永磁同步电机驱动系统开路故障诊断及容错控制

高 岩

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchro-nous Motor, PMSM)变频驱动系统因其节能效果显著和运动性能优良而广泛应用于工业、商业、航空、军事等领域。但是由于系统控制的复杂性和运行工况的复杂多变,实现SVPWM控制策略的逆变器易出现故障[1-2]。一旦逆变器发生故障，整个驱动系统将丧失正常工作能力，在一般场合会影响生产的正常进行，造成经济损失，而在航空、军事、新能源汽车等重要场合将可能造成灾难性事故。因此，研究PMSM驱动系统的故障快速诊断及其容错控制具有重要的理论研究价值和实际应用价值。

PMSM驱动系统开路故障可由下述原因引起： 开关功率器件无驱动信号、开关功率器件断路、逆变器与PMSM连接线路断路或电机绕组开路。针对交流电机驱动系统的开路故障诊断方法已有多篇文献涉及，如基于扩展卡尔曼滤波(EKF)、递推最小二乘算法或频谱分析等开路故障检测方法[3-7]，以上算法计算都较复杂，考虑到系统的实时应用，尚需研究计算简单，且在存在测量误差时亦可快速进行开路故障检测、定位及隔离故障相的开路故障诊断方法。

针对PMSM驱动系统的开路故障，本文采用定子电流矢量轨迹斜率，针对不同相开路时表征出不同特征值来诊断、定位开路故障相。开路故障的容错方案为首先隔离故障相，并导通第四对桥臂，使之与星型连接的PMSM中性点引出线相连，采用转矩脉动补偿技术[8-9，10-19]，实现开路故障下的PMSM驱动系统容错控制运行。

1 PMSM驱动系统开路故障诊断

PMSM驱动系统正常运行时, 电机三相电流满足三相之和为零, 将三相电流由abc坐标系转换至静止αβ坐标系下，即

(1)

可得

(2)

定义电流矢量轨迹的斜率为

(3)

式中： 下标k、k-1——第k次、第k-1次定子电流采样值。

当a相故障时电流传感器出现测量偏差， 即开路故障时a相传感器测量值不为0，而是ia=iΔ，此时电流平衡关系为ia+ib+ic=iΔ，即ib+ic=0，代入式(1)可得

(4)

代入式(3)，仍可得K=0。

由于逆变器输出谐波的存在，定子电流除了基波电流外，还存在谐波分量，会导致电流矢量轨迹斜率的波动。为了提高检测精度，对定子电流进行基波提取，再对提取的定子电流进行矢量轨迹的斜率计算来准确判定是否出现开路故障并定位故障相。该自适应算法可用式(5)表示[20]：

(5)

式中：I(t),ω(t),Φ(t)——提取信号的振幅、频率和相位角。

基波提取根据模型即图1获得。i(t)表示输入变量,ifund(t)表示基波提取后的输出变量，e(t)为误差信号。通过调节图1中的u1,u2,u3即可调节该算法的幅值、频率和相位角的收敛速度及精确度。其中C为角频率。

图1 基波提取的系统框图

PMSM驱动系统开路故障诊断及隔离结构图如图2、图3所示。假设a相发生故障, 检测和比较控制模块检测出K值为零, 并且判断出是VT1或VT4不工作或者相绕组断路, 然后输出相应的控制信号控制故障桥臂的开关ID使其断开, 将该对桥臂完全与电源隔离。不管是单相绕组断路还是一桥臂的开关器件发生故障，本文所设计的检测和比较控制模块均会将故障相桥臂与电源系统立即断开, 使其完全不影响其他桥臂的正常工作。

图2 PMSM开路故障诊断及容错驱动控制系统结构图

图3 PMSM开路故障容错电机驱动控制系统结构图

2 PMSM系统开路故障的容错控制

当PMSM驱动系统出现开路故障时，为了维持系统的驱动性能，需对其进行容错控制。本文介绍的容错控制是通过逆变器硬件冗余实现，即在逆变器原有的三桥臂上，新增加第四桥臂，且与电机定子绕组的中性点抽出线相连接实现开路故障后系统的容错运行。假如a相故障，在完成故障相定位和隔离后，继续使用a相触发信号触发导通第四相。

故障后，由于电机不对称运行，将会导致电机性能降低。为了获得与故障前相似的性能，需要研究其容错控制策略，使正常两相产生与故障前相同的转矩和磁通。但是考虑到故障后电机由其余两相产生的转矩脉动使电机性能降低，为了克服这种状况，采用转矩脉动补偿技术，即通过增加电机参考零序电压经坐标变换作为空间矢量调制的参考[20]。为此，通过补偿控制可以获得与开路故障前一致的PMSM驱动系统性能。

三相电流经坐标变换得到dq坐标系下的定子电流分量id、iq：

(6)

式中：θ——电机转子电角度；

i0——零序电流。

不失一般性，假设出现故障，故障后的电机不再对称运行，出现了零序电流，中性线电流为in，流经PMSM中性点和逆变器第四桥臂中点，如式(7) 所示：

(7)

式(6)经逆变换可得式(8)：

(8)

当系统正常工作时，零序电流为零，计算可得

(9)

(10)

式中:id、iq——dq坐标系下的定子电流分量。

但是，由其余两相产生的转矩脉动使电机性能降低。为了克服此问题，通过转矩脉动补偿技术，即采用通过添加零序电压变换坐标变换后的电机参考电压用作参考的空间矢量调制。为了补偿转矩脉动，零序电压是从电机的方程(11)进行分析获得式(12)：

(11)

U0=ωeLσid+Rsiqsinθ+

ωeLσiq-Rsidcosθ

(12)

式中：Rs——定子电阻；

ωe,λm——转子电角速度和永磁体磁链；

Ld,Lq——d,q轴的定子电感；

Lσ——漏感。

3 PMSM驱动系统建模与仿真

基于MATLAB/Simulink软件，对PMSM矢量控制系统开路故障检测、定位、隔离及容错控制进行建模和仿真。电机参数如下： 额定速度250rad/s；极对数pn=3；定子电阻Rs=2.875Ω；直轴、交轴电感Ld=25.025×10-3H,Lq=40.17×10-3H；磁链Ψf=0.305Wb；转动惯量J=3.6×10-3kg·m2，系统仿真结果如图4所示。

图4 不同状态时电流矢量轨迹的斜率波形

图5 基波提取后不同状态时电流矢量轨迹的斜率波形

图6 不同状态时定子电流动态

图7 不同状态时电磁转矩动态

图8 不同状态时转速动态

图9 不同状态时id,q的波形

4 结 语

为了解决PMSM矢量控制系统中开路故障的诊断及容错问题，对现有的诊断方法进行了改进设计，考虑到谐波对诊断结果的影响。采用一种新颖的容错控制策略, 即确定故障相后从永磁同步电机中点引出中性线触发导通第四对桥臂并加入转矩脉动补偿进行控制,故障发生前后输出转矩保持恒定。在上述研究的基础上，搭建了PMSM矢量控制系统的Simulink模型，系统仿真结果证实了方案的可行性。

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