双通道磁通切换永磁电机故障模拟实验系统

徐 磊，程 明，赵文祥

(东南大学，江苏南京210096)

0 引 言

随着电机驱动系统在军事、民用等各个领域越来越广泛的应用，系统的可靠性问题逐渐引起相关领域学者的关注［1－4］。开发高可靠性、高功率密度的新型永磁电机驱动系统更成为相关学者关注的焦点［5］。

定子永磁型电机是近年发展起来的一类新型永磁无刷电机，其性能可以与转子永磁型电机相媲美，逐渐成为国内外相关领域研究的热点［6－8］。最新的研究结果表明，双凸极永磁电机在具有结构简单、效率较高的基础上，更兼具容错电机的特点，是一类新型永磁容错电机［9－11］。同时，亦有研究表明，磁通切换永磁电机是一种功率密度更高的定子永磁型电机［12－14］。而另一方面，冗余技术是提高电机可靠性的重要手段［15－16］。双通道磁通切换永磁(以下简称DC－FSPM)电机就是将冗余技术引入磁通切换永磁电机所提出的一种容错式定子永磁型电机。

为提高系统可靠性，需要对电机及其驱动系统进行故障研究，而通常的故障实验需要较高的代价。因此，搭建一个合理的故障模拟平台成为所有工作的基础。通过故障模拟平台，可以实时地观测和模拟出DC－FSPM电机正常、故障以及容错等多种运行状态特性，进而为电机智能容错控制策略的研究打下基础。

本文以一台12/10极DC－FSPM电机为研究对象，在对该电机的电磁性能进行分析的基础上，搭建了包括功率变换器、驱动电路、DSP控制单元等主要部分组成的故障模拟平台。基于故障模拟平台，对DC－FSPM电机的正常和故障状态下的运行性能进行了实验研究。

图1 三相12/10极DC－FSPM电机的拓扑结构图

1 DC－FSPM电机

图1为一台三相12/10极DC－FSPM电机的拓扑结构图。它由12个定子齿和10个转子齿组成，其转子部分与开关磁阻电机类似，为凸极结构，其上既无绕组亦无永磁体，结构简单;定子部分是由12个单元依次紧贴拼装而成。同时，一相绕组由空间上垂直放置的两套绕组组成。在一个转子周期内，两个线圈对转子的磁路有半个电周期的相位差，且方向相反。这一特性直接导致了两个线圈绕组内的电磁特性(包括磁链、感应电势和电感等)在相位上相差半个周期。

图2为有限元仿真计算得到的DC－FSPM电机两个通道的永磁磁链曲线，图3是其合成后的三相永磁磁链。对比可知，每个通道相位之间依次相差机械角12°(等同于电角度120°，因电机的转子极数Pr=10)，具有良好的对称性。图4、图5分别为有限元计算的DC－FSPM电机反电动势波形。其中，对于第一通道中的线圈A1和第二通道的线圈A2而言，它们的反电动势是互补的，这个特性是DC－FSPM电机所独有的。恰是由于线圈磁路上存在互补性，在通入同相位的正弦电流时，线圈匝链的磁通产生转矩的主要谐波分量，由于其幅值相等但相位正好相反，可以互相抵消，保证了该电机能够输出平滑的电磁转矩。因此，正常运行状态下的DCFSPM电机可以运行于传统的正弦波工作方式。

2 故障模拟控制器

图6为带中性点的DC－FSPM电机控制电路图。在该双通道冗余驱动电路中，为减少功率器件数，采用了带中性点的功率变换电路，但中线通断可控制。由于DC－FSPM电机电感正负半周的不对称性，进而造成中性点电压发生偏移，对电机的驱动性能有较大影响。因此，需要实时对电机正负半周导通角度和导通宽度进行调整，控制相对比较复杂。为此，本设计中在正常运行状态下，电机采用不带中性点的半桥功率变换电路(即封锁中线电流)。在系统正常运行时，A、B、C三相电流相加为零，互成回路;而当故障发生时，A相发生断路，但是B、C两相通入的电流并不发生变化，若不接通中线则无法实现电流回路，所以采用不带中性点的半桥功率变换电路无法实现电路的正常工作。因此在故障发生时，必须把半桥功率变换器的中线接入系统。

图6 DC－FSPM电机驱动控制系统

传统技术在设计执行机构时往往选用继电器，但是由于其噪声大和机械性能方面的原因，现在已经很少见了。随之而来的是无触点开关－双向可控硅的使用，但在实际设计工作中，需要采用同步过零触发电路进行同步触发。由于这部分电路包括比较器、单稳态电路和光电隔离器等器件，芯片多，结构较复杂，在实际应用中容易出现故障，所以在设计当中采用了MOTOROLA公司推出的单片集成可控硅驱动器MOC3041。

MOC3041芯片是一种集成的带有光电耦合的双向可控硅驱动电路。它内部集成了发光二极管、双向可控硅和过零触发电路等器件，它的内部结构和外部引脚及容错电路如图7所示。从图中可以看出，MOC3041由输人和输出两部分组成。输入部分是一个砷化稼发光二极管，在5～15 mA正向电流的作用下发出足够强度的红外光线去触发输出部分。输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零触发器。在红外光线的作用下，双向可控硅可双向导通，与过零触发器一起输出同步触发脉冲，去控制执行机构——外部的双向可控硅TRIAC。

图7 中线容错控制电路

图7中，R1、R4分别为限流电阻，控制LED的触发电流;R3、R6为门极电阻，用以提高控制极的抗干扰能力;R2、R5为控制回路限流电阻，可以保护MOC3041中的双向可控硅。

该部分的工作过程是:若DSP检测到有故障发生，则将发出开通中线的信号(即将中线控制端口置为高电平)，此时MOC3041内部导通，从而控制可控硅导通，中线接入。当无故障发生，中线控制端口为低电平，MOC3041内部截止，可控硅断开，中线不接入。该故障模拟平台可以在检测到DC－FSPM电机一相断路故障信号以后自动接通中线，实现电机的故障运行，以达到电机从正常运行到故障运行的过渡。这为DC－FSPM电机在故障状态下运行状态分析提供了一个有力的平台。

3 实验平台与结果

基于前述的DC－FSPM电机基本结构和运行原理，构建了基于DSP的数字化驱动控制系统故障模拟平台，对DC－FSPM电机进行实验研究。为此，设计并制造了一台12/10极DC－FSPM电机的实验样机，如图8所示。图9为该样机的实测空载反电动势波形(图中分别为线圈A1、A2、B1、B2的反电动势)，可见与图5中的仿真分析结果相吻合。

图8 DC－FSPM电机实验样机

图9 实测反电动势波形

在此基础上，搭建了DC－FSPM电机实验系统，它由DC－FSPM电机、双通道控制系统、电气上相互独立的两套供电系统、直流发电机及负载组成，如图10所示。其中，直流测功机由一台2.2 kW直流电动机和稳态转矩测试装置构成，可显示稳态转矩的大小。

图10 DC－FSPM电机实验系统

图11为本文所研制的电机驱动系统故障模拟平台电路实物图。本文主要研究了DC－FSPM电机在一相断路故障情况下的运行状态，因此实验中以A1线圈断路故障为例，给定DC－FSPM电机一定的负载转矩及500 r/min的参考转速。

图12给出了从正常运行状态到故障状态过渡的三相电流以及中线电流的波形，可以看出A相电流在故障以后变成零，而中线在此时接通有电流流过。从实验结果可以看出，所设计的故障模拟平台可以很好地模拟出故障状态下电机从正常运行状态到故障运行的动态实验。

图11 DC－FSPM电机故障模拟平台

图12 故障到容错过渡瞬间的电流

4 结 语

本文在研究分析DC－FSPM电机的基本工作原理以及静态特性的基础上，基于TMS320F2812控制芯片，设计了驱动控制系统的故障模拟平台，并在实验平台上进行了DC－FSPM电机及其驱动系统的故障模拟实验，实现了DC－FSPM电机从正常运行到一相断路故障的过渡运行。实验结果正确而有效，证明了所设计的电机故障模拟平台能够准确地实现控制系统的故障模拟。该故障模拟平台为课题组进一步深入研究定子永磁型电机的智能容错控制策略打下了基础。

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