魏書榮 ，黃蘇融 ，符 楊 ，張 琪 ，高 瑾

（1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090）

0 引言

永磁同步電機(jī)（PMSM）憑借其高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性的優(yōu)勢，成為電動(dòng)汽車、飛機(jī)等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流電機(jī)之一。對(duì)于高速運(yùn)行的電動(dòng)汽車、高鐵、飛機(jī)或艦船而言，不受控制的輸出力矩會(huì)影響其穩(wěn)定性，進(jìn)一步危及乘客的生命安全，因此電驅(qū)動(dòng)的安全、可靠、耐久運(yùn)行變得至關(guān)重要。改善電驅(qū)動(dòng)的可靠性、提高其故障容錯(cuò)性能已成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

中華人民共和國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC／T 893—2011《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)故障分類及判斷》將電機(jī)及驅(qū)動(dòng)的短路、開路故障分別列為致命及嚴(yán)重故障［1］。如何保證其安全性，在故障模式下及時(shí)提供保護(hù)及處理機(jī)制，使電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障后仍然能夠“跛行回家”，成為對(duì)連續(xù)運(yùn)行有著更高要求的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)運(yùn)行的關(guān)鍵。

“容錯(cuò)”原是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)中的一個(gè)概念，是容忍故障的簡稱。工程上是指：在系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵部件出現(xiàn)故障時(shí)，必須將故障部件從系統(tǒng)中隔離，然后采取相應(yīng)的措施維持其規(guī)定功能，或在可接受的性能指標(biāo)變化下，繼續(xù)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

電驅(qū)動(dòng)的故障容錯(cuò)包括兩方面：一方面，在故障情況下能夠繼續(xù)運(yùn)行；另一方面，在故障情況下需要提供故障保護(hù)以防止更惡劣的損壞。在工業(yè)領(lǐng)域，容錯(cuò)通常指不降低或略降低性能運(yùn)行；在安全性高的關(guān)鍵領(lǐng)域，由于其通常具有冗余，故障容錯(cuò)通常指故障保護(hù)。故障多快能夠被檢測出來并提供容錯(cuò)機(jī)制也是故障容錯(cuò)需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題，如切除故障元件、啟動(dòng)備份等［2］。

因此，對(duì)容錯(cuò)的研究應(yīng)包括3個(gè)方面：故障辨識(shí)、故障處理、故障修正。本文對(duì)近年P(guān)MSM及其驅(qū)動(dòng)容錯(cuò)運(yùn)行的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納、總結(jié)和分析，將以安全、可靠、耐久為導(dǎo)向的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)運(yùn)行研究分為4個(gè)層次：①容錯(cuò)能力的評(píng)估指標(biāo)和方法；②故障辨識(shí)與預(yù)警；③容錯(cuò)系統(tǒng)的軟件技術(shù)，通過容錯(cuò)控制深入挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)的容錯(cuò)潛力；④容錯(cuò)系統(tǒng)的硬件技術(shù)，重構(gòu)PMSM電驅(qū)動(dòng)硬件結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。并從以上4個(gè)方面對(duì)PMSM及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)運(yùn)行研究中亟待解決的熱點(diǎn)問題及發(fā)展方向進(jìn)行探討。

1 容錯(cuò)能力評(píng)估指標(biāo)

傳統(tǒng)上，通常以可靠性來評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行性能?？煽啃允侵敢粋€(gè)元件、設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)在規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽u(píng)估除了對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，采取相應(yīng)措施以減少故障造成的影響外，還可對(duì)可靠性投資及其帶來的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合分析，以確定合理的可靠性水平。

不同系統(tǒng)的可靠性度量不同。例如，對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)而言［3］，可靠性是對(duì)電力系統(tǒng)按其可接受的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和所需數(shù)量不間斷地向電力用戶供應(yīng)電力和電量能力的度量。一般可以用故障對(duì)電力用戶造成不良影響的概率、頻率、持續(xù)時(shí)間、故障引起的期望電力損失及期望電量損失等指標(biāo)描述，且不同的子系統(tǒng)有專門的可靠性指標(biāo)。

但是無論對(duì)哪種系統(tǒng)，其可靠性都由系統(tǒng)中各單一設(shè)備和元器件以某種連接方式共同構(gòu)成。影響電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性的主要因素可歸納為以下2點(diǎn)：①主要設(shè)備或元器件，例如PMSM、IGBT模塊、直流母線電容C等；②電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于單一設(shè)備或元器件，通用的描述可靠性的指標(biāo)［4］為失效率和平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）。

可靠性技術(shù)正在飛快發(fā)展，大致分為2個(gè)階段：以冗余技術(shù)（具有代表性的是雙余度技術(shù)）為標(biāo)志的初級(jí)階段；以容錯(cuò)技術(shù)為標(biāo)志的高級(jí)階段。文獻(xiàn)［5-8］提出了幾種定量方法建立系統(tǒng)的可靠性模型，或者幾種方法相結(jié)合建立一個(gè)準(zhǔn)確的可靠性評(píng)估模型。在很多情況下，經(jīng)典的設(shè)計(jì)并不能滿足可靠性評(píng)估的要求。文獻(xiàn)［9］提出了故障后評(píng)估電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性的2個(gè)指標(biāo)：輸出性能因素（PFPF）與逆變器成本因素（CF）。其中，PFPF=故障后逆變器輸出功率／標(biāo)準(zhǔn)逆變器額定輸出功率，CF=容錯(cuò)逆變器成本／標(biāo)準(zhǔn)逆變器成本。文獻(xiàn)［10］以故障樹的方式描述了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性評(píng)估的方法。文獻(xiàn)［11］給出了在逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中單一部件對(duì)整體系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率。

目前，相關(guān)文獻(xiàn)都缺乏統(tǒng)一的可靠性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此迫切需要建立一個(gè)統(tǒng)一的容錯(cuò)性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為高耐久電驅(qū)動(dòng)的容錯(cuò)能力提供合理的性能評(píng)估與數(shù)據(jù)支撐。

2 故障分類與辨識(shí)

容錯(cuò)運(yùn)行首先要求能夠快速識(shí)別故障并及時(shí)提供容錯(cuò)機(jī)制，因此容錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)與狀態(tài)監(jiān)測和故障辨識(shí)是密不可分的。將在線監(jiān)測、故障辨識(shí)與容錯(cuò)運(yùn)行的關(guān)系用時(shí)序圖表示，如圖1所示。故障預(yù)警是實(shí)現(xiàn)故障檢測和分離、檢測故障延時(shí)時(shí)間、評(píng)估容錯(cuò)的可行性以及判斷是否誤檢的關(guān)鍵因素，直接影響主動(dòng)容錯(cuò)系統(tǒng)的性能，是重構(gòu)容錯(cuò)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 在線監(jiān)測、故障辨識(shí)與容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)序圖Fig.1 Sequence of online monitoring，fault identification and fault-tolerant operation

在故障方面，本文只考慮電氣故障。 因?yàn)楣こ躺蠙C(jī)械故障通常是難以修復(fù)的，只能根據(jù)機(jī)械損壞狀態(tài)評(píng)估機(jī)械部件還能持續(xù)使用的時(shí)間。只有電氣故障是可通過控制算法和硬件重構(gòu)來達(dá)到容錯(cuò)運(yùn)行的目的。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可容錯(cuò)的常見故障分類［1］見表1。

圖2給出了PMSM定子繞組內(nèi)部不同故障類型示意圖。

表1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可容錯(cuò)的常見故障分類Table 1 Classification of common tolerable faults of electric driving system

文獻(xiàn)［12-13］對(duì)可靠性要求更高的飛機(jī)中使用的PMSM驅(qū)動(dòng)各部件的故障率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

圖2 電機(jī)繞組內(nèi)部故障示意圖Fig.2 Schematic diagram of internal faults of motor winding

表2 三相電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件的年故障率Table 2 Annual failure rate of different components of three-phase electric driving system

表2所示故障率的統(tǒng)計(jì)可推廣至所有PMSM電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在開路故障部分，更容易發(fā)生逆變器開路故障，或者電機(jī)繞組終端接觸不良而導(dǎo)致的開路。盡管短路故障率略低于開路故障率，但對(duì)于高速運(yùn)行的飛機(jī)或車輛而言，只要出現(xiàn)故障，哪怕是十萬分之一的概率，就可能給乘客帶來致命的安全威脅。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注開路、短路故障情況下PMSM電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行。

為及時(shí)提供有效的容錯(cuò)機(jī)制，必須保證故障辨識(shí)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性、有效性。檢測故障所需的時(shí)間很大程度上取決于故障提取和故障決策過程。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障辨識(shí)與診斷方法可分為以下3類。

（1）經(jīng)典方法，通過提取電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)典型的故障特征量來進(jìn)行故障分析診斷。例如：電壓信號(hào)、電流信號(hào)，包括轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓、IGBT的沖擊過電壓、定子繞組正負(fù)序阻抗等；對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)一步分析處理所得的定子電流包絡(luò)線、電流矢量軌跡、相位差、3次諧波信號(hào)、電流的高頻負(fù)序分量等。文獻(xiàn)［14-17］對(duì)這些方法進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明和分析。

同時(shí)，有學(xué)者提出通過額外注入信號(hào)來分析并檢測故障。文獻(xiàn)［18］通過額外注入高頻電流分量來檢測故障。由于匝間故障引起的定子相繞組不平衡會(huì)產(chǎn)生不同的交、直軸泄漏電感，這種不平衡產(chǎn)生了一個(gè)固定的特點(diǎn)，通過研究該高頻負(fù)序電流直流分量就能夠檢測出故障。文獻(xiàn)［19］提出類似高頻注入技術(shù)，以正常運(yùn)行電機(jī)的電流高頻序分量作為參考，測量高頻序分量電流，并與參考值比較生成差值，以此差值作為診斷指標(biāo)。

Shfield大學(xué)的D.Howe教授等提出借助第三方硬件，在電機(jī)定子繞組上纏繞一個(gè)搜索線圈，通過額外增加相應(yīng)的輔助設(shè)備來檢測故障。利用搜索線圈產(chǎn)生的電壓降，結(jié)合卡爾曼濾波算法來進(jìn)行相間繞組短路故障的檢測和識(shí)別［16］。正常運(yùn)行時(shí)，搜索線圈有正常的壓降，一旦發(fā)生匝間短路，則短路線圈的壓降近似為零，用搜索線圈將壓降輸出，并進(jìn)行卡爾曼濾波，設(shè)定合理的閾值，就能很快地檢測出故障。

（2）數(shù)學(xué)方法，即利用數(shù)學(xué)理論方法和分析工具對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行后處理，從而進(jìn)行故障診斷。常用的數(shù)學(xué)方法有：信號(hào)變換［20］、數(shù)據(jù)挖掘［21］、小波分析［22］、參數(shù)估計(jì)［23］、狀態(tài)觀測［24］與濾波技術(shù)［25］等。

（3）智能方法，即在不過分依賴試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，基于在線監(jiān)測的信息實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估。 常用智能方法有：專家系統(tǒng)［26］、灰色預(yù)測［27］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［28］、模糊邏輯［29］、粒子群優(yōu)化算法［30］等。

在常見的電機(jī)繞組故障中，短路故障的在線監(jiān)測最薄弱。文獻(xiàn)［31］對(duì)三相PMSM定子繞組匝間短路近年來的在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，描述了采用不同診斷方法所檢測出的故障及其嚴(yán)重程度。

但是無論采用哪種辨識(shí)方法，目前普遍缺乏故障預(yù)警量化的參照標(biāo)準(zhǔn)，使得診斷系統(tǒng)的早期故障預(yù)警功能相對(duì)薄弱。

3 容錯(cuò)系統(tǒng)的軟件技術(shù)

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)通常有軟件技術(shù)和硬件技術(shù)2種方案，容錯(cuò)系統(tǒng)的軟件技術(shù)通常體現(xiàn)在故障發(fā)生后控制策略的改進(jìn)，而硬件技術(shù)通常采用具有容錯(cuò)能力的逆變器拓?fù)涮娲Ｒ?guī)的逆變器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的容錯(cuò)方案中，需要將軟硬件結(jié)合達(dá)到高輸出性能的要求，共同實(shí)現(xiàn)故障后的容錯(cuò)運(yùn)行。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障容錯(cuò)可以從機(jī)器側(cè)及逆變器側(cè)兩方面考慮。機(jī)器側(cè)主要考慮電機(jī)本體的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，著眼于容錯(cuò)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；逆變器側(cè)主要考慮故障容錯(cuò)控制，側(cè)重于故障后的控制策略。

圖3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障容錯(cuò)解決方案的研究趨勢Fig.3 Research trend of fault-tolerance solutions for electric driving system

圖3給出了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障容錯(cuò)解決方案的研究趨勢及適用領(lǐng)域。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)研究經(jīng)歷了從備份式到非備份式結(jié)構(gòu)，最終進(jìn)入主動(dòng)控制方向。英國Newscastle大學(xué)的B.C.Mecrow教授的研究軌跡基本體現(xiàn)了電機(jī)容錯(cuò)研究的趨勢，他首次提出了永磁容錯(cuò)電機(jī)（FTPM）的概念［32］，先后完成了多相永磁容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)［33］，從電機(jī)本體的容錯(cuò)設(shè)計(jì)出發(fā)，為非備份式永磁容錯(cuò)電機(jī)的方案奠定了基石，最終向永磁容錯(cuò)電機(jī)的主動(dòng)控制方向推進(jìn)［13，34］。

GE全球研發(fā)中心的A.M.El-Refaie教授對(duì)近年來永磁電機(jī)的容錯(cuò)運(yùn)行進(jìn)行了總結(jié)［2］。對(duì)各種不同故障處理與容錯(cuò)方法進(jìn)行了比較，見表3。表中，“+”表示增加，“0”表示不變，“-”表示減少。 可見，對(duì)逆變器側(cè)進(jìn)行主動(dòng)控制是最有效的容錯(cuò)方法，在該領(lǐng)域的研究將會(huì)非?；钴S，與圖3給出的研究趨勢結(jié)論一致。但理論研究需結(jié)合工程實(shí)際的需要，A.M.El-Refaie教授認(rèn)為一些理論上很有希望的方法在實(shí)踐中的應(yīng)用卻在減少。關(guān)鍵結(jié)論是，目前還沒有完善的能夠解決容錯(cuò)問題的方案，這也是以后研究的主要趨勢，而主動(dòng)控制則是未來發(fā)展的主流趨勢。

表3 PMSM故障容錯(cuò)方法比較Table 3 Comparison of fault-tolerance methods for PMSM

結(jié)合圖3及表3的結(jié)論，本文重點(diǎn)關(guān)注以逆變器側(cè)的主動(dòng)控制進(jìn)行容錯(cuò)。在發(fā)生故障后，對(duì)控制策略進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，使電動(dòng)汽車等設(shè)備在電驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電氣故障的情況下仍然能夠“跛行回家”，最終達(dá)到容錯(cuò)運(yùn)行的目的。

電機(jī)控制的本質(zhì)是控制轉(zhuǎn)矩，因此整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的目標(biāo)為電機(jī)或逆變器等設(shè)備處于正常狀態(tài)或故障狀態(tài)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)都可輸出穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)控制可從控制方法、控制特征量的角度分別進(jìn)行分類。常見的控制方法有：矢量控制、滯環(huán)控制以及由模糊控制、自適應(yīng)算法等現(xiàn)代控制方法構(gòu)成的智能非線性控制等?？刂品椒ǖ膶?shí)施效果是無止境的，控制效果只有更好沒有最好，且控制方法只是一種實(shí)現(xiàn)手段，歸根結(jié)底是要使被控變量滿足控制要求。因此，本文從控制特征量的角度，將容錯(cuò)控制分為電流控制、轉(zhuǎn)矩控制、脈寬調(diào)制三大類。下面分別從這三大類分析容錯(cuò)控制的主要方法。

3.1 電流控制

以電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的矢量控制已經(jīng)成熟應(yīng)用于電驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)中。由于故障會(huì)造成電機(jī)繞組不對(duì)稱，采用傳統(tǒng)坐標(biāo)變換得到的電機(jī)方程不再解耦，無法進(jìn)行真正的矢量控制。因此矢量控制的關(guān)鍵在于故障后電流的坐標(biāo)變換。文獻(xiàn)［35-37］針對(duì)多相PMSM單相開路故障引起的不對(duì)稱性，以及采用傳統(tǒng)坐標(biāo)變換不能實(shí)現(xiàn)解耦控制的情況，提出了幾種不同的擴(kuò)展正交變換矩陣方法。在兩相靜止坐標(biāo)系下再人為增加3個(gè)不涉及機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的零序分量，以滿足單位正交矩陣的條件，最后進(jìn)行坐標(biāo)變換。此方法存在的主要問題在于擴(kuò)展的正交向量解并不唯一，且難以判斷是否為最優(yōu)解，這可能對(duì)最終的變換結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，若要采用矢量控制方法，需要重新構(gòu)建故障后的坐標(biāo)變換矩陣。文獻(xiàn)［38-39］提出了故障后的電流控制策略，保證電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生一相或相鄰兩相斷路時(shí)，在滿足輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小及無零序電流的條件下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制。文獻(xiàn)［40］針對(duì)多相繞組故障，包括斷路故障、短路故障及兩者的組合故障，根據(jù)功率守恒原則，提出了最優(yōu)電流直接控制策略，利用相量法對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行分析，采用轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞?，保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速不變，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)容錯(cuò)控制。文獻(xiàn)［41］首先假設(shè)一個(gè)拉格朗日函數(shù)，以銅損最小和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小作為目標(biāo)對(duì)函數(shù)求導(dǎo)，計(jì)算滿足這2個(gè)條件的最優(yōu)電流，以此作為電流給定信號(hào)進(jìn)行控制。并將此方法推廣到計(jì)算三至八相電機(jī)在發(fā)生一相開路故障后定子銅損最小情況下的電流矢量，得到了較好的仿真結(jié)果。

3.2 轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制DTC （Direct Torque Control）因其優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能、簡單的實(shí)現(xiàn)方式以及永磁電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩／電流比、高功率因數(shù)等性能而具有廣泛的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)［42］采用直接轉(zhuǎn)矩控制，在電機(jī)發(fā)生單相開路故障時(shí)對(duì)磁鏈計(jì)算進(jìn)行了修正。仿真結(jié)果表明，直接轉(zhuǎn)矩控制能夠產(chǎn)生令人滿意的轉(zhuǎn)矩和磁通控制。但是，PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)通常采用電壓源型逆變器供電，因此系統(tǒng)對(duì)電機(jī)本體以及逆變器的故障均很敏感。如果沒有預(yù)先設(shè)置的保護(hù)措施或容錯(cuò)策略，故障的發(fā)生將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)喪失正常運(yùn)行的能力，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。這在電動(dòng)汽車、艦船驅(qū)動(dòng)、軍事裝備等對(duì)安全運(yùn)行有更高要求的重要場合，將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

D.Howe教授首先提出了關(guān)于永磁容錯(cuò)電機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制（OTC）算法［43］，并對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)［44-45］，可以使永磁容錯(cuò)電機(jī)在發(fā)生故障時(shí)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和正常時(shí)的脈動(dòng)基本一致，且功率不變。該方法不僅適用于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，也適用于恒功率區(qū)，從而擴(kuò)展了電機(jī)的調(diào)速范圍，甚至可以作為伺服電機(jī)使用。后來又在弱磁運(yùn)行狀態(tài)下，進(jìn)一步優(yōu)化了最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制算法的控制性能［46-48］。

3.3 脈寬調(diào)制

脈寬調(diào)制技術(shù)通過改變開關(guān)信號(hào)的占空比控制電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出電壓或電流以達(dá)到預(yù)期的效果，在電機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)［49］指出開路、短路故障是逆變器中頻繁出現(xiàn)的故障，并給出IGBT開路狀態(tài)下的脈寬調(diào)制，仿真了正常、單相開路故障及采用容錯(cuò)控制后，這3種狀態(tài)下的脈寬調(diào)制信號(hào)，比較了3種狀態(tài)輸出的電流信號(hào)，驗(yàn)證了故障后進(jìn)行脈寬調(diào)制以達(dá)到容錯(cuò)運(yùn)行的有效性。

綜上所述，可認(rèn)為：各種控制方法的最終目標(biāo)都是通過改善脈寬調(diào)制來得到更好的容錯(cuò)控制性能。

4 容錯(cuò)系統(tǒng)的硬件技術(shù)

容錯(cuò)系統(tǒng)的軟件技術(shù)需要與硬件技術(shù)配合共同達(dá)到容錯(cuò)運(yùn)行的目的。下面主要從硬件方面具體闡述故障后的硬件重構(gòu)方案。

4.1 冗余備份系統(tǒng)

備份式技術(shù)可以提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)性能。對(duì)定子繞組采用并聯(lián)式雙余度設(shè)計(jì)，即整個(gè)冗余系統(tǒng)是利用2套獨(dú)立的轉(zhuǎn)子位置傳感器、電樞繞組和驅(qū)動(dòng)器來提高系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)［50-52］采用雙三相結(jié)構(gòu)，每相繞組排列形成2個(gè)彼此隔離的獨(dú)立系統(tǒng)。在開路及短路故障情況下，采用矢量控制可以得到較好的控制性能。但是，雙余度系統(tǒng)存在如下問題。

a.并聯(lián)式雙余度永磁電機(jī)的本體不具備故障隔離的能力。電機(jī)繞組短路時(shí)，短路繞組產(chǎn)生的磁鏈和熱量會(huì)耦合到另一套繞組中，從而降低電機(jī)的運(yùn)行性能，甚至?xí)?dǎo)致電機(jī)無法正常工作。

b.利用率不高。某一相繞組發(fā)生故障時(shí)，必須切除含有故障相的整個(gè)一套繞組，則這套繞組的正常相也被看作故障相切除，因此繞組的利用率不高。

c.故障發(fā)生時(shí)，剩下的余度一般要降額使用。當(dāng)一套繞組發(fā)生故障時(shí)，如果另一套繞組輸出額定的負(fù)載功率，則電機(jī)的銅耗將增加一倍；如果要使另一套繞組的銅耗保持不變，則電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩只能是額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的0.707。

文獻(xiàn)［53］提出在三相PMSM上同時(shí)采用直流勵(lì)磁繞組和永磁體2種勵(lì)磁方式的混合勵(lì)磁系統(tǒng)（PMHB）。這樣不僅可以提供有效的在線磁鏈控制，還可以靈活地運(yùn)行在無刷直流（BLDC）或無刷交流（BLAC）狀態(tài)。關(guān)鍵是要明確開路故障情況下，PMHB在2種驅(qū)動(dòng)下的容錯(cuò)補(bǔ)救策略。首先，提高勵(lì)磁電壓可以彌補(bǔ)由于一相開路而減少的轉(zhuǎn)矩，稱之為BLDC補(bǔ)救運(yùn)行模式；其次，以故障前后總磁動(dòng)勢守恒來修正正常相電流的電樞磁場，也可以彌補(bǔ)由于一相開路而減少的轉(zhuǎn)矩，稱之為BLAC補(bǔ)救運(yùn)行模式；最后，比較了這2種補(bǔ)救運(yùn)行模式，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)了PMHB電機(jī)驅(qū)動(dòng)器容錯(cuò)策略的有效性。

4.2 變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障尤其是開路故障后，可通過重構(gòu)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行的目的。

文獻(xiàn)［54-56］提出了一種容錯(cuò)四相矩陣的電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)器。該逆變器主要用于航空航天領(lǐng)域的PMSM驅(qū)動(dòng)。使用容錯(cuò)拓?fù)湟蕴岣唑?qū)動(dòng)系統(tǒng)在電機(jī)發(fā)生單相開路故障時(shí)的可用性。在故障情況下要達(dá)到令人滿意的電機(jī)性能，需要一個(gè)額外的輸出相連接到電機(jī)繞組的中性點(diǎn)。直接空間矢量調(diào)制技術(shù)可對(duì)三相矩陣式變換進(jìn)行簡單的修改，然后用于四相矩陣變換器中。此外，為保持良好的系統(tǒng)性能，以故障情況下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小對(duì)控制策略進(jìn)行修正（轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)補(bǔ)償電壓）。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明容錯(cuò)四相矩陣變換器以及相關(guān)的調(diào)制和控制是有效的。

這種逆變器矩陣方式的硬件結(jié)構(gòu)變動(dòng)巨大，且體積顯著增加，由于IGBT數(shù)量增多及IGBT本身的故障率較高，是否有助于提高整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.3 硬件結(jié)構(gòu)的微小改動(dòng)

工程上，更多廠家希望在現(xiàn)有電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)上，通過可接受的微小改動(dòng)（即不增加或盡量少增加成本）使其具備較高的容錯(cuò)能力。文獻(xiàn)［42］采用直接轉(zhuǎn)矩控制，開路故障后需有一個(gè)額外的橋臂在故障期間為故障電流提供路徑。假定a相發(fā)生開路故障，則將電機(jī)引出中線接到備用橋臂或者接到電容支路的中性點(diǎn)，如圖4所示。

5 目前面臨的挑戰(zhàn)與展望

5.1 故障預(yù)警與辨識(shí)

圖4 硬件結(jié)構(gòu)微小改動(dòng)的重構(gòu)方案Fig.4 Reconfiguration scheme with tiny change of hardware structure

現(xiàn)有的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障診斷與辨識(shí)的方法已經(jīng)由傳統(tǒng)的經(jīng)典方法和數(shù)學(xué)方法向智能化方法發(fā)展，但是仍然存在一定的問題。容錯(cuò)運(yùn)行首先要求能夠快速識(shí)別故障并及時(shí)提供容錯(cuò)機(jī)制，因此主動(dòng)容錯(cuò)方法依賴于故障檢測分離機(jī)制。而一般的故障檢測機(jī)制在一定程度上存在誤檢，即存在2種可能：①誤報(bào)，即把正常的部件當(dāng)作故障部件；②漏報(bào)，即故障的部件沒檢測出來，被當(dāng)作正常的部件。

一旦發(fā)生誤檢，整個(gè)系統(tǒng)就可能失去穩(wěn)定性。而且從故障發(fā)生到檢測分離出故障存在一定的時(shí)延，如果這段時(shí)間過長，也會(huì)使系統(tǒng)性能變壞。故障診斷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)故障檢測和分離的可能性、檢測延時(shí)時(shí)間和誤檢等因素都決定和影響著主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)的性能，是重構(gòu)控制的關(guān)鍵技術(shù)。因此，發(fā)展主動(dòng)容錯(cuò)控制的關(guān)鍵是發(fā)展故障預(yù)警與辨識(shí)技術(shù)。

一方面，PMSM及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有著無數(shù)的傳感器，隨時(shí)測量和傳遞有關(guān)電氣信號(hào)、位置、運(yùn)動(dòng)、震動(dòng)、溫度、濕度乃至空氣中化學(xué)物質(zhì)的變化，產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)信息。隨之而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等圍繞大數(shù)據(jù)的熱點(diǎn)問題也面臨較大的挑戰(zhàn)。大數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)分析的前沿技術(shù)，由于所涉及的資料規(guī)模巨大，如何從各種不同類型的數(shù)據(jù)中，快速擷取、管理、處理并整理成為有價(jià)值的故障特征量，成為大數(shù)據(jù)技術(shù)的關(guān)鍵問題。

另一方面，為了實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行，通常采用部件冗余配置的方法，如前文所述定子繞組雙余度設(shè)計(jì)、混合勵(lì)磁系統(tǒng)以及改變變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等各種冗余方式，但是都缺乏故障預(yù)警量化的參照標(biāo)準(zhǔn)，從而使得部件冗余配置的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性難以保證，使得診斷系統(tǒng)的故障預(yù)警功能十分薄弱，以致難以發(fā)現(xiàn)故障隱患或者靈敏度過高導(dǎo)致故障的漏判或誤判。因此，制定量化的故障預(yù)警門檻勢在必行。需要對(duì)整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障預(yù)警門檻進(jìn)行分析，在不影響設(shè)備壽命的前提下，量化故障預(yù)警門檻。

5.2 容錯(cuò)評(píng)估指標(biāo)

對(duì)于復(fù)雜的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，除了可靠性，耐久性也應(yīng)作為評(píng)價(jià)其容錯(cuò)能力的主要指標(biāo)?？煽啃杂脕砻枋鱿到y(tǒng)故障或失效的概率，耐久性則用來描述系統(tǒng)抵抗故障沖擊的能力。

在容錯(cuò)評(píng)估指標(biāo)中需要計(jì)及全壽命周期成本進(jìn)行容錯(cuò)運(yùn)行評(píng)估。全壽命周期成本的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅僅要考慮設(shè)備的初始成本，更要考慮在整個(gè)全壽命周期內(nèi)的支持成本，包含運(yùn)行、維修、更新直至報(bào)廢的全過程。因此，在計(jì)及全壽命周期成本的容錯(cuò)運(yùn)行評(píng)估中，可以引入可靠度的概念，構(gòu)建以可靠度為基礎(chǔ)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的維護(hù)成本模型。充分考慮成本的概率準(zhǔn)則，將可靠性、耐久性直接折算成全壽命周期成本進(jìn)行描述。從管理、發(fā)展、生產(chǎn)、運(yùn)行、服務(wù)、退役的角度提出安全生命周期，依此來評(píng)估由于軟硬件容錯(cuò)額外增加的成本是否值得。

5.3 軟硬件容錯(cuò)技術(shù)

工程上實(shí)踐的關(guān)鍵在于挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)的容錯(cuò)潛力，即在不增加或少增加成本的基礎(chǔ)上使電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備高效的容錯(cuò)能力。

在容錯(cuò)的硬件技術(shù)方面，多相電機(jī)具有更好的容錯(cuò)性能，但對(duì)現(xiàn)有硬件改動(dòng)較大。硬件容錯(cuò)的關(guān)鍵在于對(duì)現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。

在容錯(cuò)的軟件技術(shù)方面，由于PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)高維、時(shí)變、時(shí)滯、多變量的非線性系統(tǒng)，受到非線性系統(tǒng)自身的理論限制，非線性容錯(cuò)的結(jié)果非常有限?，F(xiàn)有方法主要借助智能控制和線性化方法，對(duì)于高維時(shí)變系統(tǒng)還沒有更好的結(jié)果。因此，對(duì)PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成的高維、時(shí)變、時(shí)滯、多變量、非線性系統(tǒng)的容錯(cuò)控制還具有較大的研究空間。

綜上，PMSM及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)運(yùn)行的研究目標(biāo)為：以耐久性為導(dǎo)向的高容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生電氣故障后，在不改變現(xiàn)有硬件或做微小改變的情況下，通過故障后主動(dòng)重構(gòu)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，從而保障整個(gè)系統(tǒng)在不損失性能或部分性能指標(biāo)降低的情況下能夠容錯(cuò)運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全、自愈、優(yōu)質(zhì)、高效運(yùn)行。

6 結(jié)論

電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正經(jīng)歷著從高密度到高品質(zhì)、高耐久過渡，在交通、航空、艦船、海上風(fēng)電、重型驅(qū)動(dòng)礦車等對(duì)連續(xù)運(yùn)行有高要求的領(lǐng)域，其工作環(huán)境惡劣且能源有限，要求開發(fā)出具有高可靠性、高能量密度、高容錯(cuò)能力的電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文分別從故障辨識(shí)、故障處理、故障修正的角度，分析了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電氣故障下的容錯(cuò)運(yùn)行解決方案。將安全、可靠、耐久為導(dǎo)向的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)運(yùn)行的解決方案分為4個(gè)層次分別進(jìn)行深入挖掘，在此基礎(chǔ)上凝煉亟待解決的熱點(diǎn)問題，分析面臨的主要挑戰(zhàn)并探討今后的研究與發(fā)展方向，為構(gòu)建高耐久的PMSM電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供有益參考。

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