一种永磁同步电机的容错控制方法

2011-11-24杨克立

河南工程学院学报(自然科学版) 2011年1期

程辉，杨克立，周洪

(1.河南工程学院电气信息工程系，河南郑州 451191；2.中原工学院工业训练中心，河南郑州 451192)

三相变频驱动系统通常采用逆变器控制交流电机，但由于开关功率器件的脆弱性及控制的复杂性，使得实现SVPWM控制策略的逆变器易发生故障[1].一旦逆变器发生故障，整个驱动系统就丧失了正常工作的能力.同时，各种原因造成的绕组断路故障也会给电机带来严重的后果.因此，对于如何提高三相变频驱动系统的高可靠性，避免因故障造成的停机也在不断研究中[2-3].如今，不惜代价添加冗余附加硬器件设计，例如，在电机内部形成双套定子绕组或实行双逆变器控制，被广泛地研究并用来提高驱动装置的高可靠实用性[4]，但这不但增加了设计运行成本，也增加了检修费用.并且，在很多工业应用领域中，例如纺织、冶金轧机、航空航天及电动车等，当故障发生后，适当地降低系统的性能或者减少故障发生后的工作时间,以保证系统的连续运行也被视为可行的控制方法.于是，减少系统硬件冗余并且保持系统连续运行的容错控制策略目前已被广泛研究[5-8].虽然内部永磁同步电机的性能优越，在国内外工业界已取得了明显的经济效益，但是驱动控制系统的可靠性并不高这一缺点，限制了它的广泛应用.因此，研究并提高内部永磁同步电机控制系统的容错性能并尽可能地减少系统硬件冗余具有重要的现实意义.

1 控制策略

本文研究并设计的内部永磁同步电机的控制系统针对一桥臂或单相绕组的以下故障具有容错功能：(1)开关功率器件无驱动信号；(2)开关功率器件发生开路；(3)开关功率器件发生断路；(4)绕组开路.

式(1)中，ia，ib，ic为电机定子的三相电流，iα，iβ，iο为坐标系中定子电流分量 .

(2)

式(2)中，id，id，i0为d，q坐标系上定子电流分量，γ为转子磁极轴线与A相定子绕组的夹角.

由式(1)、(2)可得

(3)

图1 α-β平面上有用的电压矢量区域Fig.1 Projection on α-β plane

图2 平面上有用的电压矢量区域Fig.2 Projection on b-c plane

2 内部永磁同步电机容错驱动系统的设计

根据上述的控制策略，本文所设计的永磁同步电机容错驱动控制系统如图3所示.

图3 容错驱动控制系统Fig.3 Structure of fault-tolerant control system

系统中的电机为抽出中性线的内部永磁同步电机(IPMSM)，采用磁通正弦定向的电压矢量控制，通过对定子电压的调制来实现电机驱动，整体的系统控制设计包括3个部分.

2.1 发生故障的桥臂与电源完全隔离的检测与断开设计

一旦发生故障，不管是一相绕组断路还是一桥臂的一个或者两个开关器件发生故障，其所属桥臂均应与电源系统立即断开，使其完全不影响其他桥臂的正常工作，并且减少转矩波动.为此，采用比较和检测控制模块以检测各桥臂的输出电流信号与SVPWM模块的开关信号是否一致可以判断故障是否发生[7].在故障发生后输出相应的控制信号S-ID控制故障A桥臂的开关IDA，使其断开，将A桥臂完全与电源隔离，并用Sn代替Sa，同时输出的控制信号S-CD使电机中性线与逆变器的第四桥臂开关CD闭合，第四桥臂连入电路.

2.2 主硬件系统设计

主硬件系统包括电源、电流控制模块、SVPWM模块、逆变器模块和抽出中性线的永磁同步电机模块.电机输出转矩的电流分量id和iq,即给定量经过电流控制器的计算，产生参考输出量ud、uq，用于SVPWM波的生成以驱动IGBT，产生使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场所需的三相正弦电压，驱动电机正常工作.

2.3 反馈补偿设计

在电机的正常工作状态下，电机的中性线与逆变器断开，在三相三桥臂逆变器驱动下产生的三相正弦电压ua，ub，uc输入电机的三相定子绕组中，使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场.电机在A相故障状态下，A相断开，逆变器的第四桥臂与中性线联结，Sn代替Sa.三相三桥臂逆变器驱动下产生的三相正弦电压u1，u2和u3，驱动电机输出同样的转矩.故障后，电机稳定状态下定子电压的矢量方程[12]为

ud=rid-ωLqiq，

uq=ria+ωLdid+ωλm，

(4)

式(4)中，Ld，Lq，Lσ分别为定子绕组的直轴、交轴与零轴电感系数;ω，λm分别为转子电角速度与永磁体磁链.

电压矢量ua，ub，uc经过式(1)和式(2)的逆变换后可以得到电压矢量ud、uq.同样的方法，故障后的电压矢量u1，u2和u3也可以计算得到电压矢量ud、uq.结合矢量方程(4)，比较两个电压矢量可得

(5)

由公式(5)可知，为保持相同的电机输出转矩所提供给逆变器的电压矢量是不相等的，相异的电压矢量也是一个正弦矢量，其频率为定子电压的2倍.为提高故障后转矩的稳定性，所设计的补偿模块如图3所示.模块中的反馈电压矢量为

uff，d=f(id，iq，ω，θ)cos(γ)，

uff，q=-f(id，iq，ω，θ)sin(γ)，

(6)

3 仿真结果

为验证本文所提出的控制策略和容错控制系统设计的可行性，利用Matlab软件对上述IPMSM驱动控制系统进行了仿真.同步电动机模型参数为：额定电压220 V，额定电流40.1 A，额定转矩151.02 N.m，额定转速1 000 r/min，极对数为3，直轴电感Ld=8.5×10-3H，交轴电感Lq=14.5×10-3H和零轴电感Lσ=0.5×10-3H，λm=0.175 Wb.图4为仿真结果图.

(a) 故障前后相电流波形 (b) 故障前后iq和id波形(a)Phase current waveform (b) Waveform iq ofid and

4 结束语

本文研究了IPM电机在逆变器驱动发生故障后一种新颖的容错控制策略，和常规的容错控制策略相比，该方法采用变三相四桥臂逆变器驱动并从IPM电机中引出中性线进行控制，简化了硬件电路，故障发生前后输出的转矩保持恒定.仿真结果表明，该方案可靠可行.

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