雙通道磁通切換永磁電機故障模擬實驗系統

徐 磊，程 明，趙文祥

(東南大學，江蘇南京210096)

0 引 言

隨著電機驅動系統在軍事、民用等各個領域越來越廣泛的應用，系統的可靠性問題逐漸引起相關領域學者的關注［1－4］。開發高可靠性、高功率密度的新型永磁電機驅動系統更成為相關學者關注的焦點［5］。

定子永磁型電機是近年發展起來的一類新型永磁無刷電機，其性能可以與轉子永磁型電機相媲美，逐漸成為國內外相關領域研究的熱點［6－8］。最新的研究結果表明，雙凸極永磁電機在具有結構簡單、效率較高的基礎上，更兼具容錯電機的特點，是一類新型永磁容錯電機［9－11］。同時，亦有研究表明，磁通切換永磁電機是一種功率密度更高的定子永磁型電機［12－14］。而另一方面，冗余技術是提高電機可靠性的重要手段［15－16］。雙通道磁通切換永磁(以下簡稱DC－FSPM)電機就是將冗余技術引入磁通切換永磁電機所提出的一種容錯式定子永磁型電機。

為提高系統可靠性，需要對電機及其驅動系統進行故障研究，而通常的故障實驗需要較高的代價。因此，搭建一個合理的故障模擬平臺成為所有工作的基礎。通過故障模擬平臺，可以實時地觀測和模擬出DC－FSPM電機正常、故障以及容錯等多種運行狀態特性，進而為電機智能容錯控制策略的研究打下基礎。

本文以一臺12/10極DC－FSPM電機為研究對象，在對該電機的電磁性能進行分析的基礎上，搭建了包括功率變換器、驅動電路、DSP控制單元等主要部分組成的故障模擬平臺。基于故障模擬平臺，對DC－FSPM電機的正常和故障狀態下的運行性能進行了實驗研究。

圖1 三相12/10極DC－FSPM電機的拓撲結構圖

1 DC－FSPM電機

圖1為一臺三相12/10極DC－FSPM電機的拓撲結構圖。它由12個定子齒和10個轉子齒組成，其轉子部分與開關磁阻電機類似，為凸極結構，其上既無繞組亦無永磁體，結構簡單;定子部分是由12個單元依次緊貼拼裝而成。同時，一相繞組由空間上垂直放置的兩套繞組組成。在一個轉子周期內，兩個線圈對轉子的磁路有半個電周期的相位差，且方向相反。這一特性直接導致了兩個線圈繞組內的電磁特性(包括磁鏈、感應電勢和電感等)在相位上相差半個周期。

圖2為有限元仿真計算得到的DC－FSPM電機兩個通道的永磁磁鏈曲線，圖3是其合成后的三相永磁磁鏈。對比可知，每個通道相位之間依次相差機械角12°(等同于電角度120°，因電機的轉子極數Pr=10)，具有良好的對稱性。圖4、圖5分別為有限元計算的DC－FSPM電機反電動勢波形。其中，對于第一通道中的線圈A1和第二通道的線圈A2而言，它們的反電動勢是互補的，這個特性是DC－FSPM電機所獨有的。恰是由于線圈磁路上存在互補性，在通入同相位的正弦電流時，線圈匝鏈的磁通產生轉矩的主要諧波分量，由于其幅值相等但相位正好相反，可以互相抵消，保證了該電機能夠輸出平滑的電磁轉矩。因此，正常運行狀態下的DCFSPM電機可以運行于傳統的正弦波工作方式。

2 故障模擬控制器

圖6為帶中性點的DC－FSPM電機控制電路圖。在該雙通道冗余驅動電路中，為減少功率器件數，采用了帶中性點的功率變換電路，但中線通斷可控制。由于DC－FSPM電機電感正負半周的不對稱性，進而造成中性點電壓發生偏移，對電機的驅動性能有較大影響。因此，需要實時對電機正負半周導通角度和導通寬度進行調整，控制相對比較復雜。為此，本設計中在正常運行狀態下，電機采用不帶中性點的半橋功率變換電路(即封鎖中線電流)。在系統正常運行時，A、B、C三相電流相加為零，互成回路;而當故障發生時，A相發生斷路，但是B、C兩相通入的電流并不發生變化，若不接通中線則無法實現電流回路，所以采用不帶中性點的半橋功率變換電路無法實現電路的正常工作。因此在故障發生時，必須把半橋功率變換器的中線接入系統。

圖6 DC－FSPM電機驅動控制系統

傳統技術在設計執行機構時往往選用繼電器，但是由于其噪聲大和機械性能方面的原因，現在已經很少見了。隨之而來的是無觸點開關－雙向可控硅的使用，但在實際設計工作中，需要采用同步過零觸發電路進行同步觸發。由于這部分電路包括比較器、單穩態電路和光電隔離器等器件，芯片多，結構較復雜，在實際應用中容易出現故障，所以在設計當中采用了MOTOROLA公司推出的單片集成可控硅驅動器MOC3041。

MOC3041芯片是一種集成的帶有光電耦合的雙向可控硅驅動電路。它內部集成了發光二極管、雙向可控硅和過零觸發電路等器件，它的內部結構和外部引腳及容錯電路如圖7所示。從圖中可以看出，MOC3041由輸人和輸出兩部分組成。輸入部分是一個砷化稼發光二極管，在5～15 mA正向電流的作用下發出足夠強度的紅外光線去觸發輸出部分。輸出部分包括一個硅光敏雙向可控硅和過零觸發器。在紅外光線的作用下，雙向可控硅可雙向導通，與過零觸發器一起輸出同步觸發脈沖，去控制執行機構——外部的雙向可控硅TRIAC。

圖7 中線容錯控制電路

圖7中，R1、R4分別為限流電阻，控制LED的觸發電流;R3、R6為門極電阻，用以提高控制極的抗干擾能力;R2、R5為控制回路限流電阻，可以保護MOC3041中的雙向可控硅。

該部分的工作過程是:若DSP檢測到有故障發生，則將發出開通中線的信號(即將中線控制端口置為高電平)，此時MOC3041內部導通，從而控制可控硅導通，中線接入。當無故障發生，中線控制端口為低電平，MOC3041內部截止，可控硅斷開，中線不接入。該故障模擬平臺可以在檢測到DC－FSPM電機一相斷路故障信號以后自動接通中線，實現電機的故障運行，以達到電機從正常運行到故障運行的過渡。這為DC－FSPM電機在故障狀態下運行狀態分析提供了一個有力的平臺。

3 實驗平臺與結果

基于前述的DC－FSPM電機基本結構和運行原理，構建了基于DSP的數字化驅動控制系統故障模擬平臺，對DC－FSPM電機進行實驗研究。為此，設計并制造了一臺12/10極DC－FSPM電機的實驗樣機，如圖8所示。圖9為該樣機的實測空載反電動勢波形(圖中分別為線圈A1、A2、B1、B2的反電動勢)，可見與圖5中的仿真分析結果相吻合。

圖8 DC－FSPM電機實驗樣機

圖9 實測反電動勢波形

在此基礎上，搭建了DC－FSPM電機實驗系統，它由DC－FSPM電機、雙通道控制系統、電氣上相互獨立的兩套供電系統、直流發電機及負載組成，如圖10所示。其中，直流測功機由一臺2.2 kW直流電動機和穩態轉矩測試裝置構成，可顯示穩態轉矩的大小。

圖10 DC－FSPM電機實驗系統

圖11為本文所研制的電機驅動系統故障模擬平臺電路實物圖。本文主要研究了DC－FSPM電機在一相斷路故障情況下的運行狀態，因此實驗中以A1線圈斷路故障為例，給定DC－FSPM電機一定的負載轉矩及500 r/min的參考轉速。

圖12給出了從正常運行狀態到故障狀態過渡的三相電流以及中線電流的波形，可以看出A相電流在故障以后變成零，而中線在此時接通有電流流過。從實驗結果可以看出，所設計的故障模擬平臺可以很好地模擬出故障狀態下電機從正常運行狀態到故障運行的動態實驗。

圖11 DC－FSPM電機故障模擬平臺

圖12 故障到容錯過渡瞬間的電流

4 結 語

本文在研究分析DC－FSPM電機的基本工作原理以及靜態特性的基礎上，基于TMS320F2812控制芯片，設計了驅動控制系統的故障模擬平臺，并在實驗平臺上進行了DC－FSPM電機及其驅動系統的故障模擬實驗，實現了DC－FSPM電機從正常運行到一相斷路故障的過渡運行。實驗結果正確而有效，證明了所設計的電機故障模擬平臺能夠準確地實現控制系統的故障模擬。該故障模擬平臺為課題組進一步深入研究定子永磁型電機的智能容錯控制策略打下了基礎。

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