双绕组永磁同步电动机冗余控制与故障分析

2011-07-20张东宁

微特电机 2011年12期

关键词：断路永磁绕组

沈蕾，孙伟，钱儿，王真，张东宁，陈兰

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)

0 引言

永磁同步电动机系统以其体积小、效率高、控制精确等优点已经在许多领域得到应用。但一些可靠性要求高的场合，要求电机系统具有更高的可靠性。提高电机系统可靠性成为研究热点之一。

本文介绍一种基于双绕组永磁同步电动机的控制策略，在电机及控制器部分通道发生故障后仍能完成任务，使系统的可靠性大大提高。

1 电机结构

本文控制对象为一种新型结构永磁同步电动机［1］，作为两轮平台电动车的主要动力驱动电机使用。该电机的突出特点是体积小(Φ66 mm×90 mm)、输出功率大(总输出功率达到1 500 W)。电机结构及绕组示意图如图1所示。电机采用双绕组的冗余设计，提高了系统的可靠性;定子部分采用整体封装的形式，减少了传统电机的前后端盖;转子部分采用不等气隙的永磁体，有利于产生正弦波磁场;位置传感器使用线性传感器元件，结构简单，便于安装。

图1 永磁同步电动机简图

2 控制策略

2.1 控制方案

双余度永磁同步电动机控制系统［2－3］框图如图2所示。

图2 双余度永磁同步电动机控制系统框图

系统采用一个TMS320F2407作为系统的主控芯片，TMS320F2407包括两个功能完全一样的事件管理模块EVA和EVB，两发事件管理模块各包括两个定时器和带死区的PWM输出，能够满足电机双绕组控制的需要。本系统针对电机的位置传感器、隔离电路、逆变电路及绕组等故障点做了冗余设计。

在控制系统硬件设计的基础上，采用永磁同步电动机矢量控制的方法对电机实行精确控制。矢量控制以磁场定向控制为基本原理，通过速度反馈、电流反馈等构成速度环、电流环，实现双闭环控制，以维持系统运行速度的稳定性、电流响应的快速性。双冗余永磁同步电动机矢量控制系统的原理框图如图3所示。

图3 双绕组永磁同步电动机矢量控制系统原理框图

本系统采用热冗余工作模式，即电机正常工作时，两套绕组同时通电产生转矩。由于在电机加工中，两套绕组的电磁性能不能达到完全一致;逆变电路的功率器件之间管压降也存在差异，所以在两套绕组上加相同幅值的电压矢量容易引起绕组电流的不平衡［4］。电机采用id=0的控制方式，所以iq=is，则电机的额定电磁转矩:

此时电机的铜损:

从式(1)和式(2)中可以看出，电机的铜损和各套绕组电流的平方和成正比关系，而电机的转矩与两套绕组电流之和成正比关系，所以当输出额定转矩时电机的铜损随着两套绕组的电流变化而变化的。表1为额定负载下电动机铜损分析，表中数据为标幺值。

表1 不同电流下电动机的铜损耗

由表1分析可知，当两套绕组电流平衡时，铜损达到最小值。随着绕组电流差别变大，铜损也变大。铜损是电机发热的主要因素之一，电机过热将引起电机绝缘性能下降甚至烧毁绕组。因此，在控制中采用图3的电流分配方法，由速度环计算所得的电流给定值平均分配个两套绕组，作为绕组的电流给定值，使电机在相同出力的情况下铜损达到最小。

2.2 冗余运行分析

当电机一套绕组发生故障后，另外一套绕组要单独运行。如果此时电机还需要输出额定转矩，则工作绕组需要通额定电流的两倍，此时电机上的铜损如表1中状态3。若单绕组工作时不允许铜损增加，可以使工作绕组的铜损等于电机额定工作时的铜损，则可得:

式中:iN为电机正常工作时一套绕组的额定电流值，则电机额定转矩TeN=2KeiN。可得is=，则单套绕组工作时在铜损不变情况下允许的电磁转矩:

由此可知，如果要使电动机在单绕组工作时铜损不增加，则只能出额定力矩的70%。

如果要求单绕组长时间运行、能够输出额定转矩，则电机设计时需要做降额设计。

3 故障检测及冗余控制

电机绕组与逆变电路连接图如图4所示。

图4 电机绕组与逆变电路示意图

3.1 逆变电路断路故障［5］

根据图4分析，逆变电路断路故障可分为单管断路和两管断路。当单管断路时，假设T1断路，则绕组A中只能检测到反向电流;若T4断路，则绕组A中只能检测到正向电流;若T1和T4同时断路，则绕组A中没有电流。所以我们可以根据检测到的绕组电流情况判断出是否发生故障。如果发生断路故障，电机会有较大的转矩脉动，则应通过软件变换，将电机切换到单绕组工作模式。

3.2 逆变电路短路故障

控制器对母线电流有采样及硬件过流保护功能。假设T1发生短路，则当控制信号开通T4时，母线电压通过T1和T4形成短路回路，此时过流保护电路发出过流信号，控制器立即对控制信号进行封锁，暂时停止过流部分电路工作。为了防止干扰引起的误动作，对过流电路重复通电三次，当连续三次发生过流时，判定为发生逆变器短路故障。此时需要切断故障部分电路，即切断图4中的k1和k2。