8/6极电励磁双凸极电机单相开路故障容错控制拓扑*

王兰凤，　陈志辉，　何海翔，　赵凯弟，　张卓然

(南京航空航天大学 多电飞机电气系统重点实验室，江苏 南京　210000)



8/6极电励磁双凸极电机单相开路故障容错控制拓扑*

王兰凤，陈志辉，何海翔，赵凯弟，张卓然

(南京航空航天大学 多电飞机电气系统重点实验室，江苏 南京210000)

容错型电机驱动系统成为国内外学者的研究热点。提出了8/6极电励磁双凸极电机(WFDSM)单相开路容错型拓扑结构，借助有限元电磁场分析技术，在分析电磁转矩的产生机理基础上，对此拓扑结构的控制策略以及电机在正常运行、单相开路及单相开路容错这三种不同工作状态下的运行特性进行了分析研究。仿真结果表明，此拓扑结构可以有效地降低故障对电机运行产生的影响，验证了该拓扑结构的有效性。

电励磁双凸极电机； 开路故障； 有限元分析； 容错控制

0　引　言

随着电机驱动系统应用领域愈加宽泛，特别是航空航天、军用、工业及其自动化等高可靠性要求的场合，对电机驱动系统提出了故障容错的需求[1]。

电励磁双凸极电机(Wound-Field Doubly Salient Motor, WFDSM)凭借其结构简单可靠、功率密度高、励磁调节方便及容易实现故障灭磁等优点，愈来愈受到国内外学者的关注。目前针对容错型双凸极电机驱动方面的研究主要集中在电机本体和控制策略这两个方向[2-5]。

对于容错电机本体设计方面，文献[6]以一台电励磁双凸极发电机为原理样机，通过在定子设置空间上相差180°机械角且结构上互相串联为一相的两套电枢绕组，实现了双通道并联发电。文献[7]对一种用于直驱风力发电机的五相容错电励磁双凸极发电机进行了研究，该电机带有容错齿，对开路故障及理想短路故障进行了静态空载仿真分析研究，但没有对加载时的开路和短路故障进行详细分析，且没有分析励磁电流对故障输出电压的影响，容错性的结论还没有进行试验验证。文献[8-9]推导了五相容错型电励磁双凸极发电机应满足的定转子极数比，并通过分析一台20/16 DSEG样机在单相开路、相邻两相开路、非相邻两相开路以及单相短路情况下的运行特性，说明该电机具有良好的容错性能，同时验证了该理论的正确性，但其局限性在于该理论只适用于五相电机。

对于容错型控制策略方面，文献[10]针对三相四桥臂逆变器，通过电流解耦控制，对系统中的短路故障进行容错控制。文献[11]对双凸极电机驱动系统中全桥变换器的单相故障进行了分类、检测与诊断，通过引入双向开关对故障后的驱动系统进行变换器重构，并给出故障容错运行时系统的换相逻辑与电流控制方法。试验结果说明了该方案能够实现故障之后的重构运行，同时维持系统输出特性。文献[12]以8/6极永磁双凸极电机为研究对象，通过将电机内的绕组重新组合，实现逆变器故障隔离。正常运行时，电机工作于四相全桥功率变换器状态，为两相运行模式；故障容错运行时，电机四相彼此独立，为四相半桥功率变换器状态。文献[13]对四相8/6极WFDSM在并联桥发电方式下的短路故障特性进行了分析，试验结果表明该电机作为发电机使用时具有一定的容错性能。

因此，本文以8/6极WFDSM为研究对象，提出了一种基于全桥变换器的单相开路故障容错型驱动控制拓扑结构。当系统检测到故障发生时，此拓扑结构能够对故障后变换器和绕组进行重新组合，实现故障隔离从而减小故障对电机运行特性的影响，使得电机仍能维持较好的运行特性。利用有限元仿真，研究了WFDSM电磁转矩的产生机理，推导出四相12状态新型控制逻辑，对电机工作于正常、单相绕组开路故障及故障后容错情况下的电磁特性进行了对比分析。结果表明，本文提出的驱动控制拓扑可以有效地降低单相开路故障对电机运行产生的影响。

1　电机特性

图1为本文研究的四相8/6极WFDSM的电机截面图。该电机仅有一套励磁绕组，励磁绕组跨过四个定子极，分布在相对的两个大槽内。A、B、C、D分别为四相定子极，呈顺时针分布，空间相对的两个定子极绕组串联或并联构成一相电枢绕组。与传统四相8/6极双凸极电机不同的是，本文研究的样机将转子极弧系数从1/4增加到1/3，定子极宽由15°增加到20°。本文以图1所示的位置为转子位置起始时刻，即转子开始滑入A相定子齿为0°机械角度。电机主要结构参数如表1所示。

图1　8/6极WFDSM样机截面图

参数名称参数值参数名称参数值定子外径/mm245转子外径/mm122.6定子内径/mm123.4转子内径/mm40定子轭厚/mm37.5转子轭厚/mm21.3气隙/mm0.4铁心长度/mm150铁心材料DW310-35额定转速/(r·min-1)240

本文利用Maxwell有限元仿真软件，进行单相通电控制仿真，研究每相绕组产生电磁转矩的机理。仿真条件如下： 励磁电流if=10A，转速n=240r/min，每相绕组分别通幅值为10A的恒定电流，即四相绕组分别通+10A的正向电流得到各相绕组通正向电流产生的转矩波形，如图2(a)所示。四相绕组分别通-10A的负向电流得到各相绕组通正向电流产生的转矩波形，如图2(b)所示。

图2　单相通电转矩波形

单相绕组产生正电磁转矩的电角度区间如表2所示。各相绕组通正向电流及负向电流产生正转矩的电角度范围有所不同： 通正向电流产生正转矩的持续时间为150°电角度，且相邻导通相产生正转矩范围存在60°的重合区间；而通负向电流产生正转矩的持续时间为120°电角度，且相邻导通相产生正转矩范围存在30°电角度的重合区间。以A相电枢绕组为例，当A相绕组通正向电流时，A相绕组产生正电磁转矩的电角度区间为0°～90°及300°～360°；当A相绕组通负向电流时，A相绕组产生正电磁转矩的电角度区间为120°～240°。因此为充分利用A相绕组产生正电磁转矩的电角度区间，应在0°～90°及300°～360°电角度内给A相绕组通正电，在120°～240°给A相绕组通负电，其他相绕组通电规律可进行类似分析。

表2　单相通电控制时正向转矩的电角度范围

根据WFDSM相绕组产生正电磁转矩的电角度范围得到本文研究的四相8/6极WFDSM的四相12状态新型控制逻辑，如图3所示。

图3　新型WFDSM控制规律

根据图3中黑色实线所示的理想空载电感曲线，遵循“在电感的上升区间通入正电流，下降区间通入负电流”的两相通电控制原则，可以确定全桥控制拓扑下的标准角控制策略，如图4所示。

图4　正常标准角控制逻辑

表3对新型控制规律下功率管的开关状态进行了细分。可以发现，在该控制规律下，控制任意一相电枢绕组正向导通的功率管(桥臂上管)驱

表3　新型WFDSM控制策略

动信号比控制其负向导通的功率管(桥臂下管)驱动信号滞后30°电角度，避免了变换器出现直通现象。同时，与全桥标准角控制规律相比，任一桥臂的上管开通时刻提前了60°电角度，下管的关断时刻滞后了30°电角度，在标准角度控制换相时刻后60°～90°电角度存在四相同时导通的时间，后90°～120°存在三相同时导通的时间，而且每相导通时间由原来的180°增加到270°电角度。WFDSM的导通方式在360°电周期内存在两相、四相和三相不断切换的情况。

2　容错型拓扑结构

为提高8/6极WFDSM的电动容错性能，提出了一种可以减小单相绕组开路故障影响的新型拓扑结构，如图5所示。图5中，Uin是逆变器母线输入电压，通过三相交流电整流得到。电机的励磁绕组为他励结构，Uf是励磁电压。Q1～Q8为控制功率管，D1～D8为并联在功率管两端的反相二极管，功率管关断时起续流作用。C1、C2为并联在母线电压两端的等容量分裂电容，O为分裂电容的中点。S为故障容错控制开关，规定相电流及相绕组反电势的正方向如图5中所示。

图5　8/6极WFDSM容错控制拓扑

电机正常电动运行时，开关S为断开状态，驱动电路为全桥控制拓扑，可以有效地提升电机的转矩输出能力。当检测到有绕组开路故障发生时，将电机四相绕组的公共端N连接至分裂电容中点O，实现对驱动电路拓扑结构进行重构，以削弱故障相对其他正常相的影响，从而减小对电机运行特性的影响。

以A相绕组发生端部开路故障为例，电机工作于单相绕组开路故障时的等效控制电路如图6(a)所示，此时由于A相绕组开路，只有B、C、D相对电机出力有贡献，电机处于缺相运行状态；A相开路故障容错运行时的工作状态如图6(b)所示，此时开关S闭合，驱动系统由四相全桥变换器结构转换为四相半桥功率变换器，各相绕组之间彼此独立，从而实现故障相隔离，削弱其对电机运行特性的影响。

图6　A相开路故障下的运行状态

3　仿真分析

3.1正常电动运行

采用全桥控制拓扑可以有效地提升电机的转矩输出能力，同时转矩脉动相对较小。按图3所示的新型通电规律给8/6极WFDSM相绕组通电，WFDSM的导通方式在360°电周期内存在两相、四相和三相不断切换的情况。

利用有限元仿真软件对电机正常运行时的电磁特性进行分析。仿真条件如下： 母线输入电压Uin=150V，励磁if=10A，转速n=240r/min，同时对相绕组电流进行滞环斩波控制，幅值变化范围为9.5～10.5A，结果如图7所示。

图7　正常电动运行的磁链、电流及转矩波形

初始位置时，转子开始滑入A相定子极，Q1、Q8持续导通，A相磁链呈上升趋势，A相电流幅值正向增大，由于A相电枢反应的增强使得C相磁链略有下降，C相电流斩波控制在负向最大值，A、C相产生的转矩正向叠加使得电机总的输出转矩呈上升趋势。30°电角度时，转子完全滑出C相定子极，Q2、Q3开通，B、D相绕组电流幅值从零开始增大，A相绕组电流略有下降，此时电机输出转矩主要由A、D相绕组产生的电磁转矩构成，由于A相绕组电流减小，D相绕组电流较小，使得在30°～60°电角度内，电机的输出转矩呈下降趋势。60°电角度时，Q8关断，C相绕组电流通过D5续流，Q1、Q2持续导通，使得D相绕组电流持续增大，由于相电流的约束关系使得A相电流略有下降。此时电机输出转矩主要由A、D相绕组产生的电磁转矩构成，由于A相绕组电流减小，D相绕组电流幅值虽然呈上升趋势，但考虑励磁磁阻转矩的影响，所以电机输出转矩在60°～90°电角度区间内出现最小值。其他区间内的状态可做类似分析。

为表征电磁转矩脉动情况，定义转矩脉动系数：

式中：Tmax——转矩最大值；

Tmin——转矩最小值；

Tave——平均转矩。

四相8/6极WFDSM正常运行时，各相绕组磁链和相绕组电流幅值接近，波形曲线变化趋势一致，只是在相位上互差90°电角度，电机输出电磁转矩在一个电周期内变化4次，电磁转矩平均值和转矩脉动系数分别为39.98N·m和0.68。

3.2单相开路故障运行

电机驱动系统为全桥控制拓扑且逆变器采用四相12状态新型控制逻辑时，相绕组电流之间的耦合性较强，尤其在标准角度控制换相时刻后30°电角度内，电机为两相运行状态。当某相绕组端部发生开路故障时，故障相绕组电流为零，同时由于非故障相绕组不能与该相绕组构成完整的电流回路，使得此时非故障相绕组的电流也为零。在其他运行时刻，WFDSM运行在三相或者四相运行模式，相绕组电流满足KCL约束条件：ia+ib+ic+id=0。当某相绕组发生开路故障时，该相电流为0，同时非故障相电流存在不同程度的电流缺失，使得相绕组对电机出力贡献减小，造成电机输出转矩产生缺口，转矩脉动增加，电机性能显著下降。

A相绕组端部开路故障时的相绕组磁链、相绕组电流及转矩波形如图8所示。由图8可以发现，四相绕组磁链的对称性明显比正常运行时差。与正常电动运行时对比，A相绕组发生开路故障时，在1/4电周期内，B、D相绕组电流值较正常运行时小，C相电流幅值受A相开路影响最大。同时，A相绕组开路后，电机的输出转矩幅值明显低于正常运行时的转矩，且在某些时刻电机输出转矩为负值。此时的平均转矩和转矩脉动系数分别为21.01N·m和2.67，平均转矩较正常运行时降低了47%，转矩脉动系数接近正常运行时的4倍，不利于电机电动运行。

图8　A相开路运行的磁链、电流及转矩波形

3.3单相开路容错运行

当检测到有绕组开路故障发生时，通过闭合开关S，将电机四相绕组的公共端N连接至分裂电容中点O，实现对驱动电路拓扑结构进行重构，使WFDSM驱动电路为四相半桥功率变换器结构，四相绕组之间彼此独立。A相开路容错运行系统波形如图9所示。

从图9可知，A相开路容错运行时，非故障相磁链与正常运行时的磁链特性相差无几。正常运行时，电机驱动系统为全桥控制拓扑，相绕组电流之间的耦合性较强，而A相容错运行时的拓扑能实现对相绕组的独立控制，削弱了故障相对其他正常相的影响，改善了全桥控制时故障相电流缺失引起的电流不对称问题。由图9所示的相绕组电流波形可知，B、C、D相绕组电流幅值及变化趋势一致，只是在相位上互差90°电角度。

不同运行状态下相电流有效值对比如表4所示。由于A相开路容错运行状态下，各相绕组之

图9　A相开路容错运行磁链、电流及转矩波形

间彼此独立，有效隔离了开路故障对非故障相电流的影响，同时对相电流采取滞环斩波控制使得B、C、D相绕组电流有效值与正常运行时的电流参数较为接近，明显改善了A相开路引起的电流不对称情况。

表4　不同工作状态下的四相绕组电流有效值对比

通过表5所示的电磁转矩特性可知，A相开路容错运行时，由于驱动电路拓扑的重构使得非故障相电流及对电机出力的贡献不受故障相的影响，弥补了转矩缺失，缓解了转矩脉动情况。仿真结果表明，电磁转矩平均值为26.52N·m，且始终为正，没有出现转矩死区；同时转矩脉动系数为1.36，较故障状态降低了49%，电机仍能维持较好的输出特性。

表5　不同工作状态下电磁转矩特性对比

因此，图5所示的四相8/6极WFDSM容错控制拓扑在发生单相开路故障时能实现故障状态至容错状态的切换，有效弥补了故障相的转矩缺失，减小了转矩脉动，改善了四相WFDSM在单相开路故障情况下的转矩输出性能，提升了驱动系统的容错性和可靠性。

4　结　语

本文针对四相8/6极WFDSM的结构及运行特性，对双凸极电机容错型控制拓扑进行了研究，取得了如下研究成果：

(1) 深入分析四相8/6极WFDSM各相绕组产生正向电磁转矩的机理和特点，提出了新型WFDSM控制策略。

(2) 提出了一种具有单相开路容错性能的电机驱动系统拓扑，当检测到有故障发生时，通过对驱动电路拓扑结构进行重构，实现故障容错运行。

(3) 对8/6极WFDSM在正常、单相开路及单相开路容错运行这三种不同工作状态下的运行特性进行了对比分析，通过有限元仿真对本文所提出的拓扑结构进行了验证。结果表明，当发生单相开路故障时，通过改变控制拓扑结构将电机绕组进行重新组合，使得电机从故障状态转换至容错运行状态，实现故障相与非故障相隔离，有效减小开路故障对电机运行特性的影响，从而提高整个四相8/6极WFDSM驱动系统的容错性能。

[1]赵文祥,程明,朱孝勇,等.驱动用微特电机及其控制系统的可靠性技术研究综述[J].电工技术学报,2007,22(4)： 38-46.

[2]MECROW B C, JACK A G, HAYLOCK J A, et al. Fault-tolerant permanent magnet machine drives[J]. IEEE Proceedings-Electric Power Applications,1996,143(6)： 437-442.

[3]JAHNS T M. Improved reliability in solid-state ac drives by means of multiple independent phase drive units[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1980(3)： 321-331.

[4]ZHAO W, CHENG M, ZHU X, et al. Analysis of fault-tolerant performance of a doubly salient permanent-magnet motor drive using transient cosimulation method[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(4)： 1739-1748.

[5]ZHAO W X，CHAU K T，CHENG M，et al．Remedial brushless AC operation of fault-tolerant doubly salient permanent-magnet motor drives[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(6)： 2134-2141.

[6]吕飞,周波,魏佳丹.基于双绕组电励磁双凸极电机的双余度发电系统[J].中国电机工程学报,2007,27(6)： 21-25.

[7]ZHU D, QIU X, ZHOU N, et al. A novel five phase fault tolerant doubly salient electromagnetic generator for direct driven wind turbine[C]∥Electrical Machines and Systems, 2008. ICEMS 2008. International Conference on IEEE,2008： 2418-2422.

[8]赵耀,王慧贞,肖岚,等.五相容错电励磁双凸极电机容错特性分析[J].中国电机工程学报,2013,33(24)： 135-142.

[9]赵耀,王慧贞,赵晓中,等.五相容错双凸极发电机单相短路故障分析[J].中国电机工程学报,2013,33(30)： 90-97.

[10]穆晓敬,郝振洋,黄义红.基于三相四桥臂的永磁容错电机控制系统研究[J].微特电机,2014,42(11)： 81-83.

[11]魏佳丹,周波.双凸极电机全桥变换器单相开路故障容错方案[J].中国电机工程学报,2008,28(24)： 88-93.

[12]杨正专,程明,赵文祥.8/6极双凸极永磁电动机驱动系统容错型拓扑结构[J].电工技术学报,2009,24(7)： 34-40.

[13]陈志辉,杨志浩,谢淑玲.电励磁双凸极电机并联桥短路故障的研究[J].电机与控制学报,2014,18(4)： 11-16.

Fault Tolerant Control Topology for 8/6-Pole Wound-Field Doubly Salient Motor under Single Phase Open Fault Condition*

WANGLanfeng，CHENZhihui，HEHaixiang，ZHAOKaidi,ZHANGZhuoran

(Center for More Electric Aircraft Power System, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210000， China)

It is known that fault-tolerant driving system has been of great interest for the motor drive community and marketplace. A new fault tolerant drive topology for an 8/6-pole wound-field double salient motor(WFDSM) was proposed. Based on the analysis of mechanism and properties of electromagnetic torques production, operation characteristics of the proposed topology under various conditions were simulated, including normal condition, single phase open circuit fault condition and single phase open circuit fault tolerant condition with the help of finite element analysis. The proposed topology was validated by simulation which showed that the proposed topology could effectively reduce the influence of open circuit fault on the electromagnetic performance of the motor.

wound-field doubly salient motor(WFDSM); open circuit; finite element analysis(FEA); fault tolerant control

南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金项目(kfjj20150305)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目；江苏省产学研联合创新资金——前瞻性联合研究项目(BY2014003-13)

王兰凤(1992—)，女，硕士研究生，研究方向为电机及其控制技术。

陈志辉(1972—)，男，副教授，研究方向为航空电源系统、电机及其控制技术。

TM 307+.1

A

1673-6540(2016)09- 0092- 07

2016-03-17