AFFSFT电机单相故障容错控制方法*

杨佳峰，胡 芃，顾卫钢

(1.中国科学技术大学 工程科学学院，安徽 合肥 230031; 2.东南大学 电气工程学院，江苏 南京 211100)

0 引 言

电机的容错控制技术在航天、交通以及军工等领域都有重要的应用，在故障状态下电机的可持续运行，能够有效提高整个系统的可靠性和安全性，近年来，很多国内外的专家和学者都致力于容错电机的研究。文献[1]提出了一种三相轴向磁场磁通切换永磁电机(Axial field flux-switching permanent magnet machine，AFFSPMM)，具有转子结构简单、鲁棒性好、轴向长度短和转矩密度高等优点。在此基础上，文献[2]提出了一种具有E形齿的6槽/14极AFFSPM电机，即定子永磁轴向磁场容错电机(Axial filed flux-switching fault tolerant machine，AFFSFTM)，该结构不但可以增强电机的容错能力，在正常运行时还能让电机获得更宽的调速范围。

1 AFFSFT电机

1.1 电机结构及工作原理

AFFSFT电机由两个结构相同的外定子和一个内转子组成，两者均为凸极结构，永磁体和电枢绕组都置于定子上，图1为其3-D拓扑图。

图1 AFFSFT电机3-D拓扑图

图2所示为AFFSFT电机的调磁原理[2]，实线为电枢线圈的磁通路径，虚线为励磁线圈的磁通路径。图2(a)中两者磁通方向相同，为电机的增磁过程；图2(b)中两者磁通方向相反，为电机的去磁过程。励磁线圈在电机正常工作时用于调磁，在电机发生单相故障时利用其调磁能力辅助电机容错运行。

图2 调磁原理图

1.2 电机数学模型

图3所示为AFFSFT电机在额定转速下的三相反电势波形，其具有较高的正弦度，因此可以采用传统正弦波永磁同步电机的分析方法建立AFFSFT电机的数学模型[6]。

图3 AFFSFT电机三相反电势波形

在dq0坐标系下，经过坐标变换得到定子电压和转矩方程如下所示[7]：

(1)

式中：ud、uq和uf分别为电机的直轴电压、交轴电压和励磁绕组电压；Te为电磁转矩id、iq和if分别为电机的直轴电流、交轴电流和励磁绕组电流；Ld、Lq和Lf分别为定子直轴电感、交轴电感和励磁绕组自感；Rs为相绕组电阻；Rf为励磁绕组电阻；ωe为转子电角速度；p为转子极对数；Msf为相绕组与励磁绕组互感的幅值；ψpm为每相永磁磁链的幅值。

2 容错控制策略

由AFFSFT电机数学模型公式可知，在不使用励磁绕组，并且每相永磁磁链幅值和交直轴电感确定的情况下，分别控制id和iq可以控制电机电磁转矩，从而实现电机的矢量控制过程。本文在AFFSFT电机正常运行时，采用id=0的SVPWM控制。

在AFFSFT电机发生单相故障时，电机工作在两相三桥臂状态下，以基于矢量控制的恒磁动势法控制三个桥臂上功率管的开断，同时励磁绕组用于辅助容错。

2.1 容错拓扑

图4所示为AFFSFT电机容错拓扑，由三相四桥臂逆变器拓扑与励磁绕组H桥组成。前者最早应用于晶闸管构成的电流源逆变器中[8-9]，与传统三相桥逆变器相比增加了一个N相第四桥臂，N相桥臂中点与电机中性点相连。

图4 AFFSFT电机容错拓扑

在电机正常运行时，三相四桥臂逆变器的第四桥臂不投入运行，即开关管N1与N2恒关，逆变器作为传统的三相桥驱动电机运行；励磁绕组H桥用于控制励磁电流大小和方向，实现电机的增磁和去磁。当电机出现单相故障时，使用电气方式切除故障相，并将第四桥臂投入运行，使电机工作在两相三桥臂状态下，配合相应的控制算法，可以保证故障前后电机的电枢磁动势不变。

2.2 SVPWM容错控制算法

电机容错前后，保持定子电流具有相同的交直轴分量，则可以保证故障前后电机的气隙旋转磁场均为圆形旋转磁场。

电机正常运行时，逆变器六个非零电压矢量合成的相电压矢量为UAN，UBN，UCN，而Uα和Uβ为三相电压经过Clark变换后在αβ0坐标系下电压值；当电机发生单相故障时，以A相故障为例，关断A相的开关信号，实现故障隔离。将A相的电压矢量用电机中性点N相代替，电机运行在两相三桥臂状态下，此时逆变器的六个非零电压矢量合成的相电压矢量为UBN′和UCN′，而UAN′和UNN恒为0，Uα′和Uβ′为三相电压经过Clark变换后在αβ0坐标系下电压值。相应电压矢量表如表1所示。

表1 AFFSFT电机电压矢量表

由表1可发现，电机故障前后的αβ0坐标系下的电压矢量是相等的，在电角度相同的情况下，可以保证故障前后电机的交直轴电流分量是相等的，即可保证故障后的电机，依旧可以产生圆形旋转磁场。

因此，当电机发生单相故障时，由电机中性点N相代替故障相，并对故障相电气隔离，可以实现系统基于SVPWM的容错控制[9-10]。

2.3 励磁绕组辅助容错

(2)

(3)

笔者所控制的AFFSFT电机，在其E形齿的中间齿上绕有励磁绕组，增去磁范围在-25%～25%之间[2]。由于系统采用id=0的SVPWM控制方法，则式(1)所示的电磁转矩可以改写为[7]：

(4)

负载不变时，励磁电流if增大，交轴电流iq减小，即减小了非故障相电流的幅值。

3 仿 真

为了对上述控制方法进行验证，在Simulink中建立了仿真模型。其中，电机模型为一台600 W的AFFSFT电机，仿真参数：额定转速750 r/min，实验转速240 r/min，负载5.3 N·m。

在仿真过程中，以A相发生单相故障为例，无论A相发生单相断路故障还是单相短路故障，在检测到故障发生后，逆变器都会切除A相桥臂，接入N相桥臂，使电机工作在两相三桥臂状态下。

电机三相电流仿真波形如图5所示。故障发生在0.057 s，此时容错控制策略启动；在0.057～0.1 s期间，励磁绕组不进行辅助容错，0.1 s之后，施加2 A的励磁电流进行增磁。

图5 电机三相以及N相电流仿真波形

图6 电机转速仿真波形图

图7 电磁转矩仿真波形图

而图6和图7所示的电机平均转速和转矩与正常运行时并没有明显的差别，验证了所采用容错策略的有效性。

4 实 验

以额定功率为600 W、额定电压为100 V的AFFSFT样机作为控制对象进行实验研究，控制芯片采用TI公司的DSP。搭建的实验平台如图8所示。

图8 实验平台

实验以A相故障为例，故障发生在0.1 s时。由于对于单相短路故障和单相断路故障，系统的处理方式都是关闭故障相桥臂开关信号，将故障相电气切除，因此实验只验证A相发生断路故障的情况。

故障发生后，控制N相桥臂开关管开启，开关信号占空比变化规律与原A相相同。同时控制励磁绕组的H桥臂正向导通，使励磁电流升至2 A，即电机在采用SVPWM容错算法的基础上，继续增磁。

采取容错策略后的三相电流如图9所示，可以发现，容错之后非故障相，即B相与C相的电流幅值为5.3 A，相比正常运行时3.8 A左右的三相电流幅值增加了39.5%。可见，实验所用的容错算法确实可以一定程度上解决三相电机使用恒磁动势法容错的缺点。

图9 容错前后电机三相及N相电流波形图

电机的转速和转矩变化如图10和11所示。电机转速与转矩只在算法切换的瞬间产生了较小脉动，之后依旧可以保持稳定。

图10 电机转速波形图

图11 电磁转矩波形图

5 结 论

结果表明，笔者所提出的容错控制策略可以有效处理AFFSFT电机的单相故障，同时也解决了三相电机使用恒磁动势法容错后，非故障相电流幅值过大的问题。最大程度上利用了AFFSFT电机的新型结构，使电机的励磁绕组成为一种特殊的冗余结构，不但电机正常运行时可用于调速，而且在容错控制过程中也能发挥出很好的效果。该研究成果对其他三相永磁同步电机容错的分析、处理具有一定参考价值。