袁高龍,向保林,徐光輝
(1.武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院輸配電培訓(xùn)部,湖北 武漢 430070;2.湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430068)
永磁同步電機(jī)(PMSM)以其高效率、高響應(yīng)速度等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于對(duì)可靠性有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域,如航空航天、電力系統(tǒng)以及船舶推進(jìn)系統(tǒng)等[1-2]。近年來(lái)PMSM斷相故障受到越來(lái)越多的關(guān)注。當(dāng)電機(jī)的任一相或逆變器的任一橋臂完全斷開(kāi)時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)斷相故障。在斷相故障下,由于相電流不平衡,會(huì)降低電機(jī)的性能和效率,并且在極端情況下可能導(dǎo)致不可恢復(fù)的損壞[3]。
根據(jù)電機(jī)的相數(shù),容錯(cuò)方法可以分為多相電機(jī)容錯(cuò)和三相電機(jī)容錯(cuò)[4]。與傳統(tǒng)的三相電機(jī)相比,多相電機(jī)可以通過(guò)相數(shù)冗余增加控制自由度來(lái)提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力,且無(wú)需其他硬件[5]。但是多相電機(jī)的設(shè)計(jì)和控制復(fù)雜,并且多相電機(jī)的應(yīng)用范圍更窄[6]。因此研究工業(yè)應(yīng)用中三相永磁同步電機(jī)的斷相容錯(cuò)方法具有重要意義。
針對(duì)PMSM斷相容錯(cuò),文獻(xiàn)[7]提出空間矢量控制方法,即通過(guò)故障相信號(hào)對(duì)中線進(jìn)行控制,將d,q軸電流比例積分控制器的輸出端設(shè)計(jì)為前饋d,q軸補(bǔ)償電壓,進(jìn)而對(duì)因斷相故障導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行抑制。但是該方法的前饋d,q軸補(bǔ)償電壓是根據(jù)理論模型得到的,系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置對(duì)其補(bǔ)償效果影響較大,故魯棒性較差。文獻(xiàn)[8]在電機(jī)斷相故障發(fā)生后通過(guò)新坐標(biāo)變換來(lái)使其d,q軸電流解耦,進(jìn)而對(duì)單相故障后的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行控制,但是該方法采用母線電容作為非故障相獨(dú)立控制的回路,故要求母線電容具備一定的承載能力。文獻(xiàn)[9]主要研究四橋臂驅(qū)系統(tǒng)的斷相故障,通過(guò)非故障相電壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)斷相故障后的電機(jī)容錯(cuò),該方法具有一定的控制效果,但是抑制后的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還存在波動(dòng)性,從而導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[10]提出的電機(jī)斷相容錯(cuò)控制方法是基于電機(jī)定子繞組合成磁動(dòng)勢(shì)恒定而實(shí)現(xiàn)的,即在斷相故障后對(duì)非故障相的電流相位及幅值進(jìn)行重新配置,同時(shí)將滯環(huán)控制器引入到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,保證了斷相故障情況下的電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。該滯環(huán)控制器可以對(duì)非故障相的電流進(jìn)行跟蹤控制,但是該方法存在開(kāi)關(guān)頻率不穩(wěn)定的問(wèn)題。文獻(xiàn)[11]針對(duì)星形聯(lián)結(jié)的永磁同步電機(jī)提出一種基于四橋臂拓?fù)涞臄嘞嗳蒎e(cuò)控制策略,通過(guò)利用相補(bǔ)償電流與零軸電流的等效關(guān)系,計(jì)算出零軸電流參考控制量,并根據(jù)期望的動(dòng)靜特性設(shè)計(jì)出零軸電流閉環(huán)內(nèi)??刂破?,從而實(shí)現(xiàn)零軸電流的高精度跟蹤控制,但是該方法中d,q軸電流計(jì)算較為復(fù)雜。
鑒于此,針對(duì)三相PMSM出現(xiàn)的斷相故障提出了一種新的基于四橋逆變器的PMSM斷相容錯(cuò)控制方法。首先根據(jù)斷相后電壓、電流之間的關(guān)系構(gòu)建PMSM容錯(cuò)數(shù)學(xué)模型,并推導(dǎo)出斷相后模型的輸入輸出方程。其次,根據(jù)新的坐標(biāo)變換矩陣,將d,q軸電壓/電流參考值轉(zhuǎn)換為兩個(gè)無(wú)故障相的相電壓/電流,從而將電流控制器(PI控制器)直接切換到故障后狀態(tài),而無(wú)需重新設(shè)計(jì)控制器。另外,利用基于載波的PWM來(lái)驅(qū)動(dòng)斷相的PMSM,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的容錯(cuò)控制。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的斷相容錯(cuò)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的容錯(cuò)能力。
針對(duì)三相四橋臂PMSM,其故障類(lèi)型主要體現(xiàn)在繞組和功率管兩方面,其故障拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 三相四橋臂PMSM的故障拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Three-phase four-arm PMSM fault topology
在正常情況下電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用三橋臂逆變器運(yùn)行,且未連接零線。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相繞組斷路故障時(shí),斷路相繞組電流為0;當(dāng)發(fā)生單相功率管斷路故障時(shí),該相繞組電流為正弦半波。因此通過(guò)實(shí)時(shí)采樣繞組電流即可對(duì)單相斷路故障進(jìn)行故障辨識(shí);當(dāng)發(fā)生單相繞組短路故障時(shí),短路相繞組所在逆變器控制的電機(jī)繞組中心點(diǎn)電位發(fā)生畸變,正常工作時(shí)中心點(diǎn)電位為是0.33Udc或0.67Udc,其中Udc為直流母線電壓。短路故障時(shí)中心點(diǎn)電位變成0或Udc,因此通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中心點(diǎn)電壓即可實(shí)現(xiàn)繞組短路故障辨識(shí);當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相功率管短路故障時(shí),會(huì)發(fā)生功率管直通現(xiàn)象,因此通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功率管直通故障信號(hào)即可辨識(shí)功率管的短路故障。
在正常工作條件下,a-b-c固定坐標(biāo)系中的PMSM模型如下式所示[12]:
式中:Uan,Ubn和Ucn為a-b-c坐標(biāo)系中三相的端電壓;ia,ib和ic為a-b-c坐標(biāo)系中電機(jī)的相電流;p為微分運(yùn)算;R為電阻矩陣;Ls為電感矩陣;eabc為相位反電動(dòng)勢(shì);M為耦合系數(shù)。
一般情況下,通過(guò)Clarke和Park變換可以將三相固定坐標(biāo)系中的相電流(ia,ib和ic)轉(zhuǎn)換為同步坐標(biāo)系中的直流變量(id和iq)[13]。比例積分(PI)控制器用于調(diào)節(jié)電機(jī)電流,PI控制器的輸出參考電壓U*d和U*q可以轉(zhuǎn)換為U*α和U*β以驅(qū)動(dòng)三相逆變器(或在基于載波的PWM中轉(zhuǎn)換為上述的轉(zhuǎn)換都可以通過(guò)Clarke和Park轉(zhuǎn)換及其逆矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn),如以下2式所示:
其中
式中:P為a-b-c→d-q坐標(biāo)系變換矩陣;θ為轉(zhuǎn)子位置;id,iq為d-q坐標(biāo)系中電機(jī)電流;ud和uq為dq坐標(biāo)系中電機(jī)電壓;Tclarke為克拉克變換矩陣;Tpark為Park變換矩陣。
從d-q坐標(biāo)系到a-b-c坐標(biāo)系的逆變換由以下2式來(lái)實(shí)現(xiàn):
其中
式中:P-1為d-q→a-b-c坐標(biāo)系的變換矩陣;“*”為參考值為Park逆變換矩陣;為Clarke逆變換矩陣。
假設(shè)A相開(kāi)路,此時(shí)ia=0,當(dāng)出現(xiàn)斷相故障時(shí),A相不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。將式(2)和式(3)中與A相有關(guān)的項(xiàng)次刪除后,式(2)和式(3)可轉(zhuǎn)換為
其中
式中:Ta為b-c→d-q坐標(biāo)系的變換矩陣。
同樣,如果忽略式(5)和式(6)中與A相有關(guān)的項(xiàng)次就可以得到d-q→b-c坐標(biāo)系的逆變換如下:
當(dāng)A相發(fā)生斷相故障時(shí),電壓方程式(如式(1))可簡(jiǎn)化為
如果PWM電壓源逆變器的非線性(PWMVSI)可以忽略,那么在斷相條件下,電機(jī)電壓應(yīng)等于其參考電壓,即:
將式(12)中的電機(jī)電壓用參考值代入后,式(12)可變換為
為了分析d-q坐標(biāo)中電壓和電流的關(guān)系,將具有傳統(tǒng)變換矩陣的斷相PMSM進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。將式(14)中的電壓用式(11)代入,式(14)中的電流ibc用式(8)代入,就可以得到斷相PMSM的輸入輸出方程式如下:
從式(8)和式(10)可以看出,矩陣Ta和的乘積并不是單位矩陣。如果將傳統(tǒng)的Clarke和Park變換矩陣應(yīng)用于斷相電機(jī)中,那么廣義的斷相PMSM電壓方程(如式(15))將非常復(fù)雜,并且其非線性也將更加突出。此外,如果使用PI控制器,其控制性能也將下降。因此在斷相故障的情況下,新的電壓/電流坐標(biāo)系的變換矩陣尤為重要,如圖2所示。
圖2 斷相故障的PMSM控制系統(tǒng)Fig.2 PMSM control system of phase failure
為保持?jǐn)嘞郟MSM的磁動(dòng)勢(shì)和電磁力矩不變,應(yīng)將d,q軸的電流作為故障前的電流。因此在出現(xiàn)斷相故障后,其余兩相必須產(chǎn)生相同的d,q軸電流。假設(shè)A相出現(xiàn)斷相故障(如圖1b所示),則電機(jī)工作在不平衡狀態(tài)(ia=0)。在這種情況下ia不可控,只有B相和C相才能產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)矩。因此為了獲得與故障前相同的d,q軸電流,應(yīng)調(diào)整B相和C相預(yù)期的相電流。根據(jù)式(8)可以通過(guò)對(duì)矩陣Ta求逆來(lái)獲得B相和C相的校正電流指令如下式:
類(lèi)似地,通過(guò)下式得到b-c坐標(biāo)系中相電壓的校準(zhǔn)值為
利用新的變換矩陣(Ta和T-1a),可將式(15)簡(jiǎn)化為
對(duì)于有效的PMSM控制系統(tǒng)而言,d,q軸的電壓方程式可以寫(xiě)為
比較式(18)和式(19),可以發(fā)現(xiàn)故障狀態(tài)下的電壓方程式與正常狀態(tài)下的電壓方程式相似。式(18)和式(19)的主要區(qū)別在于式中的反電動(dòng)勢(shì),且兩式的最后兩項(xiàng)可以被當(dāng)成干擾項(xiàng)。因此正常情況下電機(jī)的干擾項(xiàng)可以寫(xiě)成:
斷相電機(jī)的干擾項(xiàng)可以寫(xiě)為
各施工工況下對(duì)H型鋼主結(jié)構(gòu)和凸起橢圓拱形結(jié)構(gòu)的位置必須進(jìn)行跟蹤測(cè)量,施工時(shí)應(yīng)采取必要的措施,使變形在受控下完成,以保證整體造型和施工質(zhì)量。
從式(20)和式(21)中可以得到,故障前后兩個(gè)干擾項(xiàng)的波形相似,并且具有幾乎相同的數(shù)量級(jí)。盡管故障后的干擾幅度稍大,但可以接受。因此,電流控制器可以設(shè)計(jì)為PI控制器,且可以通過(guò)前饋補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除這些干擾。
同樣,也可以獲得B相和C相開(kāi)路下的變換矩陣,變換矩陣的方程式如下所示:
式中:下標(biāo)x,y為余下相位;下標(biāo)z為斷相;k為相位調(diào)整系數(shù)。
當(dāng)z=a時(shí),x=b,y=c,k=0;當(dāng)z=b時(shí),x=c,y=a,k=2;當(dāng)z=c時(shí),x=a,y=b,k=1。當(dāng)出現(xiàn)斷相故障時(shí),iz=0。在反饋回路中,矩陣P(a-b-c→d-q)和矩陣Ta(x-y→d-q)產(chǎn)生的變換結(jié)果相同。iz=0可以看作Clarke和Park變換中的特例,因此變換矩陣P也可以應(yīng)用在斷相PMSM系統(tǒng)的反饋回路中,但是應(yīng)將電流回路中正向路徑的變換矩陣P-1替換為矩陣T-1z,從而避免斷相故障下的非線性影響。
在定子繞組的斷相故障下,三相繞組中的一相不可用,因此傳統(tǒng)的SVPWM方法無(wú)法獲得三個(gè)獨(dú)立的電壓[14]??紤]到基于載波的PWM方法可以產(chǎn)生三個(gè)獨(dú)立電壓,因此本文采用載波PWM來(lái)驅(qū)動(dòng)PMSM。對(duì)于具有載波PWM的PMSM來(lái)說(shuō),三相端子的參考電壓和中線參考電壓如下式所示:
在斷相條件下,與斷相相對(duì)應(yīng)的電源開(kāi)關(guān)處于受控關(guān)斷狀態(tài),其余相的端子參考電壓和可以根據(jù)式(23)計(jì)算??紤]到偏置電壓的設(shè)計(jì)原理是使電源的電壓利用率最大化,因此可以將偏置電壓指令設(shè)置為
圖3為正常狀態(tài)和斷相故障狀態(tài)下的PMSM控制系統(tǒng)框圖。該控制系統(tǒng)主要包括七個(gè)模塊:電流PI控制器、同步坐標(biāo)系變換、PWM發(fā)生器、四橋臂逆變器、PMSM、相位故障診斷和逆坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。相位故障診斷模塊通過(guò)監(jiān)視相電流來(lái)輸出故障符號(hào)(F)和故障位置(z)。如果電機(jī)在正常狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn),可以將常規(guī)的變換矩陣P(a-b-c→d-q)用于電機(jī)的電流變換中以獲得d,q軸的反饋電流。通過(guò)調(diào)節(jié)電流PI控制器,就可以產(chǎn)生d,q軸的控制電壓再通過(guò)變換矩陣轉(zhuǎn)換為控制電壓最后通過(guò) SVPWM 調(diào)制從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)發(fā)生斷相故障時(shí),采用新的逆變換矩陣來(lái)獲得控制電壓并且利用基于載波的PWM來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)逆變器的指令??梢园l(fā)現(xiàn),兩個(gè)矢量控制器的主要區(qū)別在于電流環(huán)路正向路徑中的逆變換矩陣和PWM調(diào)制方法,在正常狀態(tài)和斷相故障狀態(tài)下其它模塊沒(méi)有差別。
圖3 容錯(cuò)控制方案Fig.3 Fault-tolerant control scheme
為了評(píng)估所提方法的性能實(shí)驗(yàn)中使用了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法,并借助雙框架控制力矩的陀螺儀(DGCMG)原型。其主要參數(shù)如下:直流電源Udc=28 V,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.173 kg·m2,反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ke=2.22 N·m/A,相電阻R=6 Ω,相電感L=9 mH,角動(dòng)量H=10 N·ms。框架電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用id=0的控制方式。
為了驗(yàn)證所提出的斷相容錯(cuò)方法的優(yōu)越性,在電機(jī)運(yùn)行期間必須將A相從逆變器上斷開(kāi)。在系統(tǒng)無(wú)容錯(cuò)、具有電壓前饋補(bǔ)償和本文所提方法之間進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖4為無(wú)容錯(cuò)補(bǔ)償措施實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖4中可以看出,在斷相故障后,A相的電流立即減小到零,而由于反電動(dòng)勢(shì)的原因,A相的檢測(cè)電壓不為零。
圖4 無(wú)容錯(cuò)補(bǔ)償措施Fig.4 Compensation measures without fault tolerance
圖5、圖6分別為傳統(tǒng)前饋電壓補(bǔ)償控制策略、本文提出控制策略的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了提高斷相永磁同步電機(jī)的性能,在系統(tǒng)中采用了基于前饋電壓補(bǔ)償?shù)娜蒎e(cuò)方法。前饋電壓根據(jù)文獻(xiàn)[8]計(jì)算,為了獲得準(zhǔn)確的前饋電壓,應(yīng)預(yù)先獲取電機(jī)參數(shù),例如永磁磁鏈Ψm、定子直流、正交和漏電感Id,Iq,Iσ。
圖5 傳統(tǒng)前饋電壓補(bǔ)償控制策略Fig.5 Traditional feedforward voltage compensation control strategy
圖6 本文提出的控制策略Fig.6 The control strategy proposed in this paper
從圖5可以看出通過(guò)前饋補(bǔ)償,d-q電流性能得到改善,并且q軸電流波動(dòng)從0.185 A減小到0.156 A,另外從電磁轉(zhuǎn)矩輸出波形和轉(zhuǎn)速波形上來(lái)看其性能均有所改善。但是由于補(bǔ)償中忽略了電感和相電阻的變化,因此其作用是有限的。除此之外,對(duì)前饋電壓補(bǔ)償中電機(jī)參數(shù)錯(cuò)誤也進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)電機(jī)參數(shù)不正確時(shí),補(bǔ)償性能會(huì)降低。如圖5所示,當(dāng)電機(jī)參數(shù)改變50%(參數(shù)B),d,q軸的電流誤差會(huì)增加。由此可以發(fā)現(xiàn),基于前饋電壓補(bǔ)償方法的性能會(huì)受到電機(jī)參數(shù)精度的影響。
從圖6可以看出,與斷相電機(jī)系統(tǒng)和前饋電壓補(bǔ)償系統(tǒng)相比,q軸電流波動(dòng)明顯減小。盡管d軸的電流波形中存在波動(dòng),但因?yàn)镻MSM的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式中d軸的電流系數(shù)為零(Ld=Lq),因此不會(huì)影響電機(jī)的性能。另外,經(jīng)過(guò)本文所提出的容錯(cuò)控制策略后,其電磁輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速較前饋電壓補(bǔ)償控制策略更為穩(wěn)定。
在此實(shí)驗(yàn)中,利用斷相PMSM加速和反轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)試提出的容錯(cuò)方法的性能。針對(duì)加速性能測(cè)試,在t=15 s之前,設(shè)定參考電流為0.3 A,15 s后將參考電流設(shè)置為在t=8 s時(shí),斷開(kāi)A相,并將所提出的容錯(cuò)策略應(yīng)用于系統(tǒng)中。在正常狀態(tài)下,電機(jī)由三相逆變器驅(qū)動(dòng),一旦斷開(kāi)了A相的定子繞組,便會(huì)激活第四橋臂。圖7為所獲得的相電流、d-q電流和斷相PMSM的速度示意圖。
圖7 三相PMSM的加速性能Fig.7 Acceleration performance of three-phase PMSM
由圖7可知,當(dāng)斷相電機(jī)加速時(shí),疊加在電機(jī)電流上的波動(dòng)很小,并且電機(jī)速度波形較為平滑。
在斷相電機(jī)的反轉(zhuǎn)性能測(cè)試中,在t=15 s之前,設(shè)定參考電流為15 s后將參考電流設(shè)置為在t=8 s時(shí),斷開(kāi)A相,并將所提出的容錯(cuò)策略應(yīng)用于系統(tǒng)。圖8為斷相PMSM的相電流、d-q電流和PMSM速度波形圖。由圖8可知,盡管故障發(fā)生時(shí)瞬時(shí)的速度波動(dòng)很小,但是斷相電機(jī)在其反轉(zhuǎn)操作中可以很好地運(yùn)行。
圖8 斷相PMSM的反轉(zhuǎn)性能Fig.8 Reversal performance of phase-off PMSM
在該實(shí)驗(yàn)中,對(duì)所提出的容錯(cuò)方法進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)性測(cè)試和FFT分析。由于DGCMG框架的額定速度和額定電流相對(duì)較低,因此使用了功率較大的PMSM進(jìn)行測(cè)試。
實(shí)驗(yàn)中斷開(kāi)A相,并將t=5 s之前的電流基準(zhǔn)設(shè)置為,5 s后將電流基準(zhǔn)設(shè)置為產(chǎn)生的三相電流波形和dq電流波形如圖9a和圖9b所示,從電流波形中可以發(fā)現(xiàn),所提出的斷相容錯(cuò)方法具有很好的穩(wěn)態(tài)性。圖9c為d-q電流的FFT分析圖,根據(jù)d,q軸電流的諧波特性,可以發(fā)現(xiàn)所提出的容錯(cuò)方法具有較低的總諧波失真(THD)。
圖9 穩(wěn)態(tài)性能測(cè)試和FFT分析Fig.9 Steady-state performance test and FFT analysis
為了改善斷相故障后電機(jī)性能,提出了基于四橋臂逆變器的PMSM斷相容錯(cuò)控制策略。與傳統(tǒng)的容錯(cuò)方法不同,該容錯(cuò)方法不需要重新設(shè)置控制器或進(jìn)行前饋電壓補(bǔ)償,特別是當(dāng)發(fā)生斷相故障時(shí),PI控制器參數(shù)可以保持不變。另外,由于容錯(cuò)方法是基于四橋臂逆變器設(shè)計(jì)的,因此與基于三相逆變器的方法相比,可以獲得更高的容錯(cuò)能力。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的斷相容錯(cuò)控制策略具有良好的穩(wěn)態(tài)特性以及較低的總諧波失真。需要注意的是,三相四橋臂電機(jī)的容錯(cuò)控制重點(diǎn)之一在于如何利用硬件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)單相繞組故障和功率管故障的開(kāi)關(guān)切換,因此本文后續(xù)將重點(diǎn)研究不同單相故障的開(kāi)關(guān)切換問(wèn)題。