8、6極雙凸極永磁電機驅(qū)動

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1、CD國科技論袁在纟玉 http: 1 mvw paper, 8/6極雙凸極永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)容錯型 拓撲結(jié)構(gòu)的研究 楊正專，程明，趙文祥 東南大學電氣工程學院，江蘇南京（210096） E-mail: mcheng@seu edu cn 摘 要：驅(qū)動系統(tǒng)的可竈性問題得到了廣泛關(guān)注。本文提出了 8/6極雙凸極永磁（DSPM ） 電機驅(qū)動系統(tǒng)容錯型拓撲結(jié)構(gòu)，并建立了場路揺合聯(lián)合仿真模型.在對8/6極DSPM電機 的運行特性及常見的故障狀況進行詳細分析的雖礎(chǔ)上，對此拓撲結(jié)構(gòu)的控制策略以及電機 在不同工作狀態(tài)下的運行特性進行了分析研究。樣機的實驗結(jié)果臉證了該拓撲結(jié)的有效性 以及仿真分析

2、結(jié)果的正碉性仿真和實驗結(jié)果表明，此拓撲結(jié)構(gòu)可以有效地降低故障對電機 運行產(chǎn)生的影響，從而為8/6極DSPM電機驅(qū)動系統(tǒng)的容錯控制打下了尿礎(chǔ). 關(guān)鍵詞：雙凸極電機驅(qū)動，永磁電機，容錯，拓撲結(jié)構(gòu)，聯(lián)合仿真 1引言 微特電機及其控制系統(tǒng)的電力電子器件心在著一定的故障率，使得電機驅(qū)動系統(tǒng)的可 靠性問題逐漸凸現(xiàn)出來，特別是在航空航大、軍事裝備、礦井軋鋼、電動車輛等對連續(xù)操 作有較鳥耍求的領(lǐng)域，可幕件顯得尤為匝要3】。盡管人們?yōu)樘岣哒{(diào)速系統(tǒng)的可旅性做了人 帚的研究，如采取降額設(shè)計電力電子電路、使用并聯(lián)冗余尤件或電路等方法，但這些設(shè)計 方法會使電源的造價過高，僅適合特殊應(yīng)用場介。 雖近，雙凸極水磁（

3、DSPM〉電機得到快速發(fā)展。香港人學CCChan教授等人捉出-?種 新型8/6極雙凸極水磁電機。此電機與對應(yīng)的6/4極雙凸極永磴電機相比八仃更高的功率 密度、更寬的調(diào)速范由、更小的轉(zhuǎn)矩脈動以及更低的繞組電流幅值⑷。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了 8/6極電機的尺寸和參數(shù)⑸：同時提出了分裂繞組的方法提高恒功率運行的范閘⑹。DSPM 電機與永磁fl流無刷（BLDC）電機和開關(guān)磁阻（SR）電機相同，也存在轉(zhuǎn)矩脈動較人的 問題。一些學者作了人彊研究，他們? J'- 8/6極DSP\I電機的特殊結(jié)構(gòu)，分別對通過兩相 運彳j?的方法來減小轉(zhuǎn)矩脈動進彳f了理論和實驗研究曲】。但此電機是山逆變器供電，逆變器 的功率管存在

4、一定的故障率。在網(wǎng)相運行時，功率管故障將會對電機運行產(chǎn)生絞人的影響。 因此 本文針對8/6極DSPM電機的特殊結(jié)構(gòu)，提出了一種H旳容錯性能的驅(qū)動系統(tǒng) 拓撲結(jié)構(gòu)。為檢測到故障發(fā)生時，此拓撲結(jié)構(gòu)能夠?qū)濍姍C的繞組進行匝新組介，從而減小 故障對電機運行的影響，使得驅(qū)動系統(tǒng)能夠較好的帶故障運行。在分析了該電機不同運行 形式I、'轉(zhuǎn)矩特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)常見的故障狀態(tài)，運用了場路耦介聯(lián)介仿真的分析方法， 對該拓撲結(jié)構(gòu)在不同運行狀態(tài)卜的電磁特性進彳J：了研究。最后，在DSPM電機試驗平臺上 進行了實驗驗證。 基金項B＞國家自然科學?金慮點項11（50337030）.江蘇省研憲生科技創(chuàng)新il劃項11 2

5、電機特性 圖1為-臺四相8/6極DSPM電機的截面圖，定轉(zhuǎn)了均為凸極結(jié)構(gòu)；定子上裝仃集中 式繞組，徑向和對齒上的繞組串聯(lián)構(gòu)成-?相：轉(zhuǎn)子上既沒仃繞組，也沒仃永磁體，適合高 速運行。DSPM電機定子鐵芯中放置了薛性能永磁體。為了避免單邊磁拉力，定轉(zhuǎn)子沿徑 向是対稱的，I大I此DSPM電機的定轉(zhuǎn)子極數(shù)均為偶數(shù)。 3 CD國科技論袁在纟玉 http: 1 mvw paper, # CD國科技論袁在纟玉 http: 1 mvw paper, 圖18/6雙凸極永磁電機截面圖 在理想情況卜?，忽略DSPM電機的邊緣效應(yīng)和鐵芯磁阻等因索，町認為各相繞組在一 個周

6、期內(nèi)永磁磁鏈值僅與轉(zhuǎn)子位置角白關(guān)，而與電流無關(guān)。在8/6極DSPM電機的報動系 統(tǒng)屮，肖a相繞組屮通入電流1,永磁磁通和電樞電流的相互作用在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一轉(zhuǎn)矩T(e, 1)： g)寺 空+雖 de do 4t?P： L為一相繞纟H電感：忖為—?相永磁應(yīng)鏈：7； =(1/2)尸6厶/6。為電感變化產(chǎn)牛 的磁阻轉(zhuǎn)爐：0為轉(zhuǎn)子位置角。 兩相運行是指分別將A相繞組和C和繞組，B相繞組和D相繞組反向串聯(lián)，形成V 相和W相。因此8/6極DSPM電機的反電動勢，可以用正眩函數(shù)來近似，V相的反電動 勢如公式(2)和公式(3)所示： ev = E siii( 60) 即： d 屮 pm =

7、 E sin( 6<9) ⑶ dO co W相反電動勢為滯后V相90。的正弦兩數(shù)。 同時,由于-A相繞組和C相繞組，B相繞組和D相繞組分別反向串聯(lián),自感疊加, 可以近似認為V相和W相的門感為常數(shù)。參照反電勢的相位，為電機繞組通入相應(yīng)的如 公式(4)所示的正弦波電流： # id 國 aaaiiexs^ http:/ ■ A 厶 =Zsin( 60) =Zsiii( 60 - 90 c) ⑷ 則所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為： ■ Ty ￡7 sin 2(6。) < CO ?y (5) T El sin -(6(9-90°) 1 W c

8、o 因此可得介成轉(zhuǎn)矩為： 〒丁 El T = "+ G = (6) co 式（6）表明，兩相運行時. 電機轉(zhuǎn)矩輸出為一恒值，沒有脈動。 半然，由「反電勢屮仍然仃少起諧波，以及由「?功率器件開關(guān)頻率所限，實際的電樞 電流也不是理想的正眩波，故實際運行中電機的輸出轉(zhuǎn)矩仍然冇一定屆的脈動。 3逆變器故障工況及拓撲結(jié)構(gòu) 3.1故障工況分析 電壓源熨逆變器常見的故障模式可歸為以卜兒類⑵: 1） 任一功率開關(guān)器件開路故障（F1）： 2） 任-逆變橋臂兩開關(guān)器件開路故障（F2）： 3）任一功率開關(guān)器件短路故障（F3）。 逆變器上的開關(guān)器件通常由獨

9、工的基極騾動電路驅(qū)動，柴動電路單尤的故障通常我現(xiàn) 為驅(qū)動電源失效、尤件擊穿或開路。故障F1可由J：控制極擊穿、斷路或該開關(guān)器件無觸 發(fā)信號或損壞所致。故障F2可由基極電路故障或是驅(qū)動控制單?元的驅(qū)動指令邏輯發(fā)生故 障所致。故障F3是由J：開關(guān)器件的反向擊穿或橋宵的絕緣破壞（即逆變器屮的任一?開關(guān) 器件一W保持導通狀態(tài)），這是-?種較為嚴璽的故障，它會造成其他器件的損壞。當故障 F3發(fā)生時，通常逆變器電路保護系統(tǒng)會口動關(guān)斷同一橋臂上的另外一個開關(guān)器件，以免發(fā) 生上下橋臂直通故障。 3. 2容錯拓撲結(jié)構(gòu) 為提高8/6極DSPM電機的帶故障運行能力，本文提出了一種可以減小故障影響的新 型拓撲結(jié)構(gòu)

10、,如圖2 （a）所示。在正常情況下,電機以兩相運行（即TR1及TR2處丁斷 開狀態(tài)）可以仃效地減小轉(zhuǎn)矩脈動。當檢測到仃故障發(fā)生時，通過改變驅(qū)動電路拓撲結(jié)構(gòu) 將電機內(nèi)的繞組電新組合（即開通TR1和TR2）,以減小逆變器故障對電機運行帶來的影 響。以開關(guān)器件T2發(fā)生開路故障為例，當電機處「?兩相運行方式卜，發(fā)生故障時的匸作 狀態(tài)如圖2 （b）所示；當電機匸作在容錯運行方式卜的匸作狀態(tài)如圖2 （c）所示,通過開 通TR1和TR2?使DSPM電機丁作/四相半橋功率變換器狀態(tài)，四相繞組2間彼此獨立。 7 LI 8 LI 5 LI 6 Lr ITrvmrv -iTl為 Fd 「卜 8卜 r3卜4

11、卜 LI 2 ?卜： (b)故障運彳亍 圖2 8/6極DSPM電機驅(qū)動系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的各沖運行狀態(tài) 3. 3故障檢測 對J：DSPM電機驅(qū)動系統(tǒng)，只需開通TR1和TR2,對電機的繞組進行重新組介即可 將電機從故障狀態(tài)切換至容錯狀態(tài)運行。因此，DSPM電機驅(qū)動系統(tǒng)的故障檢測相對簡單, 只需檢測是否仃故障發(fā)生，而不謂耍確定八體的故障相。故障檢測的方法一般仃電壓檢測 法和電流檢測法【⑼，本文使用了電流檢測法?可設(shè)兩相中K(K=V, W)相的參考電流為M， 實測電流為山，檢測變杲為％樸則檢測員可表示為： el:k = hk - hk = 土也 + 5 <7) 其中:A肚為相電流的帶寬值,

12、&為相電流的差值。 卄在連續(xù)兩個檢測周期內(nèi)?同兮，則說明有故障發(fā)生，因為在此驅(qū)動系統(tǒng)控制中使用 了滯環(huán)控制方式，若在正常情況卜，第一次檢測&X),開關(guān)管將會關(guān)斷電流卜降。由于同 一電路結(jié)構(gòu)，電流上升與下降得速率相同，因此連續(xù)兩個檢測周期內(nèi)的&應(yīng)為異號。此故 障檢測汕的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。 參考電流 實測電流 實測電流 參考電淤I 電流帶寬值 切換 電流帶寬值 第-次檢測第一 ?次檢測 # id 國 aaaiiexs^ http:/ # id 國 aaaiiexs^ http:/ 対「?任一開關(guān)器件短路故障，町以直接通過開關(guān)器件匕的電流

13、I：升速率來檢測。因為 7 B 國 BKitxE 線 http: "wxvw.papei. 當故障管同橋臂匕的另一開關(guān)器件開通時，此橋臂匕的兩開關(guān)器件宜通，電流急劇匕升。 為保護驅(qū)動系統(tǒng)及開關(guān)器件的安全，半檢測到冇短路故障時，必須龍刻切斷故障橋宵。 4仿真結(jié)果 當短路故障發(fā)生時，系統(tǒng)保護電路將及時的關(guān)斷同一橋臂上的另一開關(guān)器件，同時切 斷故障管所在的支路。經(jīng)前面的處理后，電機的運行狀態(tài)將和同一橋臂上的兩個開關(guān)器件 同時開路故障的狀態(tài)相同。因此，卜面將主耍討論開路故障。圖4所示為運用場路耦合聯(lián)合 仿真方法建立的DSPM電機系統(tǒng)仿貞?模樂⑴】。 圖4 8/6極DSPM電機系統(tǒng)

14、仿真模型 # B 國 BKitxE 線 http: "wxvw.papei. # B 國 BKitxE 線 http: "wxvw.papei. 4.1正常狀態(tài) 0 8乙m家 3 I - 0 30 60 90 120 150 180 轉(zhuǎn)子位置角(°) 1 1 (<置 8/6極DSPM電機兩相運行方式可以有效的減小轉(zhuǎn)矩脈動冋，因此電機的正常工作狀 態(tài)是處兩相運行方式下。給定雌值為2A的正眩參考電流，運用圖4所示的場路聯(lián)介仿 真?？眨梢缘玫诫娏骱碗姍C的電磁轉(zhuǎn)矩波形，如圖5所示。 0 30兮子辭旳樸150 180 a）電流 b）轉(zhuǎn)矩

15、圖5電機正常狀態(tài)下，電流及轉(zhuǎn)矩 4. 2故障狀態(tài) 開關(guān)器件丿I：路故障指的是逆變器中的任一開關(guān)器件一直保持開路狀態(tài)，而其他開關(guān)器 件則正常換相。當單個開關(guān)器件發(fā)生開路故障時，逆變器其它的七個開關(guān)器件將正常匚作。 電機處J：兩相運行方式卜，此故障發(fā)牛:時，電機在一個電周期里將會有1/2個周期保持一 相運行狀態(tài)。例如，當圖2屮的開關(guān)器件T2發(fā)生開路故障時，電機的V相電流及電機的 電磁轉(zhuǎn)矩波形，如圖6所示。 a)電流 b)轉(zhuǎn)矩 圖6電機故障相電流及轉(zhuǎn)矩 在此狀態(tài)卜，電機內(nèi)的繞組連接狀態(tài)如圖2 (b)所示，開關(guān)器件T2開路，導致在由 開關(guān)器件T2控制的1/2個周期里￡相電流接近零，如

16、圖6 (a)所示。對2的轉(zhuǎn)矩波形如 圖6 (b)所示，可見，電磁轉(zhuǎn)矩仃較人幅度的降低，在此1/2個周期內(nèi)的-段時間(如電 機轉(zhuǎn)至機械角40。到50比間)，其至出現(xiàn)了一泄屆的負轉(zhuǎn)矩，原因在J?此時W相的電流也 剛好過零點，定位力矩和故障相屮存在的較人的反向電流導致了此負轉(zhuǎn)矩的心在。電機在 圖6 (b)所示的電磁轉(zhuǎn)矩卜無法平穩(wěn)運行。 肖開關(guān)器件開路后，故障相的繞組中有時仍然有一定的電流存在，這是由「電機內(nèi)其 他相繞組中電流的變化會在故障相中產(chǎn)生負電壓，從而使與發(fā)生故障的開關(guān)器件反向并聯(lián) 的續(xù)流二極管被強迫開通，使得在故障相繞組中產(chǎn)生電流尾巴2。該電流尾巴也會對電機 的輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生一定的彩響。

17、4. 3容錯狀態(tài) 當上述故障發(fā)生后，通過對拓撲結(jié)構(gòu)的控制使電機內(nèi)的繞組電新組介，將電機從故障 丁作狀態(tài)切換至容錯丁作狀態(tài)。此工作狀態(tài)卜的繞組連接方式如圖2 (c)o此時電機內(nèi)繞 組將冇三相是正常工作的，只冇故障相繞組在1/2個電周期內(nèi)處「?開路狀態(tài)。故障相繞組 中的電流和電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖7所示。 圖7電機容錯狀態(tài)下，故障相繞組中電流及轉(zhuǎn)矩 對比圖7 (b)、圖5 (b)的轉(zhuǎn)矩波形可知，容錯狀態(tài)卜雖然在1/2周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩有一定 程度的卜降，但平均轉(zhuǎn)矩卜降何限，所以電機仍能夠較好的運仃。此時的電機轉(zhuǎn)矩勺圖6 (b)故障狀態(tài)卜的轉(zhuǎn)矩相比得到了明顯的改善，苴原因在J：,容錯狀態(tài)卜，通過

18、改變拓撲 9 科技論袁在線 http:/ www.papei edu cn 結(jié)構(gòu)對電機繞組的咆新組合使得各相繞組Z間相互獨工，開關(guān)T2的故障不會給覽他相繞 組中的電流帶來影響。所以，在電機發(fā)牛:此故障時，電機從故障狀態(tài)切換至容錯狀態(tài)可以 很好地改善電機的運行狀況，從而増強驅(qū)動系統(tǒng)帶故障運行的能力。 當電機任逆變橋宵上兩開關(guān)器件同時發(fā)生開路故障時，電機在故障工作狀態(tài)卜將會 一胃處「?一和運行狀態(tài)(即兩相繞組屮的電流同時接近冬),這對電機輸出轉(zhuǎn)矩的影響很人; 而當電機切換至容錯匸作狀態(tài)后，電機的四柑繞組中同樣令三相繞組是正常運行的，只令 故障相繞組是一直處J：開路狀態(tài)，這就使

19、故障對電機的影響人人減少，使得電機在此故障 卜也能夠較好地容錯運行。 5實驗結(jié)果 為了驗證本文提出的容錯型拓撲結(jié)構(gòu)的性能，搭建r 8/6極DSPM電機的容錯控制實 驗平臺.測試樣機如圖8所示.圖9為通過實驗測得的8/6極DSPM電機的四相反電動勢. 可以看出，此電機的四相反電動勢均接近正弦波，且A、C相反電動勢和E、D相反電動 勢分別是對稱的，電機可以實現(xiàn)兩相控制運行。 圖8實驗樣機 由兩相控制理論，在實驗中同樣用正弦電流控制。正常工作狀態(tài)卜給V、W相分別 通入峰值為1A的正弦電流，此時實臉測得的C相繞組屮的電流及轉(zhuǎn)矩波形如圖10 (a) 所示。 本實驗屮釆用了同一橋臂上兩開關(guān)器

20、件同時故障的狀態(tài)(即同時關(guān)斷開關(guān)管T1和 T2),在此故障狀態(tài)卜?，考渥到電機存在一定的定位力矩，因此給定峰值為2A的正弦電流, 實驗測得的V柑電流和電機的轉(zhuǎn)矩如圖10 (b)所示。從圖中可以看出此時的\沖|電流為 零(即反向串聯(lián)的A、C相繞組中均無電流)；電機的輸出轉(zhuǎn)矩脈動很大,有時還出現(xiàn)少量 的負轉(zhuǎn)矩，與前而的仿真分析結(jié)果亠致。在此故障狀態(tài)卜?，電機運行狀況很差。 當檢測到上述故障發(fā)生時，通過控制驅(qū)動系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，對電機的繞組進行巫組， 使得電機有三相繞組能夠止常運行。同時用峰值為1A的止弦電流控制，得到如圖10 (c) 所示的C相繞組中的電流和電機的輸出轉(zhuǎn)矩。從實驗結(jié)果可以看出，此時

21、的轉(zhuǎn)矩雖然有一 定程度的卜?降，但與故障狀態(tài)卜的轉(zhuǎn)矩相比有了較人幅度的提高?實驗表明，此拓撲結(jié)構(gòu) 能夠很好的改善電機的容錯性能，増強電機及驅(qū)動系統(tǒng)的帶故障運行能力。 圖10不同狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩及C相繞組中電流 6結(jié)論 族J-8/6極DSPM電機的特殊結(jié)構(gòu)以及它的運行特性，本文提出了一種具冇容錯性能 的電機驅(qū)動系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)：在対常見的驅(qū)動系統(tǒng)故障以及8/6極DSPM電機在不同工作狀 態(tài)卜的運行特性進彳J：了詳細分析的壟礎(chǔ)上，通過場路耦合聯(lián)介仿典和實驗的方法燉本文所 提出的拓撲結(jié)構(gòu)進行了驗證。仿冀和實驗結(jié)果表明，在電機的驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過 控制拓撲結(jié)構(gòu)將電機繞組進行匝新組合，使得電機從

22、故障狀態(tài)切換至容錯狀態(tài)，可以有效 地減小故障給電機運行帶來的影響，從而提高8/6極DSPM電機及駁動系統(tǒng)的容錯性能。 參考文獻 [1] 趙文祥，程明，朱孝勇，等.驅(qū)動用微待電機及?？刂葡到y(tǒng)的町靠性技術(shù)研究練述[J].電匚技術(shù)學報， 22(4)： 38-46, 2007. [2] 趙爭鳴，閔勇.電機?控制集成系統(tǒng)的高故障容限研究[JJ.中國電機丁程學報,19(3)： 21-25, 1999. [3] 張?zhí)m紅，胡仔文，黃文新.容錯牢?四開關(guān)三相變換器異步發(fā)電系統(tǒng)的克接轉(zhuǎn)矩控制研究[J].中國電機 工程學報,25(18)： 140-145. 2005. [4] K T. Chau. M.

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29、ectncal Engineering，Southeast University，Nanjing, (210096) Abstract: Tlie reliability of the drrves is extremely important. In this paper, a new fault tolerant dove topology for an 8.6-pole doubly salient pennanent magnet (DSPM) motor is proposed. Based oil co-siniulation of magnetic and electrical

30、 circuit solvers, suuulations of the proposed topology are perfbnned, such as operation characteristic and performance under various conditions. Finally, the proposed topology was validated by the method of experiment. The simulation and experimental results show that the proposed topology can enhan

31、ce the electromagnetic performance of faulty operation, and lay a foundation for the ftirther research on fault tolerant strategy. Records： Doubly salient motor dove. pennanent magnei machine. fault tolerance, dnve topology, co-siniulation 作者筒介： 楊正專 男.1982年生.頒士研究生?研究方向為新型水磁電機的控制系統(tǒng)： 程 明9). 1960年生.教授.博上生導帥? IEEE A級會員.主要從爭電機號控制.新能源發(fā)電技術(shù)等研究: 趙文祥9). 1976年生.東由人學研究生.江蘇大學電氣付息匸程學院譏帥.主咚從爭水眥電機及H驅(qū)功系統(tǒng)的吋靠性 分析等硏咒. 13