黃 其, 羅 玲, 閆紅濤,3, 高 宇,3
(1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院,陜西 西安 710072;2.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025;3.貴州航天林泉電機有限公司,貴州 貴陽 550081)
永磁無刷直流電機(BLDCM)系統(tǒng)由電機本體、控制器、位置傳感器組成,具有功率密度高、調(diào)速性能好、無碳刷磨損壽命長、體積小、質(zhì)量輕的特點,廣泛應(yīng)用在汽車、家電、機器人和通信設(shè)備等領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)永磁BLDCM的定子繞組通常采用星形連結(jié)構(gòu),由三相全橋逆變電路驅(qū)動,三相繞組存在公共點,當(dāng)某相繞組或其逆變電路出現(xiàn)故障時,會對其他相繞組的運行產(chǎn)生影響,導(dǎo)致電機不能平穩(wěn)運行,甚至燒壞繞組,不能滿足電機高可靠性要求[2-5]。在要求高平穩(wěn)、高可靠性的電驅(qū)動領(lǐng)域中,通常采用余度電機或容錯電機,但這兩種結(jié)構(gòu)電機的系統(tǒng)復(fù)雜,要求繞組的相數(shù)多,電樞常采用隔槽安放的集中繞組結(jié)構(gòu),繞組利用率不高、工藝復(fù)雜,導(dǎo)致電機體積和質(zhì)量增大,成本升高[6-7]。
開繞組結(jié)構(gòu)是將電機繞組間的中性點斷開,定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不改變,每相繞組連接各自的驅(qū)動電路,其特點為可對各相繞組的電壓、電流單獨控制,相繞組間電氣隔離。目前開繞組結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用到永磁電機、異步電機、發(fā)電機、變壓器等電器[8-10]。與傳統(tǒng)永磁無刷電機類似,開繞組BLDCM也有兩種控制方式:方波控制和正弦波控。國內(nèi)外對正弦波控制開繞組BLDCM做了大量研究,包括提高效率、提高電壓利用率、降低共模電壓等。但正弦波控制方式需要高精度位置傳感器(旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器)來獲取轉(zhuǎn)子位置角度,同時需要高性能芯片進(jìn)行坐標(biāo)變換運算和空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)運算,導(dǎo)致系統(tǒng)成本較高。BLDCM采用方波控制方式,只需三個霍爾位置傳感器和換相邏輯電路,成本低,控制算法簡單[11-12]。
與容錯電機系統(tǒng)相比,開繞組BLDCM可采用分?jǐn)?shù)槽繞組減少轉(zhuǎn)矩脈動,采用雙層繞組提高繞組利用率,并減少電流諧波。雖然相鄰繞組之間還存在磁路耦合,但已經(jīng)實現(xiàn)了繞組之間的電氣隔離,具備較好的容錯性能[13]。開繞組永磁電機的定轉(zhuǎn)子磁路沒有改變,可延用原有的電機生產(chǎn)工藝,工程上方便實現(xiàn)。
本文介紹開繞組BLDCM原理及特性,建立有限元仿真模型。對開繞組BLDCM的功率器件故障進(jìn)行分析,并利用保險絲作為功率器件故障的保護(hù)器件。對比分析補償法和重構(gòu)法兩種容錯方法的效果,通過搭建樣機試驗平臺,驗證補償容錯方法的合理性。
容錯電機與常規(guī)電機的定子繞組結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 定子繞組結(jié)構(gòu)
開繞組BLDCM的每相繞組連接各自的H橋逆變電路,考慮到成本因素和環(huán)境適應(yīng)性,三相繞組的3個H橋逆變電路由同一個電源供電,如圖2所示,逆變電路共需要12個功率器件,V1i(i=1~4)為A相繞組連接的4個功率器件,U0為電源母線電壓,I0為電源母線電流。雖然開繞組電機控制器的開關(guān)器件比傳統(tǒng)三相橋式逆變電路要多一倍,但每個器件的耐壓降低一半,適合低電壓寬調(diào)速應(yīng)用場合[14]。
圖2 開繞組三相BLDCM驅(qū)動電路
文獻(xiàn)[12]提出了開繞組三相無刷電機的導(dǎo)通模式有8種,通過仿真和試驗得出電機采用兩相導(dǎo)通六狀態(tài)(六步換相)控制模式時換相轉(zhuǎn)矩脈動最小,運行最平穩(wěn)。六步換相控制模式如圖3所示,以一對極電機為例,將一個360°(電角度)周期分成6個均等的狀態(tài),每個狀態(tài)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動60°(電角度)。每個狀態(tài)有兩相繞組通電,其中一相正向?qū)?,另一相反向?qū)?,電樞磁動勢由兩相繞組導(dǎo)通時合成產(chǎn)生,在一個狀態(tài)內(nèi)電樞磁動勢方向不變,在360°(電角度)周期電樞磁動勢變換六次。由于電樞磁動勢的跳變,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動,換相轉(zhuǎn)矩脈動是BLDCM的固有缺陷。
圖3 六步換相控制模式
圖4 磁動勢矢量圖
開繞組BLDCM的各相繞組相互獨立,相繞組電壓平衡方程為
(1)
式中:ix、ex、Rx、Lx分別為繞組相電流、反電動勢、電阻、電感,x=a、b、c;U0為母線電壓;ΔU為開關(guān)管壓降。
開繞組三相BLDCM的反電動勢與常規(guī)BLDCM的相同,反電動勢波形為120°(電角度)平頂寬度的梯形波,梯形波幅值計算式為
E=CeΦδn
(2)
式中:Φδ為氣隙磁通;Ce為反電動勢常數(shù);n為電機轉(zhuǎn)速。
電機穩(wěn)態(tài)運行時,dix/dt=0,繞組的相電流為
(3)
電機的電磁功率Pem和轉(zhuǎn)矩Tem為
Pem=∑exix
(4)
(5)
式中:ω為電動機的角速度。
電機建模常用的方法有3種:解釋法、數(shù)字建模和有限元建模,其中解釋法根據(jù)電機的電磁方程搭建模型,模型的精度對電磁參數(shù)依賴較高;數(shù)字建模通常采用MATLAB Simulink工具軟件,由各個電氣模塊連接而成,模塊是假定工作在理想狀態(tài),難以仿真出實際復(fù)雜工況,但是能仿真出參數(shù)對模型的影響趨勢;有限元建模能夠綜合考慮電、磁、熱等因素,但模型復(fù)雜,需配置許多經(jīng)驗參數(shù)。本文采用MATLAB Simulink工具軟件對開繞組BLDCM進(jìn)行建模,由直流電源、逆變電路、負(fù)載、換相模塊、電機本體、示波器等組成,如圖5所示,具體建模流程參考文獻(xiàn)[15],電機參數(shù)如表1所示。
表1 開繞組BLDCM參數(shù)
圖5 開繞組BLDCM的MATLAB模型
仿真開繞組BLDCM在空載和額定負(fù)載下的相電流ia、ib、ic、轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速n波形如圖6所示,電機空載起動,空載轉(zhuǎn)速約為900 r/min,在0.15 ms時給電機施加額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩0.13 N·m,負(fù)載轉(zhuǎn)速約為740 r/min,相電流有效值約為0.45 A,最大轉(zhuǎn)矩波動約為25%,起動電流為2倍左右額定負(fù)載電流。
圖6 電機正常運行
開繞組BLDCM系統(tǒng)的故障主要分為三大類:電機本體故障、控制器故障和傳感器故障。具體內(nèi)容包括繞組開路、相繞組短路、匝間短路、位置傳感器失效、永磁體失磁、軸承破損、轉(zhuǎn)子掃膛、功率器件短路、功率器件開路、電源失效、控制芯片故障、驅(qū)動電路故障、電壓/電流傳感器故障等。其中,功率器件工作在高頻開關(guān)頻率下,承受較大的du/dt和di/dt沖擊,發(fā)生故障的概率最大。
工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的電機不允許突然停機和長時間停機,即便發(fā)生故障,也要保證不降低或降低部分電機性能的情況下繼續(xù)運行,將故障所帶來的經(jīng)濟(jì)損失降至最低。故障防御方法主要有三類:硬件保護(hù)、定時巡檢和在線診斷。
(1) 硬件保護(hù)。大部分電機都有硬件保護(hù)裝置,通過保險絲、空開斷路器、硬件過電壓/電流保護(hù)電路來實現(xiàn),比如過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、接地保護(hù)、振動超限保護(hù)、過速保護(hù)等,當(dāng)運行參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)達(dá)到或超過控制器設(shè)定值后,電機系統(tǒng)就會報警,進(jìn)行降低功率運行或停機處理,防止超限運行對電機帶來破壞影響。該方法響應(yīng)迅速,設(shè)備投入較少,應(yīng)用廣泛。
(2) 定時巡檢。在一些關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域,不允許電機出現(xiàn)停機和降額運行狀態(tài),通常采用定期巡檢的方法來預(yù)防故障的發(fā)生。工作人員使用專用的檢測設(shè)備(絕緣測試儀、光譜分析儀、熱成像儀等)定期對電機系統(tǒng)進(jìn)行檢測,提前對可能出故障的電機進(jìn)行更換和維護(hù)。該方法在生活生產(chǎn)保障領(lǐng)域應(yīng)用較多,需要投入人力和設(shè)備。
(3) 在線診斷。由于電機在閉環(huán)控制過程中,控制器需要利用傳感器檢測電壓、電流和速度等信息,與目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行比較運算,而這些檢測信號值可以用作在線診斷的輸入數(shù)據(jù)。故障在線診斷方法有三類:基于解析模型、基于信號處理、基經(jīng)驗于知識。大部分情況下故障在線診斷可利用現(xiàn)有的檢測數(shù)據(jù),無需增加硬件成本,并且只是在程序上增加分析判斷功能,可以在各種電子產(chǎn)品上得到應(yīng)用,但會增加控制芯片的運算量,特別在保護(hù)功能多的場合其控制邏輯復(fù)雜,存在處理延遲的風(fēng)險。
隨著各類檢測傳感器和保護(hù)算法的大量應(yīng)用,電機運行過程中出現(xiàn)的過溫、過流、開路缺相等狀況控制器均能及時檢測,并進(jìn)行停機或降功率處理,因此能大大降低電機本體故障和傳感器故障的概率。但是在過壓、浪涌電流、靜電、不良焊接等狀態(tài)下出現(xiàn)功率器件故障,控制器難以及時檢測到,可能導(dǎo)致電機系統(tǒng)波動、絕緣損壞、繞組過熱燒毀等狀況,因此需要分析功率器件故障特性,以便控制器及時作出處理。
開繞組BLDCM系統(tǒng)的三相繞組由3個獨立H橋逆變電路驅(qū)動,在分析故障現(xiàn)象時,以A相繞組的逆變電路為例,4個功率器件V11~V14均有可能發(fā)生開路故障,可能是一個或多個功率器件發(fā)生開路故障。功率器件短路是逆變電路的一種重大故障,只要其中一個功率器件發(fā)生短路,會引起連鎖反應(yīng),當(dāng)與之處于同一橋臂上串聯(lián)的功率器件開通時,電源正、負(fù)極短接,導(dǎo)致串聯(lián)的功率器件開通電流過大而燒毀。當(dāng)H橋逆變電路的一個功率器件短路時,必須禁止與之處于同一橋臂上串聯(lián)的功率器件開通,此時該H橋逆變電路連接的繞組只能單方向通道,如圖7(a)所示。
當(dāng)H橋逆變電路發(fā)生2個功率器件短路時,如果兩個短路的功率器件同時處于上、下橋臂,或同時處于橋臂的一邊,如圖7(b)~圖7(c),一旦接通電源就會發(fā)生電源短路。當(dāng)對角的功率器件發(fā)生短路故障時,如圖7(d)所示,該相繞組處于單方向一直通電狀態(tài),不會關(guān)斷。因此,當(dāng)H橋逆變電路出現(xiàn)2個以上的功率器件短路時,必須禁止橋臂其他功率器件開通,此時該H橋逆變電路處于斷開電源狀態(tài)。
圖7 功率器件短路故障類型
為了防止功率器件短路故障引起電源短路帶來的各種危害,通常在H橋逆變電路的電源正極上串聯(lián)保險絲或者保護(hù)繼電器,用以及時切斷故障模塊。也有采用在線判斷母線電流是否超限來切斷故障模塊的方法,但這種方法時效性不及保險絲或繼電器,一方面,若控制芯片被干擾,或同時出其他故障就不能有效采取處理措施;另一方面,處理措施出現(xiàn)延時也不能將危害降低到最小。
H橋逆變電路若出現(xiàn)3個或4個功率器件開路故障就時,該相繞組就無法通電,出現(xiàn)一個或2個功率器件開路故障還有可能給該繞組通電。當(dāng)H橋逆變電路出現(xiàn)一個功率器件開路故障時,該相繞組能實現(xiàn)單方向通電,如圖8(a)所示。當(dāng)H橋逆變電路發(fā)生2個功率器件開路時,如果2個開路的功率器件同時處于上、下橋臂,或同時處于橋臂的一邊,如圖8(b)~圖8(c)所示,繞組就無法通電;如果處于對角的功率器件發(fā)生開路故障時,如圖8(d)所示,該相繞組只能單方向通電。
圖8 功率器件開路故障
根據(jù)上述分析,開繞組BLDCM系統(tǒng)的大部分功率器件故障最后均采取繞組開路處理或單方向運行處理。當(dāng)切除掉某一相繞組或某相繞組只能單方向運行時時,電機主磁場就由剩下的相電流產(chǎn)生的磁場來合成產(chǎn)生,控制剩下磁場矢量,使其保持一定的旋轉(zhuǎn)順序,那么電機就可以繼續(xù)運行,此時電機輸出的轉(zhuǎn)矩波動增大,帶來振動噪聲。開繞組BLDCM系統(tǒng)的電機容錯控制方法有2種:補償算法和重構(gòu)算法[16]。
補償控制是電機出現(xiàn)一相繞組出現(xiàn)故障時,將剩余相繞組的電流增大,使電機輸出的有效轉(zhuǎn)矩保持不變,由式(3)可知,電機轉(zhuǎn)速會下降,輸出功率減少,在360°(電角度)周期內(nèi)電樞磁動勢幅值發(fā)生變化,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動增大。
當(dāng)故障相繞組只能單方向通電時,該相繞組只能產(chǎn)生單方向的電樞磁動勢,另一個方向的電樞磁動勢為0。以A相H橋逆變器一個功率器件開路故障為例,三相繞組產(chǎn)生的電樞磁動勢如圖9(a)所示,三相繞組導(dǎo)通時合成電樞磁動勢如圖10(a)所示,其中4個為合成矢量,2個為單獨矢量。由圖10看出,6個電樞磁動勢的空間排布偏離了正六邊形形狀,導(dǎo)致電機有效輸出功率減少,轉(zhuǎn)矩脈動增加。
圖9 故障時電樞磁動勢
圖10 補償運行時電樞磁動勢
開繞組三相無刷電機采用兩相導(dǎo)通六狀態(tài)(六步換相)控制模式時,一個導(dǎo)通周期內(nèi)電機輸入電能N0為
(6)
式中:PA、PB、PC分別為定子三相繞組平均功率。
電機屬于慣性系統(tǒng),速度不會發(fā)生突變,在一個導(dǎo)通周期三相繞組的反電動勢幅值不變,因此一個導(dǎo)通周期內(nèi)電機輸入電能N0為
N0=[EAIA+(-EA)·(-IA)+EBIB+(-EB)·
(-IB)+ECIC+(-EC)·(-IC)]T0=
(2EAIA+2EBIB+2ECIC)T0=6EAIAT0
(7)
式中:T0為一個導(dǎo)通狀態(tài)的持續(xù)時間。
當(dāng)開繞組BLDCM在C相繞組單方向通電時,此時一個導(dǎo)通周期內(nèi)電機輸入電能N1為
N1=(2EAIA+2EBIB+ECIC)T0=5EAIAT0
(8)
此時若要保持與正常狀態(tài)下電機輸入電能平衡,則需要使正常相繞組電流增大到1.2倍。
當(dāng)開繞組BLDCM在C相繞組單方向通電時,此時一個導(dǎo)通周期內(nèi)電機輸入電能N2為
N2=(2EAIA+2EBIBC)T0=4EAIAT0
(9)
此時若要保持與正常狀態(tài)下電機輸入電能平衡,則需要使正常相繞組電流增大到1.5倍。
仿真開繞組BLDCM在C相繞組單方向通電時的相電流ia、ib、ic、轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速n波形如圖11所示,電機空載起動,空載轉(zhuǎn)速約為860 r/min,在0.15 ms時給電機施加額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩0.13 N·m,負(fù)載轉(zhuǎn)速約為720 r/min,相電流有效值約為0.55 A,為正常運行電流的1.2倍左右,最大轉(zhuǎn)矩波動約為45%。
圖11 單向?qū)〞r補償運行
當(dāng)故障相繞組出現(xiàn)開路故障時,該相繞組不能產(chǎn)生電壓空間矢量,如圖9(b)所示,剩余兩相繞組導(dǎo)通時合成電壓空間矢量如圖10(b)所示,其中2個為合成矢量,4個為單獨矢量。由圖10、圖12看出,6個電壓空間矢量的空間排布呈現(xiàn)出菱形形狀,電機有效輸出功率減少,轉(zhuǎn)矩脈動增加。仿真開繞組BLDCM在C相繞組開路時的相電流ia、ib、ic、轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速n波形如圖12所示,電機空載起動,空載轉(zhuǎn)速約為820 r/min,在0.15 ms時給電機施加額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩0.13 N·m,負(fù)載轉(zhuǎn)速約為700 r/min,相電流有效值約為0.68 A,約為正常運行電流的1.5倍,最大轉(zhuǎn)矩波動約為55%。
圖12 缺相時補償運行
重構(gòu)運行是將電機故障繞組與逆變電路切斷,調(diào)整剩余相繞組的通電模式,使電機的氣隙磁場保持圓形旋轉(zhuǎn)狀態(tài),6個狀態(tài)的電樞磁動勢幅值不變,從而使電機轉(zhuǎn)矩波動不會增加,但是整個電機的輸出功率會下降。以A相H橋逆變器一個功率器件開路故障為例,剩余兩相繞組在360°(電角度)周期內(nèi)要產(chǎn)生6個均勻的電壓空間矢量,如圖13所示,需要對電壓空間矢量的幅值進(jìn)行控制,可以通過專用芯片來提供PWM調(diào)制波,或用數(shù)字芯片來輸出PWM調(diào)制波,但會增加系統(tǒng)成本,且算法復(fù)雜,該方法在實踐中較少應(yīng)用。
圖13 重構(gòu)運行
開繞組三相BLDCM本體容易制得,將常規(guī)BLDCM繞組間的中性點剪開即可。開繞組三相BLDCM的定轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)沒有改變,可延用原有的電機生產(chǎn)工藝。
開繞組三相BLDCM控制器的主要功能是根據(jù)霍爾位置信號判斷換相、計算轉(zhuǎn)速,采用速度和電流雙閉環(huán)控制,具有過壓/欠壓保護(hù)、相電流檢測及保護(hù),其組成部件包括:微控制器、電源電路、傳感器檢測電路、信號調(diào)理電路、接口電路、驅(qū)動電路、橋式功率變換電路、通信電路等。從結(jié)構(gòu)上可分為三部分:主控板、驅(qū)動板、功率板,如圖14所示。
圖14 控制器結(jié)構(gòu)圖
主控板主要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理:根據(jù)電機轉(zhuǎn)子位置信號計算出各個H橋臂的開通信號,同時處理電流、電壓、溫度信息,判斷電機所處狀態(tài),根據(jù)故障信號進(jìn)行容錯運行或停機。驅(qū)動板主要是對主控板發(fā)出的控制信號進(jìn)行隔離、放大,同時將電機運行的實時狀況(母線電壓、相電流、溫度、轉(zhuǎn)子位置)信號進(jìn)行隔離、調(diào)理,再傳輸?shù)街骺匕濉9β拾迨侵高B接到開式繞組三相無刷電機上的3個H橋及其保護(hù)電路。
開繞組BLDCM系統(tǒng)的測試平臺如圖15所示,直流電源給電機控制器供電,控制器的3個H橋逆變電路分別連接開繞組BLDCM的三相繞組,測功機給電機施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩,并測試電機轉(zhuǎn)速,示波器通過電流傳感器檢測電機的相電流波形。由于測功機的采樣頻率較低,電機轉(zhuǎn)速信號通過DSP開發(fā)軟件CCS的在線仿真功能獲取,最高刷新頻率等于驅(qū)動器的開關(guān)頻率,20 kHz。
圖15 實驗平臺
由于電機在故障運行時破壞力較大,容易引發(fā)其他損傷,且瞬態(tài)過程難以檢測,因此試驗設(shè)計選取低負(fù)載狀態(tài)(0.05 N·m,860 r/min),此時速度波動較小,波動范圍在10 r以內(nèi),相電流有效值約為0.2 A,如圖16(a)~圖16(b)所示,此時電流波形與負(fù)載仿真波形差距較大,但三相電流波形相互對稱。當(dāng)開繞組BLDCM出現(xiàn)一相繞組單方向通電故障時,為了保證輸出轉(zhuǎn)矩不變,剩余開通相繞組的電流會增加,如圖16(c)~圖16(d)所示,電流有效值約為0.24 A,增加了1.2倍;根據(jù)此時的電流頻率按照n=60f/p計算出電機轉(zhuǎn)速,約為810 r/min,速度波動范圍在15 r/min以內(nèi)。當(dāng)開繞組BLDCM出現(xiàn)一相繞組開路故障時,如圖16(e)~圖16(f)所示,電流有效值增大到0.29 A,增加約1.5倍,按照n=60f/p計算出電機轉(zhuǎn)速約為760 r/min,速度波動范圍在20 r以內(nèi)。雖然電機系統(tǒng)的輸出功率下降,但仍然能夠持續(xù)運行,具有一定容錯能力,驗證了仿真結(jié)果。
圖16 試驗波形
開繞組BLDCM的三相繞組由獨立的H橋逆變電路驅(qū)動,繞組之間沒有中性點,因而具有一定的容錯性能。開繞組BLDCM定轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)沒有改變,可延用原有的電機生產(chǎn)工藝,開繞BLDCM控制器的每個器件的耐壓降低一半,適合低電壓寬調(diào)速應(yīng)用場合。電機控制器的功率器件工作在高頻開關(guān)頻率下,承受較大的du/dt和di/dt沖擊,發(fā)生故障的概率較大。故硬件保護(hù)電路是時效性較好的障防御措施,能及時切斷系統(tǒng)中的故障部件。容錯控制的2種常用方法:重構(gòu)方法會增加系統(tǒng)成本,且實現(xiàn)過程復(fù)雜;補償方法會使剩余相繞組的電流增大,電機輸出功率減少,簡單易行。