基于雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)雙余度控制系統(tǒng)研究

黃義紅，郝振洋，穆曉敬

(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

基于雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)雙余度控制系統(tǒng)研究

黃義紅，郝振洋，穆曉敬

(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

基于雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)，對(duì)雙余度電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制策略分析。建立了系統(tǒng)的MATLAB仿真模型，包括電機(jī)本體模型、SVPWM、三相全橋逆變器、轉(zhuǎn)速PI控制器、電流PI控制器五部分。仿真表明，該雙余度控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)恒轉(zhuǎn)速與恒轉(zhuǎn)矩模態(tài)切換。實(shí)驗(yàn)表明，在恒轉(zhuǎn)速模式下改變轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速不變，在恒轉(zhuǎn)矩模態(tài)下改變轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩保持不變。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生斷路故障時(shí)進(jìn)行余度切換控制，故障態(tài)的輸出功率和轉(zhuǎn)速不變，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。

永磁容錯(cuò)電機(jī);雙余度控制;矢量控制;余度切換

1 引言

近年來(lái)，多電以及全電飛機(jī)的研究成為了航空領(lǐng)域的熱點(diǎn)，這對(duì)飛機(jī)電力作動(dòng)器提出了更高的要求，即具有容錯(cuò)能力［1，2］。

余度，在可靠性工程中定義為:使用一套以上的設(shè)備來(lái)完成給定的任務(wù)，即構(gòu)成余度。余度技術(shù)是指通過(guò)為系統(tǒng)增加多重資源，包括硬件和軟件的重復(fù)配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)多重資源的合理管理，從而提高產(chǎn)品和系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)方法。余度系統(tǒng)中有多余度(雙余度以上)和雙余度之分，最常用的是雙余度系統(tǒng)［3］。

傳統(tǒng)的雙余度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的本質(zhì)是通過(guò)備份的方式來(lái)完成的，即利用兩套獨(dú)立的電機(jī)繞組和驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制，提高系統(tǒng)的可靠性。其逆變器采用雙三相全橋拓?fù)?，功率管?shù)目少，故障率低。雙余度電機(jī)控制系統(tǒng)具有原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰、控制簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)，但是雙余度控制系統(tǒng)的電機(jī)本體為傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)，采用分布式繞組方式，相繞組之間存在物理接觸，當(dāng)電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于電機(jī)沒(méi)有磁隔離和熱隔離能力，因此短路繞組產(chǎn)生的磁鏈和熱量會(huì)耦合到另一套繞組中，從而降低電機(jī)的運(yùn)行性能，甚至導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法正常工作，因此，雙余度電機(jī)控制系統(tǒng)不具備短路故障隔離能力［4-7］。

永磁容錯(cuò)采用集中式繞組方式，具有相與相之間的物理隔離、磁隔離、熱隔離和電氣隔離的特點(diǎn)，能夠有效地抑制短路電流，具備故障隔離和容錯(cuò)特性［8，9］，但是傳統(tǒng)的容錯(cuò)電機(jī)控制系統(tǒng)采用單相H橋逆變器［10，11］，需要較多的功率器件，增加了系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器的故障率，使得系統(tǒng)的可靠性降低。

根據(jù)傳統(tǒng)的容錯(cuò)控制系統(tǒng)與雙余度控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用基于永磁容錯(cuò)電機(jī)的雙余度控制技術(shù)，以補(bǔ)償傳統(tǒng)雙余度系統(tǒng)和傳統(tǒng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)的不足之處。本文對(duì)永磁容錯(cuò)電機(jī)的雙余度控制系統(tǒng)進(jìn)行了原理分析、建模仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)的坐標(biāo)變換及數(shù)學(xué)模型

雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)采用隔齒繞制的兩套對(duì)稱三相繞組，如圖1所示，因此各相繞組之間無(wú)磁路耦合，即互感為零，這為實(shí)現(xiàn)具有容錯(cuò)能力的雙余度電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了故障隔離功能。

2.1 坐標(biāo)變換

為了簡(jiǎn)化和求解永磁容錯(cuò)電機(jī)的數(shù)學(xué)方程，運(yùn)用坐標(biāo)變換理論對(duì)永磁容錯(cuò)電機(jī)的基本方程進(jìn)行變換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的解耦。矢量控制中使用的變換為Clarke變換和Park變換［12，13］。

圖1 雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure of fault-tolerant permanent magnet motor(FTPMM)with dual-winding

Clarke變換(abc-αβ)為:

Park變換(αβ-dq)為:

2.2 永磁容錯(cuò)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

假設(shè):忽略鐵心飽和，不計(jì)磁滯損耗和渦流損耗，并且相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形呈正弦波，忽略高次諧波［7，8］。根據(jù)上述的假設(shè)和坐標(biāo)變換，得到永磁容錯(cuò)電機(jī)基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)dq0坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型。永磁容錯(cuò)電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為:

轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程為:

式中，ud、uq為定子電壓的dq分量;id、iq為定子電流的dq分量;ψd、ψq為轉(zhuǎn)子磁鏈的dq分量;p為微分算子;np為電機(jī)極對(duì)數(shù);R為電樞繞組電阻;ωs為轉(zhuǎn)子電角速度;ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度;Te為電磁轉(zhuǎn)矩; TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3 雙余度系統(tǒng)的容錯(cuò)控制方案

雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)采用兩套三相逆變器進(jìn)行控制，每套逆變器控制的電機(jī)繞組為星形連接，如圖2所示。

圖2 雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)的逆變拓?fù)銯ig．2 Inverter of FTPMM

永磁容錯(cuò)電機(jī)的雙余度控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要包括:兩套DSP數(shù)字處理器、兩套FPGA邏輯處理器、兩套信號(hào)采集和調(diào)理單元、上位機(jī)、兩套PWM驅(qū)動(dòng)電路及主功率模塊和雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)。

圖3 永磁容錯(cuò)電機(jī)的雙余度控制系統(tǒng)框圖Fig．3 Dual-redundancy FTPMM control system

3.1 余度切換方案

該系統(tǒng)采用熱備份的方式實(shí)現(xiàn)雙余度控制。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，余度1和余度2同時(shí)工作，此時(shí)兩套控制器利用恒轉(zhuǎn)速和恒轉(zhuǎn)矩控制算法，結(jié)合繞組電流和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，形成閉環(huán)系統(tǒng)(包括雙閉環(huán)和單閉環(huán)系統(tǒng))，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，使每套余度各輸出50%的功率，此時(shí)為雙余度工作模式;當(dāng)系統(tǒng)的某個(gè)余度發(fā)生故障時(shí)(包括功率管短路、斷路故障和電機(jī)繞組短路、斷路故障)，以余度1故障為例，此時(shí)余度1利用故障檢測(cè)單元先將PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行封鎖，將主功率模塊1從母線上脫開(kāi)，實(shí)現(xiàn)故障源的切除。通過(guò)邏輯處理單元將故障信號(hào)送到DSP1數(shù)字處理器中進(jìn)行故障辨識(shí)，利用DSP1和DSP2之間的通信，將故障信號(hào)傳遞到DSP2中，改變余度2的控制狀態(tài)，增加余度2的輸出功率，使其輸出100%的功率，保證輸出功率和轉(zhuǎn)速不變，此時(shí)為單余度工作模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制。

3.2 矢量控制原理

矢量控制的思想為:在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成兩個(gè)互相垂直、彼此獨(dú)立的矢量id(產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量)和iq(產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量)，即控制id和iq便可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。本文基于id=0的矢量控制，實(shí)現(xiàn)銅耗最小，單位電流的輸出轉(zhuǎn)矩最大。

永磁容錯(cuò)電機(jī)的雙余度控制系統(tǒng)的矢量結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，本文采用電流閉環(huán)(恒轉(zhuǎn)矩控制)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)(恒轉(zhuǎn)速控制)的雙閉環(huán)系統(tǒng)。圖4中:i*q和i*d為電流給定，Td為電磁轉(zhuǎn)矩給定，ω*為轉(zhuǎn)速給定。每套余度都包含空間電壓矢量脈寬調(diào)制部分、三相全橋逆變器、電機(jī)三相繞組、轉(zhuǎn)速傳感器和電流傳感器。

圖4 雙余度控制系統(tǒng)的矢量結(jié)構(gòu)圖Fig．4 Vector control of dual-redundancy system

當(dāng)開(kāi)關(guān)S3切換至開(kāi)關(guān)S1位置時(shí)，系統(tǒng)工作在恒轉(zhuǎn)速控制狀態(tài)，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上安裝的旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，并將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速和電角度。給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的偏差經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速控制器計(jì)算得到定子電流交軸給定輸入i*q。由電流霍爾傳感器對(duì)繞組電流采樣，提取的定子相電流經(jīng)過(guò)3s/2r變換將它們轉(zhuǎn)換到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。將電流信號(hào)與給定信號(hào)i*q和i*d，比較經(jīng)過(guò)電流PI控制器得到dq坐標(biāo)下的電壓ud、uq。該矢量通過(guò)SVPWM模塊可輸出PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作;當(dāng)開(kāi)關(guān)S3切換至開(kāi)關(guān)S2位置時(shí)，系統(tǒng)工作在恒轉(zhuǎn)矩控制狀態(tài)，此時(shí)直接給定電磁轉(zhuǎn)矩，給定電流i*q為電流/力矩比例輸出，實(shí)現(xiàn)力矩控制。

4 仿真驗(yàn)證

在Matlab/Simulink環(huán)境中建立仿真模型，驗(yàn)證雙余度控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩模態(tài)與恒轉(zhuǎn)速模態(tài)切換以及在恒轉(zhuǎn)速模態(tài)下實(shí)現(xiàn)余度切換。整個(gè)控制系統(tǒng)包括三相全橋逆變模塊、SVPWM模塊、轉(zhuǎn)速PI控制器、電流PI控制器和電機(jī)模型五個(gè)部分。

仿真參數(shù)設(shè)置如下:給定轉(zhuǎn)速n*=5000rpm;直流母線電壓Udc=270V;恒轉(zhuǎn)速模態(tài)下給定轉(zhuǎn)矩T*=20 N·m;恒轉(zhuǎn)矩模態(tài)下給定轉(zhuǎn)矩模態(tài) T*=25 N·m;切換發(fā)生時(shí)間0.015s。

雙余度控制系統(tǒng)恒轉(zhuǎn)速模態(tài)切換至恒轉(zhuǎn)矩模態(tài)的仿真波形如圖5所示，在進(jìn)行切換之前，系統(tǒng)工作于恒轉(zhuǎn)速控制模態(tài)，每套余度的繞組電流為26A，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在給定的20N·m，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定的5000r/ min;進(jìn)行模態(tài)切換后，為恒轉(zhuǎn)矩控制模態(tài)，各相電流略有所增大，轉(zhuǎn)速上升至6000r/min后保持穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在給定值25N·m后又降至20N·m，這是由于直流母線的限制，轉(zhuǎn)矩?zé)o法跟蹤給定。

系統(tǒng)余度切換時(shí)的仿真波形如圖6所示，在發(fā)生故障前，系統(tǒng)為雙余度工作模態(tài)，輸出轉(zhuǎn)速為5000rpm，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在20N·m，每套余度各自承擔(dān)50%的功率，每相電流峰值為26A;當(dāng)余度一發(fā)生故障后，將余度一從系統(tǒng)中切除，余度二承擔(dān)100%的功率，相電流峰值為52A，轉(zhuǎn)速為5000rpm，轉(zhuǎn)矩為20N·m恒定?？梢缘贸觯?dāng)系統(tǒng)中某一余度發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，輸出功率和轉(zhuǎn)速不變，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。

圖5 恒轉(zhuǎn)速模態(tài)切換至恒轉(zhuǎn)矩模態(tài)仿真波形Fig．5 Simulation result of mode switching

圖6 余度切換仿真波形Fig．6 Simulation result of redundant switching

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真的基礎(chǔ)上，利用實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)Fig．7 Experiment platform

恒轉(zhuǎn)速模態(tài)下的實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示，給定轉(zhuǎn)速2000r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL從0升至5N·m。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1.5N·m時(shí)，相電流達(dá)到5.6A，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大至5N·m時(shí)，相電流為16.2A。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)在恒轉(zhuǎn)速模態(tài)下，當(dāng)改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)速保持不變，同時(shí)，相電流隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大而增大。

圖8 恒轉(zhuǎn)速模態(tài)下加載實(shí)驗(yàn)波形Fig．8 Experiment result under constant speed mode

恒轉(zhuǎn)矩模態(tài)下的力矩響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示。利用實(shí)驗(yàn)室一臺(tái)異步機(jī)作拖動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍為－100～100r/min，給定轉(zhuǎn)矩為3N·m。在電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，力矩始終保持不變。當(dāng)轉(zhuǎn)速擾動(dòng)由正變負(fù)或者由負(fù)變正時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩有一0.5 N·m的轉(zhuǎn)矩差，這是由于電機(jī)本身存在空載摩擦轉(zhuǎn)矩。從圖8中可以看出，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的脈動(dòng)僅為0.03N·m，可以得出，電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩模態(tài)。

圖9 原動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)速干擾曲線圖Fig．9 Output torque under varied load speed

斷路故障態(tài)下的余度切換波形如圖10所示，在44.1s時(shí)模擬余度一發(fā)生斷路故障，給定轉(zhuǎn)矩為1 N·m，給定轉(zhuǎn)速為1500r/min。在斷路故障之前，為雙余度工作模態(tài)，每相繞組電流峰值均為4.9A，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在給定的1N·m，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定的1500r/ min;當(dāng)發(fā)生故障后，將余度一從系統(tǒng)中切除，余度二承擔(dān)100%的功率，相電流為原來(lái)的2倍，峰值為9.8A，轉(zhuǎn)速為1500rpm，轉(zhuǎn)矩為1N·m恒定，故障態(tài)的輸出功率與轉(zhuǎn)速不變，與仿真結(jié)果一致。

圖10 余度切換實(shí)驗(yàn)波形Fig．10 Experiment result of redundant switching

6 結(jié)論

本文采用矢量控制策略，對(duì)基于雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)的雙余度控制系統(tǒng)的模態(tài)切換控制和余度切換控制進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的正確性，能夠?qū)崿F(xiàn)恒轉(zhuǎn)速模態(tài)與恒轉(zhuǎn)矩模態(tài)切換。同時(shí)，搭建了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，在恒轉(zhuǎn)速模式下，改變電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，繞組電流隨之改變，電機(jī)轉(zhuǎn)速仍能保持恒定;在恒轉(zhuǎn)矩模式下，改變?cè)瓌?dòng)機(jī)(永磁容錯(cuò)電機(jī))的轉(zhuǎn)速，繞組電流隨之改變，電機(jī)轉(zhuǎn)矩保持恒定。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生斷路故障時(shí)進(jìn)行余度切換，故障態(tài)的輸出功率和轉(zhuǎn)速不變，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。

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(，cont．on p.74)(，cont．from p.40)

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Dual-redundancy fault tolerant permanent magnet motor control system

HUANG Yi-hong，HAO Zhen-yang，MU Xiao-jing
(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics)，Nanjing 210016，China)

In this paper，compared with traditional fault-tolerant system and traditional redundancy system，a control strategy of dual redundant motor system applied in fault tolerant permanent magnet motor with dual-winding is analyzed．A fault-tolerant permanent magnet machine of centralized winding is introduced，which has the property of physical insulation，magnetic flux and fault insulation．And vector control is adapted in this system．The Matlab simulation model is established which contains the motor model，SVPWM，speed controller，three-phase full-bridge inverter and current controller．The simulation results reveal that the constant speed mode and constant torque mode can be switched in the dual-redundancy control system．Experiment results show that the speed is constant when the load torque changes under constant speed mode，and the torque is constant when the speed changes under constant torque mode．Both the simulation and experiment results show that fault-tolerance control of the system is achieved when open-circuit fault occurs while maintaining the power and speed unchanged．

fault-tolerant permanent magnet motor;dual-redundancy control;vector control;redundancy switching

TM351

A

1003-3076(2014)06-0036-05

2013-06-20

航空自然科學(xué)基金(2011ZC52039)、中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目(20110491408)

黃義紅(1989-)，女，江蘇籍，碩士研究生，研究方向:電機(jī)及其控制;郝振洋(1981-)，男，江蘇籍，副教授，博士，研究方向:電力電子及電機(jī)控制。