白國長， 姬淼鑫

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 鄭州 450001)

由于無刷直流電機(jī)(BLDCM)功率密度大、效率高，故在航空、航天及遁甲鉆井設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，且對(duì)可靠性要求極高，容錯(cuò)控制是提高其可靠性的重要方法[1].BLDCM系統(tǒng)中功率半導(dǎo)體器件是最易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，在三相六開關(guān)至三相四開關(guān)的容錯(cuò)切換電路中母線電流易發(fā)生畸變，尤其在換向過程中，母線電壓與是其四倍大小的相反電動(dòng)勢(shì)無法達(dá)到平衡，致使電機(jī)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[2].高精度遁甲鉆井設(shè)備和大型航天器容錯(cuò)后產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是評(píng)價(jià)高精度伺服系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)[3-4]，可對(duì)發(fā)生故障后的逆變器重新配置容錯(cuò)電路拓?fù)?，并能夠結(jié)合相應(yīng)的控制算法維護(hù)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[5-6].近年來，許多學(xué)者對(duì)電機(jī)功率管故障容錯(cuò)進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[7]提出每相施加一個(gè)轉(zhuǎn)矩滯后控制，并為電機(jī)提供不同電壓控制轉(zhuǎn)矩，該方法簡單有效，但滯環(huán)控制的引入會(huì)導(dǎo)致逆變器開關(guān)頻率變得不固定；文獻(xiàn)[8]提出了一種基于相電流模式識(shí)別的故障檢測(cè)和多相容錯(cuò)策略，該方法穩(wěn)健高效，但重構(gòu)運(yùn)行策略較為復(fù)雜；文獻(xiàn)[9]提出了一種非工作橋臂換向(NWBAC)方案進(jìn)行容錯(cuò)，消除了額外硬件成本，但該方法在控制策略上需分四種模式并需多步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)過程相對(duì)繁瑣和復(fù)雜；文獻(xiàn)[10]提出了基于補(bǔ)償電壓矢量的四開關(guān)逆變器的過調(diào)制方法，提高了電源電壓的利用率，但該方法需要根據(jù)不同的調(diào)制比確定不同的調(diào)制模式，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度；文獻(xiàn)[11-13]通過不平衡電壓抑制方法降低電容不平衡分壓對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響，該方法可靠性較高，但算法復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn).現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)電機(jī)功率管故障容錯(cuò)控制進(jìn)行了許多算法和策略上的研究，但在容錯(cuò)切換后的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制問題上都存在不足，因此，開展有關(guān)BLDCM逆變器故障容錯(cuò)切換轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的研究具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值.

本文針對(duì)BLDCM逆變器故障容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問題，提出了一種準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)三相四開關(guān)逆變器的新型控制電路拓?fù)?在診斷出故障相后，準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)切換到容錯(cuò)橋臂前級(jí)，構(gòu)成準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的功率變換電路，相比文獻(xiàn)[8]該容錯(cuò)控制更加簡單.采用準(zhǔn)Z源直流變換器調(diào)整換相電壓來抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，根據(jù)獲得的換向時(shí)刻信息，通過開關(guān)選擇電路決定電源電壓或準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)輸出電壓作為電機(jī)逆變器直流母線的輸入電壓，根據(jù)不同的調(diào)制比可得到所需電壓值，從而有效抑制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并減小了電機(jī)的抖動(dòng)和噪聲.

1 無刷直流電機(jī)正常工作狀態(tài)

1.1 傳統(tǒng)三相六開關(guān)逆變器模型

圖1為無刷直流電機(jī)傳統(tǒng)三相六開關(guān)逆變器拓?fù)鋱D，圖1中Un為中性點(diǎn)電壓.三相繞組的電壓平衡方程為

(1)

式中：Ua、Ub、Uc為三相定子電壓；ia、ib、ic為三相定子電流；ea、eb、ec為三相定子相反電動(dòng)勢(shì)；L為三相定子自感；M為三相定子繞組之間的互感；R為三相定子繞組的相電阻；P為微分算子.

圖1 三相六開關(guān)逆變器拓?fù)鋱DFig.1 Topology of three-phase four-switch inverter

1.2 無刷直流電機(jī)正常工作狀態(tài)

利用六開關(guān)逆變器驅(qū)動(dòng)三相BLDCM時(shí)，其本質(zhì)問題是如何參照轉(zhuǎn)子位置傳感器的反饋信號(hào)并利用逆變器的電壓矢量驅(qū)動(dòng)BLDCM產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的相電流波形.表1為正常工作狀態(tài)下六開關(guān)逆變器的開關(guān)器件導(dǎo)通順序.

表1 六開關(guān)逆變器的開關(guān)器件導(dǎo)通順序Tab.1 Conduction sequence of switch devices for six-switch inverter

2 逆變器單管故障診斷

圖2為逆變器單管開路故障.以功率變換器a相橋臂D1管故障為例，當(dāng)a相橋臂正相導(dǎo)通受阻時(shí)，在正常工作條件下電流均可經(jīng)過D4續(xù)流減小為零，而在續(xù)流過程中母線電流為零，因而可通過檢測(cè)母線電流來診斷電路故障.

通過檢測(cè)母線電流，可得出不同狀態(tài)下電路是否發(fā)生故障.如果檢測(cè)到某一狀態(tài)下母線電流為0，則令其數(shù)值為1，反之為0.逆變器的開關(guān)器件故障診斷結(jié)果如表2所示.通過表2的故障診斷策略可快速有效地診斷出故障管，進(jìn)而對(duì)相應(yīng)的橋臂進(jìn)行容錯(cuò).

圖2 逆變器單管開路故障Fig.2 Single open circuit fault of inverter

表2 逆變器的開關(guān)器件故障診斷Tab.2 Fault diagnosis of switch devices of inverter

3 準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)三相四開關(guān)逆變器容錯(cuò)切換

3.1 容錯(cuò)切換原理

圖3所示的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、Switch控制和逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).圖3中Q為MOS管；K1、K2為信號(hào)開關(guān)；U0為準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的母線電壓；FM1、FM2為保護(hù)開關(guān)；F1～F6為熔斷開關(guān)；TRa、TRb、TRc為雙向晶閘管.準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)中的Q提供短路狀態(tài)，Q的占空比決定了準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓，二極管D9和電容C3可使輸出電壓保持穩(wěn)定.Q始終以一定占空比開通關(guān)斷，并及時(shí)為電容充電以保證電壓穩(wěn)定.非換相時(shí)K1導(dǎo)通，K2關(guān)斷，準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)不接入主回路，電源給三相逆變器供電.換相時(shí)K2導(dǎo)通，K1關(guān)斷，接入準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)并調(diào)整換相電壓.在換相期間Q短路，D9可以防止U0直接與地短路.此外，在換相時(shí)間段K2導(dǎo)通，U0高于電源電壓，K1的晶體二極管導(dǎo)通，電流可能會(huì)流向電源，因而需要加入串聯(lián)的反向二極管D8.電感L3、L4可以確保在容錯(cuò)切換時(shí)電機(jī)逆變器母線電流不會(huì)瞬時(shí)驟減.

3.2 三相四開關(guān)主電路容錯(cuò)拓?fù)?/h3>

圖3中母線間兩串聯(lián)電容的中點(diǎn)分別通過雙向晶閘管連接到三相繞組端，在三個(gè)橋臂中分別串聯(lián)兩個(gè)快速熔絲.當(dāng)某一橋臂功率器件發(fā)生短路或開路故障時(shí)，斷開故障橋臂，同時(shí)打開相應(yīng)的雙向晶閘管，并重構(gòu)如圖4所示的三相四開關(guān)逆變器容錯(cuò)拓?fù)?三相四開關(guān)逆變器邏輯工作關(guān)系如表3所示.

3.3 準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

當(dāng)三相四開關(guān)逆變器容錯(cuò)運(yùn)行換向時(shí)，相電壓幅值減小，相電流畸變嚴(yán)重，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加幅度劇烈，使得電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲，同時(shí)對(duì)功率開關(guān)器件造成嚴(yán)重?fù)p耗，嚴(yán)重影響電機(jī)的可靠性.因此，本文在容錯(cuò)橋臂前切入準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)，在線調(diào)整換相時(shí)刻的電壓值，穩(wěn)定相電流的輸出，使得轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，確保容錯(cuò)工作狀態(tài)穩(wěn)定進(jìn)行.圖5為準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?MOS管Q代替逆變器實(shí)現(xiàn)直通狀態(tài)并為電感儲(chǔ)能.

圖3 主電路容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Fault-tolerant topological structure of main circuit

圖4 三相四開關(guān)逆變器容錯(cuò)拓?fù)銯ig.4 Fault-tolerant topology of three-phase four-switch inverter

轉(zhuǎn)子角度(°)工作相電流方程導(dǎo)通器件-30～30c、bia=-(ib+ic)=0D5、D630～90a、bic=-(ib+ia)=0D690～150a、cib=-(ia+ic)=0D2150～210b、cia=-(ib+ic)=0D3、D2210～270b、aic=-(ib+ia)=0D3270～330c、aib=-(ia+ic)=0D5

圖5 準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.5 Quasi-Z source network topology

3.4 準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)變換器升降壓原理

圖6為準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的兩種工作狀態(tài).當(dāng)準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)處于短路狀態(tài)時(shí)，電容C1、C2相當(dāng)于串聯(lián)，C2正極接到C1負(fù)極，二極管D7反向截止.電容C1、C2給電感L2儲(chǔ)能，IL2增加，UL2為正值.同時(shí)，電源和電容C2釋放電能并給電感L1儲(chǔ)能，IL1上升，UL1為正值.當(dāng)準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)處于非短路狀態(tài)時(shí)，IL1、IL2下降，UL1、UL2為負(fù)值.由于U0=Ui+UL1+UL2>Ui，因此，準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)可以使母線電壓升高.

圖6 準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的兩種工作狀態(tài)Fig.6 Two operating states of quasi-Z source network

假定一個(gè)開關(guān)周期為T，短路狀態(tài)時(shí)間為T0，非短路狀態(tài)時(shí)間為T1，則

T=T0+T1

(2)

(3)

式中，D為占空比.

短路狀態(tài)下由圖6a可以得到

UL1=Ui+UC2

(4)

UL2=UC1

(5)

U0=0

(6)

Ud=UC1+UC2

(7)

式中：Ui為電源輸入電壓；Ud為儲(chǔ)能電壓.

非短路狀態(tài)下由圖6b可以得到

UL1=Ui-UC1

(8)

UL2=-UC2

(9)

U0=UC1-UL2=UC1+UC2

(10)

在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感的平均電壓等于零，即

(11)

通過求解方程式，可得

(12)

(13)

(14)

當(dāng)占空比D<0.5時(shí)，短路狀態(tài)下的升壓因子可以表示為

(15)

調(diào)整B的大小可以升高負(fù)載的輸入電壓，設(shè)降壓調(diào)制比為M，則

U0=BMUi

(16)

由于BM∈(0～+∞)，因此，準(zhǔn)Z源變換器理論上可以輸出任意期望電壓值.

3.5 容錯(cuò)模式的控制策略

在理想120°電角度相反電動(dòng)勢(shì)波形中，電流遲滯較小.在換相時(shí)刻，如果相反電動(dòng)勢(shì)保持不變，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與轉(zhuǎn)速有關(guān).本文通過檢測(cè)母線電流診斷出逆變橋故障相，然后隔離故障相，進(jìn)入準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的三相四開關(guān)容錯(cuò)拓?fù)淠Ｊ?在容錯(cuò)模式下，通過控制準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)在逆變橋前級(jí)的切入和斷開，在線調(diào)整母線電壓，確保換向時(shí)刻母線電壓與是其四倍大小的相反電動(dòng)勢(shì)相等，從而有效抑制了三相四開關(guān)容錯(cuò)模式下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).

4 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述容錯(cuò)切換方案的可行性和有效性，利用MATLAB/Simulink建立三相四開關(guān)的容錯(cuò)切換模型，仿真相關(guān)參數(shù)如表4所示.

表4 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.4 Setting of simulation parameters

圖7為仿真模式下傳統(tǒng)容錯(cuò)拓?fù)涞玫降南嚯娏髋c相反電動(dòng)勢(shì)波形圖.圖8為仿真模式下切入準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的三相四開關(guān)的相電流與相反電動(dòng)勢(shì)波形圖.

圖7 傳統(tǒng)故障容錯(cuò)的仿真波形圖Fig.7 Simulated waveform for traditional fault-tolerance

比較圖7a和圖8a可知，切入本文提出的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，電流畸變量明顯降低，相電流更加接近方波.比較圖7b和圖8b可知，切入本文提出的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，相反電動(dòng)勢(shì)頂部更加平滑，且更加接近120°梯形波.

圖8 切入準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的仿真波形圖Fig.8 Simulated waveform with quasi-Z source network

為了直觀驗(yàn)證容錯(cuò)后電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制情況，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩測(cè)試，結(jié)果如圖9所示.對(duì)比圖9a、b可知，電機(jī)發(fā)生故障后，切入準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)拓?fù)涞碾姍C(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相比傳統(tǒng)容錯(cuò)拓?fù)涿黠@減小.

圖9 仿真轉(zhuǎn)矩圖Fig.9 Simulated torque waveform

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述容錯(cuò)切換方案在工程上的可實(shí)用性，建立了模擬遁甲鉆井系統(tǒng)中無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(見圖10).采用DSPTMS320F28335控制板核心，通過DSP程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)試，相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4所示.

圖10 遁甲鉆井電機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experimental platform for drilling motor system

圖11為實(shí)驗(yàn)條件下傳統(tǒng)故障容錯(cuò)的相電流與相反電動(dòng)勢(shì)波形圖.圖12為實(shí)驗(yàn)條件下切入準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的三相四開關(guān)的相電流與相反電動(dòng)勢(shì)波形圖.對(duì)比圖11a和圖12a可知，切入本文提出的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，相電流更加接近方波.對(duì)比圖11b和圖12b可知，切入本文提出的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，相反電動(dòng)勢(shì)頂部更加平滑，且更加接近120°梯形波.

圖11 傳統(tǒng)故障容錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.11 Experiment waveform for traditional fault-tolerance

圖12 切入準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.12 Experimental waveform with quasi-Z source network

圖13為實(shí)驗(yàn)條件下傳統(tǒng)故障容錯(cuò)與切入準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的三相四開關(guān)轉(zhuǎn)矩圖.由圖13a、b可見，在故障模式下切入準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)拓?fù)涞碾姍C(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯低于傳統(tǒng)容錯(cuò)拓?fù)?

圖13 實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)矩圖Fig.13 Experimental torque waveform

5 結(jié) 論

針對(duì)遁甲鉆井設(shè)備中的無刷直流電機(jī)中所有環(huán)節(jié)一旦啟動(dòng)工作就不能更換的特殊條件，針對(duì)電機(jī)內(nèi)部最易發(fā)生故障的逆變器環(huán)節(jié)，提出了一種準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)的三相四開關(guān)拓?fù)?該方法在診斷出故障相后，將準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)切換到容錯(cuò)橋臂前級(jí)，構(gòu)成準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的功率變換電路.該拓?fù)涓鶕?jù)獲得的換相時(shí)刻信息，通過開關(guān)選擇電路決定采用電源電壓還是準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)輸出電壓作為電機(jī)逆變器直流母線的輸入電壓.在容錯(cuò)切換中有效抑制了母線電壓的瞬間驟變.通過準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)調(diào)整換向時(shí)刻的母線電壓，有效抑制了容錯(cuò)后的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減小了電機(jī)的抖動(dòng)和噪聲.