李小慶　朱景偉　孫軍浩　曹林柏　周博文

(大連海事大學(xué)　大連　116026)

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雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究

李小慶朱景偉孫軍浩曹林柏周博文

(大連海事大學(xué)大連116026)

摘要針對(duì)雙繞組三相永磁容錯(cuò)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，以在無(wú)故障和電機(jī)繞組開路及短路故障情況下獲得相同的輸出轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)，提出雙繞組三相永磁容錯(cuò)電機(jī)的矢量控制策略。電機(jī)的每相電流采用電流滯環(huán)控制技術(shù)。利用Matlab軟件搭建了雙繞組三相永磁容錯(cuò)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)計(jì)調(diào)試了以TMS320LF28335 DSP為核心的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該矢量控制策略的正確性。

關(guān)鍵詞：雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)故障矢量控制

Study on the Vector Control System for Dual Winding Fault-Tolerant Permanent Magnet Motors

LiXiaoqingZhuJingweiSunJunhaoCaoLinbaiZhouBowen

(Dalian Maritime UniversityDalian116026China)

AbstractBased on the structure of the dual winding fault-tolerant permanent magnet (FTPM) motor，for the objective of same output electromagnetic torque in both no fault and open or short circuit fault conditions within motor windings，the vector control strategy for the dual-winding motor control system is derived.The hysteresis current control technology is used in each phase current of the motor.The MATLAB simulation model of the dual winding FTPM motor drive is built，and the hardware experiment platform based on TMS320LF28335 DSP is established.The correctness of the proposed vector control strategies for the dual winding FTPM motor drive is verified by the simulation and experiment results.

Keywords：Dual-winding，fault-tolerant permanent magnet motor，fault，vector control

0引言

永磁容錯(cuò)電機(jī)是永磁同步電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)相結(jié)合的新型電機(jī)，由于其可靠性高、容錯(cuò)性能好，廣泛應(yīng)用于機(jī)車牽引、航空航天、船舶運(yùn)輸、壓縮機(jī)組等領(lǐng)域[1-3]，這些領(lǐng)域不僅要求電機(jī)的可靠性和工作效率要高，而且要求供電直流母線的電流諧波含量要小[4，5]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一些學(xué)者將兩個(gè)相同的永磁容錯(cuò)電機(jī)(FTPMM)共軸連接，每個(gè)電機(jī)采用獨(dú)立的供電電源、控制器和反饋系統(tǒng)，既可獨(dú)立工作，也可同軸驅(qū)動(dòng)負(fù)載，當(dāng)其中任意一臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)故障而無(wú)法運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)電機(jī)也能夠繼續(xù)帶載工作，當(dāng)出現(xiàn)電源失效、控制器故障以及反饋系統(tǒng)故障等嚴(yán)重故障時(shí)也不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)完全癱瘓[6]。雖然這種方法在一定程度上保證了電機(jī)的可靠性，但依靠?jī)膳_(tái)電機(jī)共軸驅(qū)動(dòng)，不僅增加了系統(tǒng)成本，而且為保證電機(jī)的可靠性及冗余度，每臺(tái)電機(jī)都不能達(dá)到額定負(fù)載運(yùn)行，對(duì)電機(jī)自身也有影響[7]。為解決兩臺(tái)電機(jī)冗余結(jié)構(gòu)帶來(lái)的問(wèn)題，一些學(xué)者提出將兩臺(tái)永磁電機(jī)結(jié)合到一臺(tái)電機(jī)中，組成雙繞組電機(jī)結(jié)構(gòu)。雙繞組三相永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)是多相電機(jī)和同步電機(jī)交叉融合的產(chǎn)物，在低壓大功率驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合受到廣泛關(guān)注[8]。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)永磁同步電機(jī)的控制方法進(jìn)行了較深入的研究。文獻(xiàn)[9-12]對(duì)同步電機(jī)如何抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩波形提出了新型算法。為使同步電機(jī)也能實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，文獻(xiàn)[13]提出了六相永磁同步電機(jī)容錯(cuò)控制方法，但容錯(cuò)控制性能不夠理想。如果將雙繞組永磁同步電機(jī)和永磁容錯(cuò)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，在永磁容錯(cuò)電機(jī)中采用雙繞組結(jié)構(gòu)，該電機(jī)控制系統(tǒng)既能提高電機(jī)的利用率及可靠性，同時(shí)具有較好的容錯(cuò)控制能力。

本文結(jié)合多相電機(jī)與容錯(cuò)控制技術(shù)，并參照文獻(xiàn)[14]中六相永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案，提出一種雙繞組三相永磁容錯(cuò)電機(jī)結(jié)構(gòu)和矢量控制方法，通過(guò)控制繞組的給定電流，使該系統(tǒng)在開路與短路故障時(shí)，電機(jī)能夠維持正常運(yùn)行，并使電機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。

1雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)的特點(diǎn)

雙繞組三相永磁容錯(cuò)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機(jī)定子由兩套三相繞組組成，轉(zhuǎn)子上安裝8極表貼式永磁體。為實(shí)現(xiàn)物理隔離，并保證容錯(cuò)電機(jī)相與相之間的磁、熱耦合程度降到最小，電機(jī)采用單層集中式繞組，而且每個(gè)定子槽只包含單個(gè)繞組。為了實(shí)現(xiàn)各相繞組之間的電氣隔離，電機(jī)定子的每相繞組都用H橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路作為驅(qū)動(dòng)電路。H橋驅(qū)動(dòng)電路也為容錯(cuò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)開路與短路容錯(cuò)控制提供了硬件條件[15]。

圖1　雙繞組3相8極容錯(cuò)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of a dual-winding fault tolerant motor with three-phase and eight-pole

電機(jī)故障主要包括開路與短路故障，其中開路故障時(shí)繞組電流為零，使得電機(jī)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而短路故障會(huì)使電機(jī)繞組電流過(guò)大，可能會(huì)燒毀電機(jī)，并使電機(jī)產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。電機(jī)繞組的短路電流為

(1)

式中，E0為空載反電動(dòng)勢(shì)；ωe為電角速度；Ls為繞組自感；R為繞組電阻；Is為短路電流。對(duì)于雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)，由于R?ωeLs，可忽略電阻影響，繞組電感與短路電流呈反比，因此增大電感可抑制短路電流。在設(shè)計(jì)永磁容錯(cuò)電機(jī)時(shí)可采用深而窄的槽口，增加電機(jī)電感，抑制短路電流。

圖1為電機(jī)內(nèi)部切面圖，電機(jī)共有12個(gè)槽口，電機(jī)定子采用集中式繞線方式，兩個(gè)槽口繞成一相繞組，電機(jī)分布有A、B、C、A0、B0與C0相繞組，其中A、B、C三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形互差120°，而且A與A0、B與B0、C與C0為同相的兩套繞組。在控制電機(jī)時(shí)，兩套繞組用兩套獨(dú)立直流電源供電，兩套驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，即使其中的一套繞組出現(xiàn)故障，電機(jī)也可用另一套繞組繼續(xù)工作。

2雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)矢量控制策略

2.1矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前較為先進(jìn)的電機(jī)控制方式有直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的容錯(cuò)控制，需要雙繞組三相永磁容錯(cuò)電機(jī)在開路與短路故障狀態(tài)下能夠正常運(yùn)行，而直接轉(zhuǎn)矩控制在故障狀態(tài)下計(jì)算磁鏈較為困難，所以本文采用矢量控制[16]。為保證控制方便，電機(jī)采用電流滯環(huán)控制策略，直接控制電機(jī)繞組上的電流大小，保證可通過(guò)控制電機(jī)每相的電流對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，即使電機(jī)在開路與短路狀態(tài)下也可進(jìn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配[17，18]。

電機(jī)控制采用直軸電流Id為零的矢量控制方法，其電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與交軸電流關(guān)系為

(2)

式中，ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；iq為交軸電流值；np為磁極對(duì)數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

本電機(jī)中有兩套三相繞組，A、B、C三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)分別為eA、eB、eC，A0、B0、C0三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)分別為eA0、eB0、eC0。電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)具有如下關(guān)系

eA+eB+eC=0

eA0+eB0+eC0=0

(3)

電磁轉(zhuǎn)矩為

(4)

式中，iA、iB、iC分別為A、B、C三相繞組的瞬時(shí)電流；iA0、iB0、iC0分別為A0、B0、C0三相繞組的瞬時(shí)電流；ωm為電機(jī)機(jī)械角速度。

圖2為電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。本文中雙繞組三相永磁容錯(cuò)電機(jī)的兩套繞組采用兩套獨(dú)立的逆變電路，矢量控制系統(tǒng)采用串聯(lián)式雙余度結(jié)構(gòu)，用一臺(tái)DSP作為控制器，同時(shí)用兩個(gè)獨(dú)立電源供電，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開路與短路容錯(cuò)控制提供穩(wěn)定的電源保障。電機(jī)連接速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器，根據(jù)所述給定轉(zhuǎn)矩獲得直軸電流給定值和交軸電流給定值，通過(guò)2r/2s變換和2s/3s變換后得到正常狀態(tài)下各相繞組電流給定值。連接電流檢測(cè)單元，根據(jù)三相永磁容錯(cuò)電機(jī)的各相繞組電流變化判斷任一相繞組是否發(fā)生短路或開路故障。根據(jù)判斷故障結(jié)果，在電機(jī)開路與短路時(shí)，DSP重新分配電流信號(hào)，將轉(zhuǎn)矩重新分配以達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果。

圖2　電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2　Structure diagram of motor vector control system

2.2電機(jī)開路故障容錯(cuò)控制方法

當(dāng)電機(jī)無(wú)故障時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式如式(4)所示。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，則電機(jī)運(yùn)行由對(duì)稱狀態(tài)變?yōu)椴粚?duì)稱狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[19]，為了使矢量控制在電機(jī)故障時(shí)也能適用，需要將電機(jī)故障時(shí)的不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)矢量的疊加分解，使電機(jī)運(yùn)行變?yōu)閷?duì)稱狀態(tài)。圖3為雙繞組三相永磁容錯(cuò)電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下的電流矢量示意圖。

圖3　正常工作電流矢量圖Fig.3　Current vector diagram in normal operation

本文以電機(jī)一相開路故障為例，當(dāng)電機(jī)A相繞組開路故障時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

(5)

若電機(jī)按正常工作狀態(tài)下的矢量控制，計(jì)算電機(jī)各相繞組給定電流，但A相繞組電流的作用因斷路而消失，此時(shí)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。故可將A相繞組故障時(shí)，由于其電流缺失而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)平均分配給其他幾相繞組，用其他繞組電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩對(duì)其故障相的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行抵消。具體方式為將A相繞組的給定電流分為3份，由其余5相繞組通過(guò)合成、疊加A相電流的作用：其中用B相和C相合成第一份電流作用，因?yàn)锳、B、C三相繞組的電角度互差120°，僅需在B相和C相繞組原給定電流的基礎(chǔ)上，再減去1/3倍A相繞組的給定電流；用B0相和C0相繞組合成第二份電流作用，因?yàn)锳、B0、C0三相繞組的電角度互差120°，只需在B0相和C0相繞組給定的基礎(chǔ)上，再減去1/3倍A相繞組的給定電流；用A0相繞組承擔(dān)第三份電流作用，因?yàn)锳和A0同相，在A0相繞組的給定電流的基礎(chǔ)上，再加上1/3倍A相繞組的給定電流。圖4為開路故障時(shí)電流分配矢量圖。當(dāng)A 相繞組發(fā)生開路故障時(shí)，其余5相繞組的電流給定值為

(6)

按式(6)給定的參考電流控制電機(jī)各相繞組的電流后，電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩就等于無(wú)故障時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，而且此方法在理論上可實(shí)現(xiàn)消除電機(jī)開路故障所造成的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。此方法也可適用于其他相開路故障時(shí)對(duì)電機(jī)的容錯(cuò)控制。

圖4　開路故障時(shí)電流矢量圖Fig.4　Current vector diagram in open-circuit fault condition

2.3電機(jī)短路故障容錯(cuò)控制方法

對(duì)于電機(jī)繞組的一整相短路故障來(lái)說(shuō)，短路故障的處理方式相對(duì)開路故障的處理方法較麻煩，不僅要將短路相繞組本應(yīng)提供的電磁轉(zhuǎn)矩平均分配到其他相繞組上面，而且還要抵消短路故障相繞組自身短路時(shí)作為發(fā)電狀態(tài)所產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這也需要用其他相繞組提供相應(yīng)的配合，同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，其磁動(dòng)勢(shì)是定值，故障相繞組處于發(fā)電狀態(tài)下，其繞組電壓和頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速呈正比，但當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，即使轉(zhuǎn)速一再增加，電機(jī)的電流都保持在一定范圍內(nèi)，關(guān)系式見式(1)，實(shí)現(xiàn)短路容錯(cuò)時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控繞組電流，并加入到DSP運(yùn)算中，具體分配方案與實(shí)現(xiàn)方法如下。

這里以A相繞組短路故障為例介紹電機(jī)短路故障容錯(cuò)控制方法。A相短路時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

(7)

式中，ishort為A相繞組瞬時(shí)短路電流。此時(shí)，其余5相繞組需要將A相繞組正常工作時(shí)的電流作用補(bǔ)充上，同時(shí)抵消A相繞組短路電流的作用，電機(jī)系統(tǒng)才能維持平穩(wěn)運(yùn)行。其中要將A相繞組正常工作時(shí)電流作用補(bǔ)充上，其方法與開路故障的處理方法相同，即將A相繞組的給定電流分為3份，平均分配到剩余5相繞組上。此外，A相繞組的短路電流將產(chǎn)生阻礙轉(zhuǎn)矩，因此需要用剩下的5相繞組，產(chǎn)生一個(gè)與A相繞組短路電流相反的電流，抵消A相繞組短路電流所產(chǎn)生的阻礙轉(zhuǎn)矩。具體方法為將A相繞組的短路電流取反、并平均分為3份，用剩余5相繞組通過(guò)合成、疊加其作用：由B相和C相繞組合成第一份電流作用，因?yàn)锳、B、C三相繞組的電角度互差120°，僅需在B相和C相繞組的電流給定值的基礎(chǔ)上，再加上1/3倍A相繞組的短路電流；由B0相和C0相繞組合成第二份電流作用，因?yàn)锳、B0、C0三相繞組的電角度也互差120°，僅需在B0相和C0相繞組的電流給定值的基礎(chǔ)上，再加上1/3倍A相短路電流；由A0相繞組承擔(dān)第三份電流作用，因?yàn)锳和A0同相，在原A0相電流給定值的基礎(chǔ)上，再減去1/3倍A相繞組的短路電流，圖5為短路故障時(shí)電流矢量圖。當(dāng)A相繞組發(fā)生短路故障時(shí)，其余5相繞組的給定電流為

(8)

圖5　短路故障電流矢量圖Fig.5　Current vector diagram in short-circuit fault condition

式(8)中各無(wú)故障相的給定電流包括兩部分：一是補(bǔ)償A相繞組開路故障時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的減少；二是補(bǔ)償A相繞組短路電流產(chǎn)生的阻礙轉(zhuǎn)矩。按式(8)給定的參考電流控制電機(jī)各相繞組的電流后，電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩就等于無(wú)故障時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，而且此方法在理論上可實(shí)現(xiàn)消除電機(jī)短路故障所造成的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。此方法也可適用于其他相短路故障時(shí)對(duì)電機(jī)的容錯(cuò)控制。

3仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)的容錯(cuò)控制方法的正確性，采用Matlab仿真軟件對(duì)電機(jī)容錯(cuò)控制方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。為保證電機(jī)控制效果較明顯，電機(jī)外加1.59 N·m的負(fù)載運(yùn)行。在電機(jī)運(yùn)行50 ms后，A相繞組突然發(fā)生開路故障，在無(wú)容錯(cuò)控制工作20 ms后采用開路容錯(cuò)控制策略對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，電機(jī)的仿真結(jié)果如圖6～圖8所示，由仿真結(jié)果可知，電機(jī)在無(wú)故障工作時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為3.3%，一相繞組開路故障時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為14.2%，加入容錯(cuò)控制方法后轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為3.2%。電機(jī)無(wú)容錯(cuò)開路運(yùn)行時(shí)，正常相電流幅值增大，轉(zhuǎn)速波動(dòng)變大，容錯(cuò)后轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速都趨于平穩(wěn)，證明本文所述容錯(cuò)控制可有效抵消轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，分配電流較合理。

圖6　單相開路故障時(shí)轉(zhuǎn)矩仿真波形Fig.6　Electromagnetic torque curve with single open circuit fault

圖7　單相開路故障時(shí)轉(zhuǎn)速仿真波形Fig.7　Speed curve with single open circuit fault

圖8　單相開路故障時(shí)電流仿真波形Fig.8　Current curve with single open circuit fault

電機(jī)在正常運(yùn)行50 ms時(shí)A相繞組發(fā)生短路故障，在無(wú)容錯(cuò)控制工作20 ms后，采用短路容錯(cuò)控制策略進(jìn)行控制，其仿真波形如圖9～圖11所示。由圖可知，電機(jī)正常工作時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為3.5%，進(jìn)入短路故障時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為18.6%，用容錯(cuò)控制時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)恢復(fù)到3.8%，正常相工作電流為1.75 A，短路電流為3.4 A，通過(guò)容錯(cuò)控制轉(zhuǎn)速波動(dòng)也趨近穩(wěn)定，因此該短路容錯(cuò)方法能有效抵消轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。

圖9　單相短路故障時(shí)轉(zhuǎn)矩仿真波形Fig.9　Electromagnetic torque curve with single short circuit fault

圖10　單相短路故障時(shí)轉(zhuǎn)速仿真波形Fig.10　Speed curve with single short circuit fault

圖11　單相短路故障時(shí)電流仿真波形Fig.11　Current curve with single short circuit fault

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文使用的電機(jī)為雙繞組三相八極永磁容錯(cuò)電機(jī)，該電機(jī)額定功率為0.75 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為3.18 N·m，額定電流為3.14 A，短路最大電流為3.60 A，電機(jī)可做短路容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)控制器采用數(shù)字信號(hào)控制器TMS320F28335。系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)如圖12所示。

圖12　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)照片F(xiàn)ig.12　Photos the experimental setup

系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建完成后，對(duì)DSP進(jìn)行編程并下載系統(tǒng)程序，對(duì)硬件電路進(jìn)行實(shí)際的硬件調(diào)試。本實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)給定轉(zhuǎn)速均為500 r/min，為保證控制電機(jī)的電流便于觀察，電機(jī)帶有一定負(fù)載。當(dāng)電機(jī)采用電流滯環(huán)矢量控制，正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如圖13～圖16所示，電機(jī)的電流有效值為1.3 A，轉(zhuǎn)速為500 r/min，轉(zhuǎn)速誤差為0.5%，輸出轉(zhuǎn)矩為1.85 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為3.0%。

圖13　A、B、C三相繞組電流波形Fig.13　A、B、C winding current waveform

圖14　A0、B0、C0三相繞組電流波形Fig.14　A0、B0、C0 winding current

圖15　正常工作時(shí)轉(zhuǎn)速波形Fig.15　Speed waveform when normal operation

圖16　正常工作時(shí)轉(zhuǎn)矩波形Fig.16　Torque waveform when normal operation

當(dāng)電機(jī)A相繞組開路故障，電機(jī)無(wú)容錯(cuò)控制時(shí)，電機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)如圖17～圖19所示，正常相電流有效值為1.25 A，輸出轉(zhuǎn)速為500 r/min，最大轉(zhuǎn)速為517 r/min，最小轉(zhuǎn)速為483 r/min，轉(zhuǎn)速波動(dòng)為3.5%，轉(zhuǎn)矩為1.57 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為1.84 N·m，最小轉(zhuǎn)矩為1.30 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為17.2%。

圖17　A相開路故障運(yùn)行時(shí)A、B、C三相繞組電流波形Fig.17　A、B、C winding current waveforms when phase A open-circuit fault operation

圖18　A相故障開路運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速波形Fig.18　Speed waveform when phase A open-circuit fault operation

圖19　A相開路故障運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩波形Fig.19　Torque waveform when phase A open-circuit fault operation

當(dāng)電機(jī)A相繞組短路故障，無(wú)容錯(cuò)控制時(shí)，電機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)如圖20～圖22所示，正常相電流有效值為1.48 A，短路相電流為3.5 A，輸出轉(zhuǎn)速為506 r/min，最大轉(zhuǎn)速為525 r/min，最小轉(zhuǎn)速為488 r/min，轉(zhuǎn)速波動(dòng)為3.5%，轉(zhuǎn)矩為1.80 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為2.11 N·m，最小轉(zhuǎn)矩為1.48 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為17.6%。

圖20　A相短路故障運(yùn)行時(shí)A、B、C三相繞組電流波形Fig.20　A、B、C winding current waveforms when phase A short-circuit fault operation

圖21　A相短路故障運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速波形Fig.21　Speed waveform when phase A short-circuit fault operation

圖22　A相短路故障運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩波形Fig.22　Torque waveform when phase A short-circuit fault operation

電機(jī)A相繞組開路故障，采用本文的容錯(cuò)控制方法時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖23～圖25所示，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩輸出為1.62 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為1.67 N·m，最小轉(zhuǎn)矩為1.56 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為3.5%，輸出轉(zhuǎn)速為500 r/min，最大轉(zhuǎn)速為510 r/min，最小轉(zhuǎn)速為490 r/min，轉(zhuǎn)速波動(dòng)為2%。相對(duì)無(wú)容錯(cuò)控制，電機(jī)開路故障時(shí)17.2%的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與3.5%的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，電機(jī)采用容錯(cuò)控制后電機(jī)擁有3.5%的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與2%的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

圖23　A相開路故障補(bǔ)償時(shí)A、B、C三相繞組電流波形Fig.23　A、B、C winding current waveforms when phase A open-circuit fault compensation

圖24　A相開路故障補(bǔ)償時(shí)轉(zhuǎn)矩波形Fig.24　Torque waveform when phase A open-circuit fault compensation

圖25　A相開路故障補(bǔ)償時(shí)轉(zhuǎn)速波形Fig.25　Speed waveform when phase A open-circuit fault compensation

電機(jī)A相繞組短路故障，采用本文的容錯(cuò)控制方法時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖26～圖28所示，短路故障時(shí)轉(zhuǎn)矩輸出為1.63 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為1.70 N·m，最小轉(zhuǎn)矩為1.55 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為4.5%，輸出轉(zhuǎn)速為508 r/min，轉(zhuǎn)速波動(dòng)為2.5%，相對(duì)無(wú)容錯(cuò)控制，電機(jī)短路故障時(shí)，電機(jī)擁有17.6%的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和3.5%的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

圖26　A相短路故障補(bǔ)償時(shí)A、B、C三相繞組電流波形Fig.26　A、B、C winding current waveforms when phase A short-circuit fault compensation

圖27　A相短路故障補(bǔ)償時(shí)轉(zhuǎn)速波形Fig.27　Speed waveform when phase A short-circuit fault compensation

圖28　A相短路故障補(bǔ)償時(shí)轉(zhuǎn)矩波形Fig.28　Torque waveform when phase A short-circuit fault compensation

5結(jié)論

本文主要對(duì)雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)開路與短路故障的容錯(cuò)控制進(jìn)行了研究。首先在理論上分析了電機(jī)發(fā)生開路與短路故障時(shí)所采用的容錯(cuò)控制方法，并通過(guò)Matlab仿真對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。最后運(yùn)用DSP28335搭建的硬件平臺(tái)，對(duì)本文所提出的開路與短路故障容錯(cuò)控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文所提出的容錯(cuò)控制方法對(duì)電機(jī)故障時(shí)的控制效果明顯，且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與速度波動(dòng)均能達(dá)到理想的范圍內(nèi)。雖然本次實(shí)驗(yàn)僅做了一相繞組開路與短路故障的容錯(cuò)控制策略驗(yàn)證，但這種方法適應(yīng)于所有的容錯(cuò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)多相故障容錯(cuò)控制。

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E-mail：li827702336@126.com

朱景偉男，1963年生，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)及控制、新能源變換技術(shù)。

E-mail：zjwdl@dlmu.edu.cn(通信作者)

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)：TM351

收稿日期2015-01-09改稿日期2015-12-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(51077007)和遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃(2011224004)資助項(xiàng)目。