(nèi)外電機(jī)的電氣特性相同，所以，iq內(nèi)=iq外=iq*，iq*為內(nèi)外電機(jī)交軸電流的給定量，id內(nèi)=id外=0。

圖3 電機(jī)一相斷路電流矢量圖

圖4 內(nèi)電機(jī)一相斷路容錯電流矢量圖

在得到故障狀態(tài)下內(nèi)外電機(jī)的交直軸電流后，外電機(jī)繼續(xù)正常的矢量控制，而對于內(nèi)電機(jī)，采用磁動勢不變的坐標(biāo)變換，得到未故障相的給定電流，具體變換方式如下。正常狀態(tài)下，三相電流方程為

(8)

旋轉(zhuǎn)磁動勢為三相磁動勢之和，即：

MMF= MMFa+MMFb+MMFc=

Nia+αNib+α2Nic

(9)

式中：N——每相匝數(shù)；α=1∠120°。 結(jié)合式(8)和式(9)得

(10)

當(dāng)內(nèi)電機(jī)a相開路時，有：

(11)

令式(10)和式(11)相等，則有：

(12)

令

(13)

則a相斷路下的變換矩陣D為

(14)

式(12)～式(14)即為DS-FSPM電機(jī)內(nèi)電機(jī)單相開路電流分配方案。

4 仿真分析

4.1 仿真模型

為了驗證本文所提出的用于DS-FSPM電機(jī)容錯控制策略的有效性，利用MATLAB仿真軟件建立了DS-FSPM電機(jī)的本體模型以及控制系統(tǒng)模型?？刂瓶驁D如圖5所示。

圖5 容錯控制系統(tǒng)框圖

圖5中故障診斷模塊用于實時監(jiān)測電機(jī)繞組各相電流。當(dāng)電機(jī)某相繞組出現(xiàn)斷路的情況時，控制系統(tǒng)做出故障判斷，確認(rèn)故障之后，再根據(jù)上述容錯控制策略給出未故障相的最優(yōu)電流。為了保證發(fā)生故障后剩余正常相的逆變電路不受影響，采用各相繞組獨立控制的H橋逆變電路，以實現(xiàn)DS-FSPM電機(jī)的各相繞組電流可以獨立控制。通過上文所述，本文所提出的容錯控制策略能夠準(zhǔn)確計算出每一相繞組的給定電流，控制系統(tǒng)據(jù)此通過電流滯環(huán)的方法控制H橋逆變電路，最終實現(xiàn)雙定子電機(jī)的容錯運(yùn)行。

4.2 斷路故障仿真分析

在此仿真模型中，給定轉(zhuǎn)速為700r/min，轉(zhuǎn)矩為20N·m，假設(shè)當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時，內(nèi)電機(jī)a相在0.04s時突然出現(xiàn)斷路故障，利用仿真模型對該容錯系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證。若沒有采用容錯策略控制，單靠PI調(diào)節(jié)，內(nèi)外電機(jī)的繞組電流波形以及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速如圖6所示。

圖6 單相斷路故障狀態(tài)仿真波形

由圖6可見，在沒有任何容錯控制策略的情況下，一旦出現(xiàn)單相斷路故障，電機(jī)控制系統(tǒng)為了最大可能地保證輸出性能不變，在PI調(diào)節(jié)的作用下，DS-FSPM電機(jī)的內(nèi)外電機(jī)繞組電流幅值會出現(xiàn)嚴(yán)重不對稱，從正常運(yùn)行狀態(tài)下的均是4A變成了4A到6A不等的雜亂電流，從而導(dǎo)致電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都出現(xiàn)較大脈動，進(jìn)而嚴(yán)重影響電機(jī)的輸出性能。

如若采用本文的容錯控制策略，內(nèi)外電機(jī)的繞組電流波形、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速如圖7所示。

對比圖6和圖7可以看出，憑借一個PI調(diào)節(jié)器，該容錯策略能夠保證電機(jī)從正常狀態(tài)到故障狀態(tài)的平滑過渡，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩基本不變。內(nèi)電機(jī)繞組電流在經(jīng)過等效磁動勢坐標(biāo)變換后，相位差不再是對稱的120°，而是60°，電流幅值由正常狀態(tài)下的4A變?yōu)?A，并保持穩(wěn)定。外電機(jī)由于沒有故障相，因此繞組電流的相位差依舊保持對稱的120°，只是幅值由于各相電流的重新分配變成了5A，并保持穩(wěn)定，從而有效保證了電機(jī)的容錯運(yùn)行。

圖7 單相斷路容錯運(yùn)行仿真波形

5 結(jié) 語

本文在一種新型的雙定子磁通切換電機(jī)的基礎(chǔ)上提出了單相斷路故障的容錯策略。首先用向量法分析了該電機(jī)發(fā)生單相斷路故障時的轉(zhuǎn)矩脈動，并且對不加容錯策略的故障情況進(jìn)行了理論分析。然后結(jié)合DS-FSPM電機(jī)內(nèi)外電機(jī)可以分別獨立運(yùn)行的特點，運(yùn)用磁動勢不變的坐標(biāo)變換，重新分配未故障相的電流，實現(xiàn)容錯控制。最后仿真結(jié)果表明，該控制策略可以保證DS-FSPM電機(jī)在容錯運(yùn)行時，輸出轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩值不變，且內(nèi)外電機(jī)繞組電流分配合理。

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Fault-Tolerant Control of Dual-Stator Flux-Switching Permanent Magnet Motor with Single-Phase Fault*

XUTianxiao，QUANLi,ZHUXiaoyong,XIANGZixuan,ZHANGChao

(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University， Zhenjiang 212013, China)

Proposed a fault-tolerant control strategy based on a new dual-stator flux-switching permanent magnet(DS-FSPM)Motor and analyzed the torque ripple when one stator phase failure occurs. This strategy could keep the output speed and torque constant by redistributing the current of the inner and outer motor and maintaining the magnetic motive force invariant. Due to that the inner and outer motor of the DS-FSPM motor could be operated independently, the current of regular phases could maintain symmetrical and stable by using this control method. Simulation results proved the effectiveness of the method.

dual-stator flux-switching permanent magnet motor; torque ripple; fault analysis; fault tolerant control

國家自然科學(xué)基金項目(51377073)

徐天嘯(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為磁通切換電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)。 全 力(1963—)，男，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向為特種電機(jī)及其控制系統(tǒng)和汽車的電氣控制技術(shù)。 朱孝勇(1975—)，男，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向為電動汽車驅(qū)動控制技術(shù)，新型電機(jī)設(shè)計與控制等。

TM 307+.3

A

1673-6540(2016)07-0067-06

2016-01-26