五相容錯(cuò)永磁無(wú)刷直流電機(jī)容錯(cuò)控制策略

五相容錯(cuò)永磁無(wú)刷直流電機(jī)容錯(cuò)控制策略

0種新型的容錯(cuò)控制策略近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，永維無(wú)刷直流（bloc）電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、輸出旋轉(zhuǎn)大的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到重視。但是電機(jī)及其控制系統(tǒng)的電力電子器件存在著一定的故障率,使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題逐漸凸現(xiàn)出來(lái),特別是在航空航天、軍事裝備、電動(dòng)車(chē)輛等有較高要求的領(lǐng)域,可靠性顯得尤為重要。多相電機(jī),由于相數(shù)的增加使其可以提供比三相電機(jī)更多的控制自由度,增加的自由度可用來(lái)實(shí)現(xiàn)在故障狀態(tài)下的無(wú)擾容錯(cuò)運(yùn)行。發(fā)生故障后,多相電機(jī)僅需要修改其控制策略,而無(wú)需修改任何硬件電路,剩余的正常相便可以補(bǔ)償故障引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行。這一特性使得多相電機(jī)可靠性技術(shù)收到了越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。但對(duì)于具有梯形波反電勢(shì)多相BLDC電機(jī)的容錯(cuò)技術(shù)卻鮮有報(bào)道。因此,本文開(kāi)展了一種新型五相BLDC電機(jī)的容錯(cuò)控制策略。在分析了其結(jié)構(gòu)以及電磁特性的基礎(chǔ)上,給出了BLDC電機(jī)的一相開(kāi)路故障情況下的轉(zhuǎn)矩等效BLAC容錯(cuò)控制方法,使其在一相開(kāi)路的情況下能輸出和正常情況下相同的平均轉(zhuǎn)矩。建立了瞬態(tài)場(chǎng)路耦合聯(lián)合仿真模型,搭建了五相BLDC電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。1電機(jī)的控制策略通常情況下,容錯(cuò)電機(jī)的繞組相與相之間應(yīng)具有“獨(dú)立性”,即電機(jī)的相與相之間的耦合較小,每一相都可以作為獨(dú)立模塊分別進(jìn)行控制,從而在某一相出現(xiàn)故障時(shí),其他相仍然能夠通過(guò)控制策略的調(diào)整,實(shí)現(xiàn)帶故障運(yùn)行。圖1為一臺(tái)五相20/18極BLDC電機(jī)。電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),定子采用集中式繞組,并且加入了容錯(cuò)齒,從而保證了相與相之間的電路以及磁路的獨(dú)立性,符合容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。另一方面,電機(jī)中電樞齒的寬度是容錯(cuò)齒的寬度的兩倍,從而擴(kuò)大了梯形波反電勢(shì)平頂部分。圖2為該電機(jī)在500r/min時(shí)的實(shí)測(cè)反電勢(shì)波形圖。由于該電機(jī)為五相電機(jī),所以A、B、C、D、E五相反電勢(shì)各差72°,由圖可知該電機(jī)的反電勢(shì)梯形波平頂部分達(dá)到了144°,所以適用于BLDC運(yùn)行。2控制戰(zhàn)略2.1正常運(yùn)行狀態(tài)如前所述,由于所研究的五相BLDC電機(jī)的空載反電勢(shì)為144°梯形波,故在正常方式下其可采用144°導(dǎo)通的BLDC方式。此時(shí),電機(jī)的五相電流方程為其中,θ為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角。因此,正常運(yùn)行狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩TN_BLDC可以表示為其中,Em為梯形波反電勢(shì)幅值;Im為梯形波電流幅值。2.2電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的假設(shè)從傳統(tǒng)意義而言,具有梯形波空載反電勢(shì)的五相BLDC電機(jī)應(yīng)采用BLDC控制方式。本文提出了一種基于轉(zhuǎn)矩等效的BLAC控制方式,使電機(jī)在此控制方式下產(chǎn)生與BLDC控制方式時(shí)相等的轉(zhuǎn)矩輸出。假設(shè)所用來(lái)控制的五相電樞電流為其中,Imax為正弦波電流的幅值。此時(shí)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TN_BLAC可以表示為其中,Em1為是反電勢(shì)基波的幅值。通過(guò)對(duì)電機(jī)的梯形波反電勢(shì)進(jìn)行分析,可知:所以,為了能夠使得五相BLDC電機(jī)在BLDC方式和BLAC方式下產(chǎn)生等效的輸出轉(zhuǎn)矩,令式(2)等于式(4),并將式(5)代入,可得:所以,得到的五相BLDC電機(jī)產(chǎn)生等效轉(zhuǎn)矩的BLAC控制方程為2.3u3000運(yùn)行狀態(tài)由前面的推導(dǎo)可以知道,五相BLDC電機(jī)在BLAC控制方式下,可以獲得與BLDC控制方式等效的轉(zhuǎn)矩輸出。而另一方面,其旋轉(zhuǎn)主磁場(chǎng)是由五相電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相疊加而成,如果其中某一相發(fā)生開(kāi)路故障而無(wú)法工作,則可以通過(guò)保持電機(jī)內(nèi)的合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不變的方法來(lái)保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。因此,對(duì)于故障條件下的五相BLDC電機(jī),如果能保證其他非故障相電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效于轉(zhuǎn)矩等效BLAC方式所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),則此容錯(cuò)BLAC方式即可保證BLDC電機(jī)在四相工作情況下,獲得與正常運(yùn)行的BLDC方式相等效的轉(zhuǎn)矩特性。當(dāng)工作于上面所述的轉(zhuǎn)矩等效BLAC方式時(shí),電機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)(MMF)可以表示為其中,α=1∠72°,N為電機(jī)每相匝數(shù)。假設(shè)電機(jī)A相發(fā)生開(kāi)路故障,此時(shí)電機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)由其他四相產(chǎn)生,可以表示為若令式(8)等于式(9),即令故障條件下產(chǎn)生與轉(zhuǎn)矩等效BLAC運(yùn)行方式同等的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),令等式兩邊實(shí)部等于實(shí)部,虛部等于虛部,將式(7)代入等式中,并假定則可以得到容錯(cuò)方式下的各相電流3u3000討論為了更準(zhǔn)確驗(yàn)證上述理論的正確性,特別是對(duì)一相開(kāi)路故障狀態(tài)下的電機(jī)特性的研究,因此本文采用了電路、磁路瞬態(tài)聯(lián)合仿真的方法,圖3為20/18極五相BLDC電機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型圖。當(dāng)該五相電機(jī)工作于正常的BLDC方式時(shí),通入如圖4(a)所示電流?？芍?dāng)通入幅值為10A的電流時(shí),電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩為11.8Nm。而當(dāng)電機(jī)發(fā)生一相開(kāi)路的故障時(shí),電流變?yōu)閳D4(b)中所示。如圖5所示,可見(jiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了明顯的下降,下降到了9.7Nm,并且脈動(dòng)也明顯變大。當(dāng)對(duì)該20/18極五相BLDC電機(jī)通入如式(3)所示的五相正弦電流時(shí),在理論上,電機(jī)產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)等效于采用BLDC控制方式下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,圖6為轉(zhuǎn)矩等效BLAC方式下的五相正弦電流和輸出的轉(zhuǎn)矩,此時(shí)電機(jī)輸出的平均轉(zhuǎn)矩為11.7Nm。相比于正常BLDC控制方式下的平均輸出轉(zhuǎn)矩11.8Nm,兩者差距較小,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩等效的目的。當(dāng)電機(jī)發(fā)生一相開(kāi)路的故障時(shí),為了提高電機(jī)的故障條件下的運(yùn)行性能,運(yùn)用前面所提到的容錯(cuò)控制策略,電機(jī)將運(yùn)行于容錯(cuò)BLAC狀態(tài),其電流和轉(zhuǎn)矩波形圖如圖7所示?？芍淦骄敵鲛D(zhuǎn)矩為11.6Nm,相比正常BLDC方式和轉(zhuǎn)矩等效BLAC方式輸出轉(zhuǎn)矩基本相同,但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)略微增大?？梢?jiàn)系統(tǒng)的帶故障性能較好,容錯(cuò)性能得到了很大提高。表1為上述各種方式下的轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的對(duì)比,可以看到電機(jī)發(fā)生故障,對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行有著很大的影響,而五相BLDC電機(jī)可以通過(guò)轉(zhuǎn)矩等效的BLAC方式達(dá)到基本相同的運(yùn)行效果,并且運(yùn)用容錯(cuò)BLAC控制方式能明顯提高電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行性能,使得系統(tǒng)在故障情況下仍然能實(shí)現(xiàn)較好的運(yùn)行情況。4電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試為了驗(yàn)證其正確性,搭建了如圖8所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)中,五相BLDC電機(jī)運(yùn)行時(shí),圖中所示的直流電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),它將作為BLDC電機(jī)的負(fù)載,測(cè)試其帶負(fù)載的能力。兩者通過(guò)聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)矩傳感器相連,從而能夠測(cè)量BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的性能。五相BLDC的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖9所示,由DSPTMS320F2812和IPM以及一些外圍電路所組成。首先,當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),通入如圖10所示的五相梯形波電流,其電流幅值為2A,可測(cè)得正常運(yùn)行時(shí)平均電機(jī)輸出的平均轉(zhuǎn)矩為2Nm。其次,當(dāng)電機(jī)某一相發(fā)生開(kāi)路故障時(shí),如圖11所示,開(kāi)路相電流變?yōu)?,系統(tǒng)進(jìn)入式(11)所示的容錯(cuò)BLAC運(yùn)行方式,與故障前平均轉(zhuǎn)矩大小幾乎相同,只是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)略微變大,這與仿真的結(jié)果相吻合?？梢?jiàn),該五相BLDC電機(jī)在缺相狀態(tài)下,運(yùn)用上面所述的容錯(cuò)控制策略,能夠良好的運(yùn)行,系統(tǒng)具有較好的帶故障運(yùn)行能力。5ent-maagregact.u2004趙文祥,程明,朱孝勇,等.驅(qū)動(dòng)用微特電機(jī)及其控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(4):38-46.JLi,KTChau,JJiang,etal.ANewEfficientPermanent-magnetVernierMachineforWingPowerGenera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