雙繞組永磁同步電動機冗余控制與故障分析

沈 蕾，孫 偉，錢 兒，王 真，張東寧，陳 蘭

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

永磁同步電動機系統(tǒng)以其體積小、效率高、控制精確等優(yōu)點已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。但一些可靠性要求高的場合，要求電機系統(tǒng)具有更高的可靠性。提高電機系統(tǒng)可靠性成為研究熱點之一。

本文介紹一種基于雙繞組永磁同步電動機的控制策略，在電機及控制器部分通道發(fā)生故障后仍能完成任務(wù)，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。

1 電機結(jié)構(gòu)

本文控制對象為一種新型結(jié)構(gòu)永磁同步電動機［1］，作為兩輪平臺電動車的主要動力驅(qū)動電機使用。該電機的突出特點是體積小(Φ66 mm×90 mm)、輸出功率大(總輸出功率達到1 500 W)。電機結(jié)構(gòu)及繞組示意圖如圖1所示。電機采用雙繞組的冗余設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性;定子部分采用整體封裝的形式，減少了傳統(tǒng)電機的前后端蓋;轉(zhuǎn)子部分采用不等氣隙的永磁體，有利于產(chǎn)生正弦波磁場;位置傳感器使用線性傳感器元件，結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝。

圖1 永磁同步電動機簡圖

2 控制策略

2.1 控制方案

雙余度永磁同步電動機控制系統(tǒng)［2－3］框圖如圖2所示。

圖2 雙余度永磁同步電動機控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用一個TMS320F2407作為系統(tǒng)的主控芯片，TMS320F2407包括兩個功能完全一樣的事件管理模塊EVA和EVB，兩發(fā)事件管理模塊各包括兩個定時器和帶死區(qū)的PWM輸出，能夠滿足電機雙繞組控制的需要。本系統(tǒng)針對電機的位置傳感器、隔離電路、逆變電路及繞組等故障點做了冗余設(shè)計。

在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用永磁同步電動機矢量控制的方法對電機實行精確控制。矢量控制以磁場定向控制為基本原理，通過速度反饋、電流反饋等構(gòu)成速度環(huán)、電流環(huán)，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制，以維持系統(tǒng)運行速度的穩(wěn)定性、電流響應(yīng)的快速性。雙冗余永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

圖3 雙繞組永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)原理框圖

本系統(tǒng)采用熱冗余工作模式，即電機正常工作時，兩套繞組同時通電產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。由于在電機加工中，兩套繞組的電磁性能不能達到完全一致;逆變電路的功率器件之間管壓降也存在差異，所以在兩套繞組上加相同幅值的電壓矢量容易引起繞組電流的不平衡［4］。電機采用id=0的控制方式，所以iq=is，則電機的額定電磁轉(zhuǎn)矩:

此時電機的銅損:

從式(1)和式(2)中可以看出，電機的銅損和各套繞組電流的平方和成正比關(guān)系，而電機的轉(zhuǎn)矩與兩套繞組電流之和成正比關(guān)系，所以當(dāng)輸出額定轉(zhuǎn)矩時電機的銅損隨著兩套繞組的電流變化而變化的。表1為額定負(fù)載下電動機銅損分析，表中數(shù)據(jù)為標(biāo)幺值。

表1 不同電流下電動機的銅損耗

由表1分析可知，當(dāng)兩套繞組電流平衡時，銅損達到最小值。隨著繞組電流差別變大，銅損也變大。銅損是電機發(fā)熱的主要因素之一，電機過熱將引起電機絕緣性能下降甚至燒毀繞組。因此，在控制中采用圖3的電流分配方法，由速度環(huán)計算所得的電流給定值平均分配個兩套繞組，作為繞組的電流給定值，使電機在相同出力的情況下銅損達到最小。

2.2 冗余運行分析

當(dāng)電機一套繞組發(fā)生故障后，另外一套繞組要單獨運行。如果此時電機還需要輸出額定轉(zhuǎn)矩，則工作繞組需要通額定電流的兩倍，此時電機上的銅損如表1中狀態(tài)3。若單繞組工作時不允許銅損增加，可以使工作繞組的銅損等于電機額定工作時的銅損，則可得:

式中:iN為電機正常工作時一套繞組的額定電流值，則電機額定轉(zhuǎn)矩TeN=2KeiN?？傻胕s=，則單套繞組工作時在銅損不變情況下允許的電磁轉(zhuǎn)矩:

由此可知，如果要使電動機在單繞組工作時銅損不增加，則只能出額定力矩的70%。

如果要求單繞組長時間運行、能夠輸出額定轉(zhuǎn)矩，則電機設(shè)計時需要做降額設(shè)計。

3 故障檢測及冗余控制

電機繞組與逆變電路連接圖如圖4所示。

圖4 電機繞組與逆變電路示意圖

3.1 逆變電路斷路故障［5］

根據(jù)圖4分析，逆變電路斷路故障可分為單管斷路和兩管斷路。當(dāng)單管斷路時，假設(shè)T1斷路，則繞組A中只能檢測到反向電流;若T4斷路，則繞組A中只能檢測到正向電流;若T1和T4同時斷路，則繞組A中沒有電流。所以我們可以根據(jù)檢測到的繞組電流情況判斷出是否發(fā)生故障。如果發(fā)生斷路故障，電機會有較大的轉(zhuǎn)矩脈動，則應(yīng)通過軟件變換，將電機切換到單繞組工作模式。

3.2 逆變電路短路故障

控制器對母線電流有采樣及硬件過流保護功能。假設(shè)T1發(fā)生短路，則當(dāng)控制信號開通T4時，母線電壓通過T1和T4形成短路回路，此時過流保護電路發(fā)出過流信號，控制器立即對控制信號進行封鎖，暫時停止過流部分電路工作。為了防止干擾引起的誤動作，對過流電路重復(fù)通電三次，當(dāng)連續(xù)三次發(fā)生過流時，判定為發(fā)生逆變器短路故障。此時需要切斷故障部分電路，即切斷圖4中的k1和k2。

3.3 電機繞組斷路故障

當(dāng)電機繞組發(fā)生斷路故障時，故障檢測與逆變電路上下功率器件同時斷路相同，即斷路繞組無電流。

3.4 電機繞組短路故障

電機繞組短路可分為兩種情況，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重匝間短路或者相間短路時，短路繞組將發(fā)出大量熱量，這時加裝在電機上的溫度傳感器將發(fā)出電機過熱信號，電機停止工作。

電機正常工作時，繞組電流:

當(dāng)發(fā)生匝間短路時，則該匝線圈所感應(yīng)出的反電勢在該匝內(nèi)形成環(huán)流，短路匝電流:

一般反電勢都為外施相電壓的85% ～95%，所以短路匝電流為正常電流的5.7～19倍。可見短路線圈也會快速發(fā)熱，并最終造成燒毀。當(dāng)電機匝間短路達到一定值時，由于短路繞組的影響，母線電流會產(chǎn)生周期性的脈動，因此需要檢測母線電流。當(dāng)母線電流出現(xiàn)周期性的脈動時，則判定電機匝間短路，此時電機應(yīng)該停止工作。

3.5 位置傳感器故障

電機采用兩套線性霍爾元件作為位置傳感器，每套傳感器的三個霍爾相隔120°電角度安裝。由于線性霍爾感應(yīng)到得是正弦波，則對三個霍爾傳感器進行模擬采樣所得值相加應(yīng)該為一個常數(shù)，當(dāng)采樣得到的值相加超出該值一定范圍(考慮到模擬采樣干擾問題)，則判定該套傳感器故障，同時換用第二套傳感器作為位置傳感器。

3.6 冗余運行

電機系統(tǒng)正常運行時兩套繞組都通電流，進行熱冗余運行;當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生短路或者斷路情況以及電機繞組發(fā)生斷路情況時，電機系統(tǒng)進入單套繞組運行;當(dāng)電機繞組發(fā)生短路故障時，電機系統(tǒng)停止工作。圖5為電機正常工作切換到單繞組冗余運行的相電流對比。

圖5 電機波形照片

4 結(jié) 語

電機驅(qū)動系統(tǒng)在軍用和民航等多種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得可靠性問題成為了相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者關(guān)心的重要問題。因此，研究具有高可靠性和高功率密度的電機系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義。本文在分析了雙繞組永磁同步電機基本結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，對該電機的單DSP冗余控制系統(tǒng)進行了分析研究，取得了如下的研究成果:

(1)電機系統(tǒng)正常運行情況下兩套繞組電流分配問題;

(2)電機系統(tǒng)發(fā)生故障時的檢測及冗余運行問題。

［1］ 王真，張東寧，王思遠(yuǎn).新型車用高可靠永磁同步電動機設(shè)計及控制［J］.微特電機，2009(1):9－10.

［2］ 劉衛(wèi)國，馬瑞卿.雙余度無刷直流電機控制系統(tǒng)［J］.電氣系統(tǒng)，2006(7):11－13.

［3］ 王穎光，李巖，張洪陽.六相永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究［J］.沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2008，27(5):57 －60.

［4］ 董慧芬，周元鈞，顧福深.雙通道無刷直流電動機控制系統(tǒng)的均衡問題［J］.電氣傳動，2005，35(10):36 －39.

［5］ 郭農(nóng)生，周元均.復(fù)合式余度機電作動器的故障檢測［C］//第十屆小電機技術(shù)研討會論文集，2005:254－259.