双定子磁通切换电机的单相断路故障分析与容错控制*

徐天啸， 全 力， 朱孝勇， 项子旋， 张 超

(江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013)

双定子磁通切换电机的单相断路故障分析与容错控制*

徐天啸， 全 力， 朱孝勇， 项子旋， 张 超

(江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013)

研究了一种新型双定子磁通切换(DS-FSPM)电机在单相断路故障情况下，转矩脉动产生的机理。在此基础上，基于维持磁动势不变的控制思路，提出了一种适用于DS-FSPM电机的新型容错控制策略。该策略充分利用DS-FSPM电机内外电机可以同时独立运行的特点，通过重新分配内外电机工作电流，避免了未故障相绕组工作电流发生扰动，从而保证了电机输出转速及转矩的稳定。最终通过仿真分析证明了该容错控制策略的有效性。

双定子磁通切换电机； 转矩脉动； 故障分析； 容错控制

0 引 言

双定子永磁电机由于具有高功率密度、高效率和丰富的运行模式等优点，受到了国内外学者的广泛重视[1-5]。从结构的角度，双定子永磁电机可以被认为是由两台独立的永磁电机级联为一体，并且通过共用的转子部件大大提高了电机内部的空间利用率。因此，该类电机具有两个独立的电气端口和一个机械端口，由此为电机运行过程中的多模式能量转换提供了较高的自由度，使其在风力发电、电动汽车、混合动力汽车等领域具有广泛的应用前景。

近年来，随着应用场合对电力驱动系统运行的要求日益提高，大力改善驱动电机的可靠性成为了目前既热门而又极具现实意义的研究方向之一。容错特性作为提升系统运行可靠性的有效途径之一，引起了电机研究领域内相关学者的广泛兴趣和关注[6-7]。目前针对电机容错特性方面的研究主要分为两个方面： 本体拓扑结构和控制策略。从本体结构的角度而言，具有良好容错运行特性的典型代表为开关磁阻电机。然而，由于该类电机受限于相对较低的功率密度和转矩密度，因而应用场合较为单一。为了进一步提高功率密度，提出了转子永磁式和定子永磁式容错电机。该类电机不仅传承了较好的容错性能，而且具有相对较高的功率密度[8-10]。从控制的角度而言，文献[11-12]提出了最优转矩控制策略，在实现容错的前提下可以使电机工作在恒转矩和恒功率区，但是要经过复杂的迭代计算才能实现控制目标。文献[13-14]利用磁链、电流与转子位置之间的关系表格提出通过查表的方式进行故障辨识及容错控制，但是对于故障后的转矩脉动没有获得有效的抑制。总而言之，无论是本体拓扑结构的容错特性改善，还是容错控制策略的深入研究，多数均以传统的单定子单转子电机作为主要的研究对象。然而，双定子永磁电机由于具有两套独立的电气端口，较好的容错性能成为了该类电机的固有特性。因此，结合上述优点，研究新型双定子永磁电机的容错控制策略成为了目前该领域的研究重点[13-20]。

本文在一种双定子磁通切换(Dual-stator Flux-Switching Permanent Magnet, DS-FSPM)电机的基础上提出了相应的新型容错控制策略。该控制算法充分利用双定子电机内外电机相互可以独立运行的特点，使得电机某一相发生断路故障时，电机输出性能不变。并且，在分析电机断路故障的情况下，探究了转矩脉动产生的机理，通过采用内外电机绕组电流重新分配的方法进行容错控制，不仅降低了控制算法的复杂度，而且能有效抑制故障时的转矩脉动。最后，通过对一台DS-FSPM电机的数学模型及其控制系统进行仿真分析，证明了该控制策略的有效性及可行性。

1 DS-FSPM电机

双定子电机按机械结构分为同心结构和并行结构。同心结构即两个定子径向安装，安装圆心在同一个点；并行结构即两个定子轴向安装，安装圆心在同一根直线上。同心圆结构的双定子电机有功率密度高、转矩密度高的特点，电机的体积得到了充分的利用。双定子电机按磁路结构又可分为串联和并联结构。磁路串联时，内外定子磁链是一个整体，各相反电势相差60°；磁路并联时，内外定子磁链是独立运行的，互相不影响，并且内外电机的反电动势不是在空间上60°均等划分，而是对应相的反电动势相位差为0°。并联式磁路结构的电机能够允许内外定子相互独立工作，容错性能好。

本文中DS-FSPM电机的机械结构为同心结构，磁路结构为并联结构，如图1所示。电机内、外定子公用一个转子，电机定转子齿配比设计为12/22/12，即定子极对数ps=12，转子极对数pr=22。内、外定子采用集中式绕组，永磁体分别嵌于各个定子齿中间，且转子上既无绕组也无永磁体，结构简单。

图1 DS-FSPM电机截面图

2 故障态转矩脉动分析

根据功率守恒原则，忽略电机损耗，DS-FSPM电机内定子正常相绕组产生的电磁转矩可表示为

(1)

式中：Tpm_i——内定子某相绕组对转子产生的转矩；

prΨmIm——内电机每相绕组反电动势幅值；

pr——电机的极对数；

ψm——内电机永磁体耦合到电枢绕组的磁链最大值；

Im——内电机每相绕组电流幅值；

β——内电机电流滞后角。

可以看出，式(1)由恒定量及交变量组成，恒定量决定了DS-FSPM电机的内电机通过该相绕组所能输出的平均转矩；交变量决定了DS-FSPM电机的内电机通过该相绕组输出的脉动转矩。内电机正常运行时，各自的三相绕组处于对称状态，输出的交变量合成时可相互抵消，理论上不存在脉动转矩。在断路故障状态时，系统处于非对称状态，交变量不能完全相互抵消，故产生了缺相脉动转矩。若取β=0，根据式(1)，DS-FSPM电机内电机各相绕组的输出脉动转矩可表示为

(2)

为了方便分析故障状态下的脉动转矩，将式(2)表示成单位向量形式：

(3)

由于DS-FSPM电机的内电机和外电机定子各相是一一对应的，而且两个定子上测得的反电动势相位是一样的，所以内、外定子对转子的脉动转矩方程是相同的，只是在两个不同的坐标系里面。因此外定子对转子的转矩方程可表示为

(4)

同理，外电机脉动转矩表示为单位向量形式为

(5)

三相绕组正常状态下的脉动转矩向量如图2(a)所示，因为三相绕组通电保持对称，所以脉动转矩可以相互抵销。

假设内电机某相发生断路故障时，此时内电机的脉动转矩向量图如图2(b)所示，设图2中单相转矩的幅值为Tm，则单相断路故障的转矩脉动幅值也为Tm。

图2 三相绕组的转矩脉动相量图

通过以上分析可知，电机在故障状态下运行会产生转矩脉动，从而影响电机的驱动性能，因而需要一种容错策略来保证电机在发生上述故障状态下，使电机转矩脉动最小化输出，实现容错运行。

3 容错控制策略

由上述故障状态转矩脉动分析可知，在确定的故障状态下，缺相产生的脉动转矩相量幅值及相角都是确定的，因此，若能够补偿这确定的脉动转矩，并且能够保证故障时输出转矩不变，电机控制系统就可实现转矩脉动最小化的容错控制。

本电机为双凸极电机，电机本身有磁阻转矩大的特性，为了使电机稳定运行，采用矢量控制中的id=0控制算法，理论上磁阻转矩为0。通过式(6)可以得到平均电磁转矩与交轴电流iq的关系，因为如果确保输出转矩不变，则iq的值也能够确定，进而内外电机通过磁动势不变、坐标变换得到未故障相的给定电流：

(Ld内-Lq内)id内iq内]

(Ld外-Lq外)id外iq外]

(6)

将id=0代入式(6)得永磁转矩分量Tpm为

(7)

从式(7)可知，电机的永磁转矩正比于iq内与iq外之和。当电机正常稳定运行时，输出转矩不变，通过不断对各相电流进行控制，可得iq内+iq外是一个固定的常数，id内+id外为0。又因为内外电机的电气特性相同，所以，iq内=iq外=iq*，iq*为内外电机交轴电流的给定量，id内=id外=0。

图3 电机一相断路电流矢量图

图4 内电机一相断路容错电流矢量图

在得到故障状态下内外电机的交直轴电流后，外电机继续正常的矢量控制，而对于内电机，采用磁动势不变的坐标变换，得到未故障相的给定电流，具体变换方式如下。正常状态下，三相电流方程为

(8)

旋转磁动势为三相磁动势之和，即：

MMF= MMFa+MMFb+MMFc=

Nia+αNib+α2Nic

(9)

式中：N——每相匝数；α=1∠120°。 结合式(8)和式(9)得

(10)

当内电机a相开路时，有：

(11)

令式(10)和式(11)相等，则有：

(12)

令

(13)

则a相断路下的变换矩阵D为

(14)

式(12)～式(14)即为DS-FSPM电机内电机单相开路电流分配方案。

4 仿真分析

4.1 仿真模型

为了验证本文所提出的用于DS-FSPM电机容错控制策略的有效性，利用MATLAB仿真软件建立了DS-FSPM电机的本体模型以及控制系统模型。控制框图如图5所示。

图5 容错控制系统框图

图5中故障诊断模块用于实时监测电机绕组各相电流。当电机某相绕组出现断路的情况时，控制系统做出故障判断，确认故障之后，再根据上述容错控制策略给出未故障相的最优电流。为了保证发生故障后剩余正常相的逆变电路不受影响，采用各相绕组独立控制的H桥逆变电路，以实现DS-FSPM电机的各相绕组电流可以独立控制。通过上文所述，本文所提出的容错控制策略能够准确计算出每一相绕组的给定电流，控制系统据此通过电流滞环的方法控制H桥逆变电路，最终实现双定子电机的容错运行。

4.2 断路故障仿真分析

在此仿真模型中，给定转速为700r/min，转矩为20N·m，假设当电机正常运行时，内电机a相在0.04s时突然出现断路故障，利用仿真模型对该容错系统进行仿真验证。若没有采用容错策略控制，单靠PI调节，内外电机的绕组电流波形以及电机输出转矩和转速如图6所示。

图6 单相断路故障状态仿真波形

由图6可见，在没有任何容错控制策略的情况下，一旦出现单相断路故障，电机控制系统为了最大可能地保证输出性能不变，在PI调节的作用下，DS-FSPM电机的内外电机绕组电流幅值会出现严重不对称，从正常运行状态下的均是4A变成了4A到6A不等的杂乱电流，从而导致电机的输出转速和转矩都出现较大脉动，进而严重影响电机的输出性能。

如若采用本文的容错控制策略，内外电机的绕组电流波形、电机输出转矩和转速如图7所示。

对比图6和图7可以看出，凭借一个PI调节器，该容错策略能够保证电机从正常状态到故障状态的平滑过渡，电机输出的转速、转矩基本不变。内电机绕组电流在经过等效磁动势坐标变换后，相位差不再是对称的120°，而是60°，电流幅值由正常状态下的4A变为6A，并保持稳定。外电机由于没有故障相，因此绕组电流的相位差依旧保持对称的120°，只是幅值由于各相电流的重新分配变成了5A，并保持稳定，从而有效保证了电机的容错运行。

图7 单相断路容错运行仿真波形

5 结 语

本文在一种新型的双定子磁通切换电机的基础上提出了单相断路故障的容错策略。首先用向量法分析了该电机发生单相断路故障时的转矩脉动，并且对不加容错策略的故障情况进行了理论分析。然后结合DS-FSPM电机内外电机可以分别独立运行的特点，运用磁动势不变的坐标变换，重新分配未故障相的电流，实现容错控制。最后仿真结果表明，该控制策略可以保证DS-FSPM电机在容错运行时，输出转速及转矩值不变，且内外电机绕组电流分配合理。

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Fault-Tolerant Control of Dual-Stator Flux-Switching Permanent Magnet Motor with Single-Phase Fault*

XUTianxiao，QUANLi,ZHUXiaoyong,XIANGZixuan,ZHANGChao

(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University， Zhenjiang 212013, China)

Proposed a fault-tolerant control strategy based on a new dual-stator flux-switching permanent magnet(DS-FSPM)Motor and analyzed the torque ripple when one stator phase failure occurs. This strategy could keep the output speed and torque constant by redistributing the current of the inner and outer motor and maintaining the magnetic motive force invariant. Due to that the inner and outer motor of the DS-FSPM motor could be operated independently, the current of regular phases could maintain symmetrical and stable by using this control method. Simulation results proved the effectiveness of the method.

dual-stator flux-switching permanent magnet motor; torque ripple; fault analysis; fault tolerant control

国家自然科学基金项目(51377073)

徐天啸(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为磁通切换电机及其驱动系统。 全 力(1963—)，男，博士生导师，教授，研究方向为特种电机及其控制系统和汽车的电气控制技术。 朱孝勇(1975—)，男，博士生导师，教授，研究方向为电动汽车驱动控制技术，新型电机设计与控制等。

TM 307+.3

A

1673-6540(2016)07-0067-06

2016-01-26