高可靠永磁同步電動機及其控制技術研究
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的可靠性設計技術，討論了雙余度電機、容錯電機、橫向磁場永磁電機的結構特點及其控制方式，在此基礎匕進一步研究了永磁同步電動機的故障辨識技術和容錯控制技術，研究內容為今后該技術的進一步研究打好了基礎。
關鍵詞：余度；容錯；橫向磁場；辨識
O引言
近年來，隨著電力電子技術、電機控制技術及微處理器技術的發展，永磁同步電動機控制技術正朝著高效率、高性能及智能化方向發展。在一些特殊領域，如航空航天、武器裝備及電動機車等領域，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的研究，具有非常重大的理論和現實意義。
可靠性是指產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力。在分析總結國內外可靠性技術的研究成果和****進展，將永磁同步電動機及其控制系統可靠性技術歸納為冗余技術和容錯技術[1]，冗余技術是通過增加多重資源來提高可靠性的設計方法，其代表性研究為雙余度永磁同步電動機及其控制系統。隨著數字信號處理器及現代控制技術的發展，基于參數辨識技術的永磁同步電動機容錯控制技術成為了研究的熱點，系統根據參數辨識結果，檢測系統運行狀態，根據故障情況改變控制方式，實現系統重構，保持系統性能不變。其代表性的永磁同步電動機系統為容錯電動機、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構、控制策略、電路拓撲結構及電動機容錯辨識及容錯控制等方面較系統闡述上述高可靠性永磁同步電動機及其控制系統的工作方式、研究現狀及其存在的問題，以期推動我國在該領域的研究。
1雙余度永磁同步電動機控制系統研究
實現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，當系統出現故障時，立刻切除發生故障的余度．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，當某一余度出現故障時，系統切除發生故障的余度，啟用單余度方式。為了提高系統的利用率，在電機的余度控制系統中一般采用雙余度的熱備份控制方式。國內對雙余度永磁電機及其控制系統進的研究主要集中在西北工業大學、北京航空航天大學和南京航空航天大學。
1.1雙余度永磁同步電動機基本結構
根據雙余度永磁同步電機在結構上的不同，可分為兩種類型：并聯結構型和串聯結構型[2]。
串聯結構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，兩個分開的轉予及兩套位置傳感器，但具有共同的電機軸。在該結構中，幾乎不存在兩套繞組問的磁耦合現象，控制簡單；但其實際上是由兩臺電機串聯組成的，因此體積較大；同時一個電機發生故障時，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變大，動態特性降低。
并聯雙余度結構只有一套定轉子，定子鐵心上隔槽嵌放著兩套獨立的電樞繞組及相應的兩套位置傳感器，共用電機軸及定轉子，雙套繞組是由兩套空間相差30。電角度的三相集中繞組構成，采用雙Y形接法，形成并聯式雙余度結構。其結構示意圖如圖2所示。與串聯式雙余度結構相比，并聯式結構減小了系統的體積，但電機繞組嵌放網難．并且兩套繞組間存在磁耦合，因此控制結構較復雜。
1．2雙余度永磁同步電動機控制系統技術
圖3為一種雙余度永磁同步電動機控制方案。該系統具有兩套驅動器、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控制兩個驅動器，當CPU發生故障時，另一個CPU接管故障CPU的任務，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，當某一套繞組或一臺電機發生故障時，系統可從雙余度工作模式轉為單通道工作模式；
當某一套驅動器發生故障時，系統同樣從雙余度工作模式轉為單通道工作模式，從以上分析可知，該控制方案從結構上解決了永磁同步電動機的完全雙余度控制。
故障檢測電路是余度控制的重要內容，監控的故障包括電機繞組故障、驅動器故障、位置傳感器故障、cPu故障等。
2 容錯永磁同步電動機及其控制技術研究
雙余度電機繞組短路時，由于電機沒有磁隔離和熱隔離能力，因此短路繞組產生的磁鏈和熱量會耦合到另一套繞組中，從而降低電機的運行性能，甚至會導致電機無法正常工作。針對雙余度電機控制技術的弊端，國內外開展了關于非備份永磁同步電動機容錯技術研究，該技術的特點是電機采用一套繞組和一套控制器，當某一相出現故障時，通過控制剩余各相電流的幅值和相位，保持系統正常運行，從而具備強容錯能力，提高系統的可靠性[3]。
2．1容錯永磁同步電機結構容錯永磁同步電機定子繞組通常采用多相的結構，與單相和三相電機相較，多相的容錯永磁電機具有轉矩脈動小，系統動靜態特性好，供電受限時，可實現單管大容量等[4]。圖4為六相斗極永磁容錯電機的二維結構模型。
與傳統永磁同步電機相較，永磁容錯電機本體結構具有磁隔離、物理隔離、熱隔離、電氣隔離和大電感的特點，因此具有很強的容錯能力。
(1)物理隔離：定子齒只繞制一相集中繞組，并且每個槽中只有一個線圈邊，即每相繞組都才用集中式隔齒繞制，從而使得各相繞組不可能存在物理上的接觸，這就抑制了相問繞組短路故障的發生。
(2)熱隔離：由于每相繞組都是物理隔離的，因此，各相繞組所產生的熱量很難傳遞到另外相繞組的線圈邊，這就抑制了短路相繞組所產生的熱量對其他相繞組和永磁體的影響。
(3)磁隔離：由于定子齒采用極靴結構、每相繞組都是隔齒繞制并且轉子采用面貼式瓦狀永磁結構，這樣可以給短路繞組所產生的磁場提供閉合的回路，從而避免了磁耦合。
(4)電氣隔離：由于每相繞組都由獨立的單相全橋變換器供電，因此一相繞組或功率管損壞時，不會影響到其他相的電壓輸出。同時，將H橋和電機本體結合起來，易于實現系統的模塊化，易于維護。
(5)具有抑制短路電流能力：由于永磁容錯電機的定子采用極靴結構，并且使用深而寬的定子槽，從而增加繞組的漏感，因此，只要有足夠大的漏感，就可以將短路電流限制在額定電流附近。
2．2永磁容錯同步電動機控制技術
永磁容錯電機是一種各相磁路獨立解耦的永磁同步電機，通過獨特磁路設計消除了常規PMSM中各相繞組間存在的磁耦合特性，可認為永磁容錯電機是由n個獨立繞組構成的n相電機。基于永磁容錯電機的特點，文獻[5]提出基于電流標量概念的轉矩直接控制方法，無須進行矢量解耦變換，獨立控制電機各相繞組電流與該相反電勢相位關系，通過調節相電流幅值和相位即可實現各相獨立的轉矩直接控制。其控制系統框圖如圖所示，電機各相逆變
器采用H型逆變橋。根據控制目標的不同，容錯永磁電機標量電流控制可采用電流與空載反電動勢同相位控制方式、****轉矩／電流控制和****輸出功率控制等。
3橫向磁場永磁同步電動機控制技術研究
橫向磁場永磁電機是由德國****的電機專家H．Weh．教授1988年首先提出的一種新型的機電一體化的調速系統[6]。與傳統電機的磁路結構不同，TFPM電機的電樞繞組與主磁路在結構上完全解耦，因此可以根據需要調整磁路尺寸和線嘲窗口來確定電機的電磁負荷，不存在傳統電機在增加氣隙磁通與繞組電流密度之間結構上的相互制約關系，從而獲得較高的轉矩密度，可以達到80 kN／m2以上。各相之間沒有電、磁的耦合，實現了電和熱的隔離。與傳統電機相較，橫向磁場永磁電機具有以F特點。
(1)該電機中的磁場分布是三維的，除有通常電機的徑向、切向磁場外，還有軸向(橫向)
磁場，故稱之為橫向磁場永磁電機。
(2)電機各相間沒有耦合，可以獨立分析與控制。
(3)由硅鋼片疊成的轉子鐵心部份和嵌入式永磁體共同構成聚磁的結構，能產生較高的氣隙磁密。
(4)結構設計的自由度大，線圈截面積不受制約，可達到較高線負荷。
(5)可以較容易實現多極結構，特別適合于低轉速、大轉矩直接驅動領域方面的應用。
(6)電機的模塊化結構易于組成多相形式，缺相也能正常工作，提高了容錯能力。
圖6為H_.Weh．教授提出的橫向磁場永磁同步電動機原型機兩相的部分結構示意圖。n個該結構在轉軸上的平行布置，組成2n相橫向磁場永磁同步電動機。如上所述，橫向磁場永磁電動機各相間沒有耦合，可獨立分析和控制，因此圖5所示控制系統同樣適合橫向磁場
永磁同步電動機控制。
4永磁同步電動機容錯辨識技術
隨著對控制系統可靠性要求的提高，容錯控制成為一個活躍的研究領域，系統容錯運行首先需要進行系統故障的檢測和診斷(FDD，FaultDetection a nd Dlagnosis)，然后根據FDD的結構重構控制系統。因此，快速準確的控制系統FDD，是實現容錯控制的主要前提。通過對系統控制信號的檢測實現系統FDD，通常有以下方法[7]。
(1)專家系統法。基于經驗積累，將可能出現的故障及對應的現象一一列出，歸納出規則建立知識庫。當發生故障的時候只需要觀測故障現象，查詢知識庫即可判斷故障類型。這種故障診斷方法快速準確，且適用于各種控制策略的交流傳動系統，但是完備的知識庫難以建立，這是此方法未被廣泛應用的原因。
(2)平均電流Park矢量法。通過對電機的定子電流的Park。矢量進行監測來診斷逆變器及電機故障。在正常情況下定子電流Park矢量為零，故障出現的時候，如開關開路或短路，此時相電流中出現直流分量，三相不對稱。此時Park矢量將會有一定的幅值和相位，可以通過其幅值和相位的不同判斷出故障的類型以及出現故障的相。這種方法雖然要求系統有一定的計算處理能力，但是快捷可靠。
(3)電壓檢測法。通過考察逆變器故障時逆變器相電壓、電機相電壓、電機線電壓或電機中性點電壓與正常時的偏差來診斷故障。電流模式的故障診斷需要至少一個基波周期的時問才能完成，而電壓檢測法只需要四分之一基波周期便能準確地檢測出故障，大大地縮短的診斷時間，只是這種方法需要增加電壓傳感器，增大系統成本。
在電機控制系統中，位置傳感器是電機控制中的核心部件，但也是故障率較高的器件，因此基于位置辨識的無位置傳感器技術是提高系統可靠性的一個重要手段[8]。在無位置傳感器技術方面，國內外眾多學者展開了大量的研究，提出了多種理論和方法。無位置傳感器檢測方法，指的是不直接在電機的定子上安裝位置傳感器來檢測轉子位置，而是構造一個轉子位置信號的檢測電路，應用先進的計算機技術和檢測技術，從硬件和軟件兩方面借助電機本身的電壓電流等參數來獲得轉子的位置信息，目前用于永磁同步電動機控制的位置辨識技術主要為以下幾類：直接計算法、基于電感變化的估計算法、觀測器基礎i二的估算方法、模型參考自適應法、高頻信號注入法和人工智能理論基礎上的估算方法等。
5容錯控制策略
容錯控制是指使設計的控制系統對發生的故障具有容錯能力的一種控制策略，可以更好地提高系統的可靠性。作為被廣泛應用于各類電機驅動系統的一種控制方法，文獻[9]對矢量控制的容錯性能進行了深入的研究，其主要思想是故障前后電流產生的氣隙旋轉磁場不變。當電機正常運行時，定子三相電流分別表述為：
式中：ia，ib，ic為繞組三相電流，ω為電流角頻率，φ是電流初始相位角，I為三相電流幅值，定子磁鏈可表述為：
N為每相繞組匝數，α=1<120。，
當某一相發生故障，從系統一年切除后，該相電流等于零，假如b相發生故障，為保持系統正常運行，故障前后定子旋轉磁場應保持不變：
另式(4)和式(5)相等，可求得定子兩相電流：
對照式(6)、式(7)可以得到如下結論：通過對a、c相電流進行幅值和相位的調整，可
以使該電機驅動系統在b相故障狀態下獲得等同于正常運行的磁動勢，也就是說該系統可以帶故障運行。此外還可以求得在其它相出現故障只要滿足一定的條件，電機仍然可以帶故障運行。同樣根據磁鏈不變理論可求得直接轉矩控制模式下，電機的容錯控制策略。
6結語
本文在總結國內外可靠性技術研究成果和****進展基礎上，分析了提高永磁同步電動機及其控制系統系統可靠性的主要方法及運行原理，通過將永磁同步電機及其控制系統可靠性技術歸納為冗余技術和容錯技術，分別討論了雙余度永磁同步電動機、容錯永磁同步電動機、橫向磁場永磁同步電動機的結構特點及控制方式，討論了常規永磁同步電動機故障辨識方法及容錯控制策略。論文內容為今后該技術的進一步研究起到參考借鑒的作用。
|
