高可靠永磁同步電動機及其控制技術(shù)研究
王建寬，張東寧，錢兒
(中國電子科技集團公司第一十一研究所，上海200233)
摘要：文章以冗余和容錯兩個方而闡述了永磁同步電動機及其控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計技術(shù)，討論了雙余度電機、容錯電機、橫向磁場永磁電機的結(jié)構(gòu)特點及其控制方式，在此基礎(chǔ)匕進一步研究了永磁同步電動機的故障辨識技術(shù)和容錯控制技術(shù)，研究內(nèi)容為今后該技術(shù)的進一步研究打好了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：余度；容錯；橫向磁場；辨識
O引言
近年來，隨著電力電子技術(shù)、電機控制技術(shù)及微處理器技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動機控制技術(shù)正朝著高效率、高性能及智能化方向發(fā)展。在一些特殊領(lǐng)域，如航空航天、武器裝備及電動機車等領(lǐng)域，可靠性是一項重要指標。因此，對高可靠性永磁同步電動機及其控制系統(tǒng)的研究，具有非常重大的理論和現(xiàn)實意義。
可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。在分析總結(jié)國內(nèi)外可靠性技術(shù)的研究成果和****進展，將永磁同步電動機及其控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)歸納為冗余技術(shù)和容錯技術(shù)[1]，冗余技術(shù)是通過增加多重資源來提高可靠性的設(shè)計方法，其代表性研究為雙余度永磁同步電動機及其控制系統(tǒng)。隨著數(shù)字信號處理器及現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，基于參數(shù)辨識技術(shù)的永磁同步電動機容錯控制技術(shù)成為了研究的熱點，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)辨識結(jié)果，檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)，根據(jù)故障情況改變控制方式，實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)，保持系統(tǒng)性能不變。其代表性的永磁同步電動機系統(tǒng)為容錯電動機、多相電動機和橫向磁場永磁電動機等
本文從永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)、控制策略、電路拓撲結(jié)構(gòu)及電動機容錯辨識及容錯控制等方面較系統(tǒng)闡述上述高可靠性永磁同步電動機及其控制系統(tǒng)的工作方式、研究現(xiàn)狀及其存在的問題，以期推動我國在該領(lǐng)域的研究。
1雙余度永磁同步電動機控制系統(tǒng)研究
實現(xiàn)余度控制一般有兩種形式：冷備份和熱備份。冷備份是指在正常情況下，只有一個余度正常工作，另一余度不工作，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，立刻切除發(fā)生故障的余度．同時另一余度開始工作；熱備份是指在正常情況下，兩余度同時工作，當(dāng)某一余度出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)切除發(fā)生故障的余度，啟用單余度方式。為了提高系統(tǒng)的利用率，在電機的余度控制系統(tǒng)中一般采用雙余度的熱備份控制方式。國內(nèi)對雙余度永磁電機及其控制系統(tǒng)進的研究主要集中在西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和南京航空航天大學(xué)。
1.1雙余度永磁同步電動機基本結(jié)構(gòu)
根據(jù)雙余度永磁同步電機在結(jié)構(gòu)上的不同，可分為兩種類型：并聯(lián)結(jié)構(gòu)型和串聯(lián)結(jié)構(gòu)型[2]。
串聯(lián)結(jié)構(gòu)型永磁同步電動機是由兩個獨立的永磁電機同軸同殼安裝，如圖l所示，它有兩套獨立的繞組，兩個分開的轉(zhuǎn)予及兩套位置傳感器，但具有共同的電機軸。在該結(jié)構(gòu)中，幾乎不存在兩套繞組問的磁耦合現(xiàn)象，控制簡單；但其實際上是由兩臺電機串聯(lián)組成的，因此體積較大；同時一個電機發(fā)生故障時，該電機會成為另一臺電機的負載，從而使得電機的機電時間常數(shù)變大，動態(tài)特性降低。
并聯(lián)雙余度結(jié)構(gòu)只有一套定轉(zhuǎn)子，定子鐵心上隔槽嵌放著兩套獨立的電樞繞組及相應(yīng)的兩套位置傳感器，共用電機軸及定轉(zhuǎn)子，雙套繞組是由兩套空間相差30。電角度的三相集中繞組構(gòu)成，采用雙Y形接法，形成并聯(lián)式雙余度結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。與串聯(lián)式雙余度結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)減小了系統(tǒng)的體積，但電機繞組嵌放網(wǎng)難．并且兩套繞組間存在磁耦合，因此控制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
1．2雙余度永磁同步電動機控制系統(tǒng)技術(shù)
圖3為一種雙余度永磁同步電動機控制方案。該系統(tǒng)具有兩套驅(qū)動器、兩套位置傳感器、兩套CPU控制器，兩個CPU通過相互之間通訊。雙余度工作時，CPU處于主從備份工作模式，一個CPU控制兩個驅(qū)動器，當(dāng)CPU發(fā)生故障時，另一個CPU接管故障CPU的任務(wù)，這種工作方式避免了兩個cPu控制的同步性問題；正常工作時，兩套繞組或兩臺電機同時工作，當(dāng)某一套繞組或一臺電機發(fā)生故障時，系統(tǒng)可從雙余度工作模式轉(zhuǎn)為單通道工作模式；
當(dāng)某一套驅(qū)動器發(fā)生故障時，系統(tǒng)同樣從雙余度工作模式轉(zhuǎn)為單通道工作模式，從以上分析可知，該控制方案從結(jié)構(gòu)上解決了永磁同步電動機的完全雙余度控制。
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