高 巖

(合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

永磁同步電機(Permanent Magnet Synchro-nous Motor, PMSM)變頻驅(qū)動系統(tǒng)因其節(jié)能效果顯著和運動性能優(yōu)良而廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、航空、軍事等領(lǐng)域。但是由于系統(tǒng)控制的復(fù)雜性和運行工況的復(fù)雜多變,實現(xiàn)SVPWM控制策略的逆變器易出現(xiàn)故障[1-2]。一旦逆變器發(fā)生故障，整個驅(qū)動系統(tǒng)將喪失正常工作能力，在一般場合會影響生產(chǎn)的正常進行，造成經(jīng)濟損失，而在航空、軍事、新能源汽車等重要場合將可能造成災(zāi)難性事故。因此，研究PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的故障快速診斷及其容錯控制具有重要的理論研究價值和實際應(yīng)用價值。

PMSM驅(qū)動系統(tǒng)開路故障可由下述原因引起： 開關(guān)功率器件無驅(qū)動信號、開關(guān)功率器件斷路、逆變器與PMSM連接線路斷路或電機繞組開路。針對交流電機驅(qū)動系統(tǒng)的開路故障診斷方法已有多篇文獻涉及，如基于擴展卡爾曼濾波(EKF)、遞推最小二乘算法或頻譜分析等開路故障檢測方法[3-7]，以上算法計算都較復(fù)雜，考慮到系統(tǒng)的實時應(yīng)用，尚需研究計算簡單，且在存在測量誤差時亦可快速進行開路故障檢測、定位及隔離故障相的開路故障診斷方法。

針對PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的開路故障，本文采用定子電流矢量軌跡斜率，針對不同相開路時表征出不同特征值來診斷、定位開路故障相。開路故障的容錯方案為首先隔離故障相，并導(dǎo)通第四對橋臂，使之與星型連接的PMSM中性點引出線相連，采用轉(zhuǎn)矩脈動補償技術(shù)[8-9，10-19]，實現(xiàn)開路故障下的PMSM驅(qū)動系統(tǒng)容錯控制運行。

1 PMSM驅(qū)動系統(tǒng)開路故障診斷

PMSM驅(qū)動系統(tǒng)正常運行時, 電機三相電流滿足三相之和為零, 將三相電流由abc坐標系轉(zhuǎn)換至靜止αβ坐標系下，即

(1)

可得

(2)

定義電流矢量軌跡的斜率為

(3)

式中： 下標k、k-1——第k次、第k-1次定子電流采樣值。

當a相故障時電流傳感器出現(xiàn)測量偏差， 即開路故障時a相傳感器測量值不為0，而是ia=iΔ，此時電流平衡關(guān)系為ia+ib+ic=iΔ，即ib+ic=0，代入式(1)可得

(4)

代入式(3)，仍可得K=0。

由于逆變器輸出諧波的存在，定子電流除了基波電流外，還存在諧波分量，會導(dǎo)致電流矢量軌跡斜率的波動。為了提高檢測精度，對定子電流進行基波提取，再對提取的定子電流進行矢量軌跡的斜率計算來準確判定是否出現(xiàn)開路故障并定位故障相。該自適應(yīng)算法可用式(5)表示[20]：

(5)

式中：I(t),ω(t),Φ(t)——提取信號的振幅、頻率和相位角。

基波提取根據(jù)模型即圖1獲得。i(t)表示輸入變量,ifund(t)表示基波提取后的輸出變量，e(t)為誤差信號。通過調(diào)節(jié)圖1中的u1,u2,u3即可調(diào)節(jié)該算法的幅值、頻率和相位角的收斂速度及精確度。其中C為角頻率。

圖1 基波提取的系統(tǒng)框圖

PMSM驅(qū)動系統(tǒng)開路故障診斷及隔離結(jié)構(gòu)圖如圖2、圖3所示。假設(shè)a相發(fā)生故障, 檢測和比較控制模塊檢測出K值為零, 并且判斷出是VT1或VT4不工作或者相繞組斷路, 然后輸出相應(yīng)的控制信號控制故障橋臂的開關(guān)ID使其斷開, 將該對橋臂完全與電源隔離。不管是單相繞組斷路還是一橋臂的開關(guān)器件發(fā)生故障，本文所設(shè)計的檢測和比較控制模塊均會將故障相橋臂與電源系統(tǒng)立即斷開, 使其完全不影響其他橋臂的正常工作。

圖2 PMSM開路故障診斷及容錯驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 PMSM開路故障容錯電機驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 PMSM系統(tǒng)開路故障的容錯控制

當PMSM驅(qū)動系統(tǒng)出現(xiàn)開路故障時，為了維持系統(tǒng)的驅(qū)動性能，需對其進行容錯控制。本文介紹的容錯控制是通過逆變器硬件冗余實現(xiàn)，即在逆變器原有的三橋臂上，新增加第四橋臂，且與電機定子繞組的中性點抽出線相連接實現(xiàn)開路故障后系統(tǒng)的容錯運行。假如a相故障，在完成故障相定位和隔離后，繼續(xù)使用a相觸發(fā)信號觸發(fā)導(dǎo)通第四相。

故障后，由于電機不對稱運行，將會導(dǎo)致電機性能降低。為了獲得與故障前相似的性能，需要研究其容錯控制策略，使正常兩相產(chǎn)生與故障前相同的轉(zhuǎn)矩和磁通。但是考慮到故障后電機由其余兩相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動使電機性能降低，為了克服這種狀況，采用轉(zhuǎn)矩脈動補償技術(shù)，即通過增加電機參考零序電壓經(jīng)坐標變換作為空間矢量調(diào)制的參考[20]。為此，通過補償控制可以獲得與開路故障前一致的PMSM驅(qū)動系統(tǒng)性能。

三相電流經(jīng)坐標變換得到dq坐標系下的定子電流分量id、iq：

(6)

式中：θ——電機轉(zhuǎn)子電角度；

i0——零序電流。

不失一般性，假設(shè)出現(xiàn)故障，故障后的電機不再對稱運行，出現(xiàn)了零序電流，中性線電流為in，流經(jīng)PMSM中性點和逆變器第四橋臂中點，如式(7) 所示：

(7)

式(6)經(jīng)逆變換可得式(8)：

(8)

當系統(tǒng)正常工作時，零序電流為零，計算可得

(9)

(10)

式中:id、iq——dq坐標系下的定子電流分量。

但是，由其余兩相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動使電機性能降低。為了克服此問題，通過轉(zhuǎn)矩脈動補償技術(shù)，即采用通過添加零序電壓變換坐標變換后的電機參考電壓用作參考的空間矢量調(diào)制。為了補償轉(zhuǎn)矩脈動，零序電壓是從電機的方程(11)進行分析獲得式(12)：

(11)

U0=ωeLσid+Rsiqsinθ+

ωeLσiq-Rsidcosθ

(12)

式中：Rs——定子電阻；

ωe,λm——轉(zhuǎn)子電角速度和永磁體磁鏈；

Ld,Lq——d,q軸的定子電感；

Lσ——漏感。

3 PMSM驅(qū)動系統(tǒng)建模與仿真

基于MATLAB/Simulink軟件，對PMSM矢量控制系統(tǒng)開路故障檢測、定位、隔離及容錯控制進行建模和仿真。電機參數(shù)如下： 額定速度250rad/s；極對數(shù)pn=3；定子電阻Rs=2.875Ω；直軸、交軸電感Ld=25.025×10-3H,Lq=40.17×10-3H；磁鏈Ψf=0.305Wb；轉(zhuǎn)動慣量J=3.6×10-3kg·m2，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同狀態(tài)時電流矢量軌跡的斜率波形

圖5 基波提取后不同狀態(tài)時電流矢量軌跡的斜率波形

圖6 不同狀態(tài)時定子電流動態(tài)

圖7 不同狀態(tài)時電磁轉(zhuǎn)矩動態(tài)

圖8 不同狀態(tài)時轉(zhuǎn)速動態(tài)

圖9 不同狀態(tài)時id,q的波形

4 結(jié) 語

為了解決PMSM矢量控制系統(tǒng)中開路故障的診斷及容錯問題，對現(xiàn)有的診斷方法進行了改進設(shè)計，考慮到諧波對診斷結(jié)果的影響。采用一種新穎的容錯控制策略, 即確定故障相后從永磁同步電機中點引出中性線觸發(fā)導(dǎo)通第四對橋臂并加入轉(zhuǎn)矩脈動補償進行控制,故障發(fā)生前后輸出轉(zhuǎn)矩保持恒定。在上述研究的基礎(chǔ)上，搭建了PMSM矢量控制系統(tǒng)的Simulink模型，系統(tǒng)仿真結(jié)果證實了方案的可行性。

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