一種新型低耦合雙余度PMSM的設計及仿真分析

周廣偉，李聲晉，盧 剛，周奇勛，周 勇

(西北工業(yè)大學，陜西西安710072)

0引 言

隨著稀土永磁材料和電機理論的進一步發(fā)展，永磁同步電機(以下簡稱 PMSM)以其高磁能積(BH)、高矯頑力(Hc)和大剩磁密度(Br)而被廣泛應用于對系統(tǒng)可靠性要求較高的航空、航天領域［1-2］。尤其是在飛機電動舵機、發(fā)動機油門控制等重要、復雜且不允許停機運行的伺服系統(tǒng)中，其可靠性設計至關重要［3］。為提高飛控系統(tǒng)的可靠性，一般均采用包括并聯(lián)和串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式的雙余度配置方式。其中，串聯(lián)結(jié)構(gòu)雙余度PMSM是將兩套獨立的定子和轉(zhuǎn)子共軸安裝，其體積和重量較大，余度間難以協(xié)調(diào)控制;并聯(lián)結(jié)構(gòu)雙余度PMSM雖然解決了體積和重量偏大的問題，但其雙繞組間存在的互感影響，增加了系統(tǒng)參數(shù)變化的不確定性［4］。因此本文在基于槽號相位圖和單套繞組設計經(jīng)驗的基礎上，提出了一種新型低耦合并聯(lián)結(jié)構(gòu)雙余度PMSM的設計方案，從而減小雙繞組間互感的影響，降低兩套繞組間的耦合度，提高PMSM的控制性能。

1低耦合雙余度PMSM雙繞組結(jié)構(gòu)設計

傳統(tǒng)并聯(lián)結(jié)構(gòu)雙余度PMSM的兩套繞組隔槽嵌放于電機的定子槽內(nèi)，兩繞組在空間上的交叉重疊將產(chǎn)生較大的互感，嚴重影響電機的控制性能［5］。為減小雙繞組間互感的影響，本文設計了一種新的繞組空間分布結(jié)構(gòu)，將原本重疊嵌放的兩套繞組分開，分別嵌放在電樞鐵心的上、下半周槽內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，1號繞組分布在PMSM電樞鐵心的上半圓周(圖中的1～12槽)，2號繞組分布在電樞鐵心的下半圓周(圖中的13～24槽)，兩繞組在空間相互隔離，減小了互感的影響。

圖1 新型雙繞組分布結(jié)構(gòu)示意圖

雙繞組PMSM包括并行/主動和工作/備份兩種典型的余度模式。其中，并行/主動模式因其在故障狀態(tài)可實現(xiàn)故障的無縫切換，因而更適合于舵面、襟翼等瞬時負載重、實時性要求高的場合［6-7］。本文所設計的是機載電動靜液作動器(Electro-Hydrostatic Actuator，以下簡稱EHA)用低耦合雙余度PMSM，因此，采用并行/主動余度工作模式。圖2～圖3分別是1號和2號單層疊繞組的嵌放示意圖，正常情況下兩余度同時工作(即雙余度工作模式)，等額分擔負載。當某余度出現(xiàn)故障后，此余度將被切除，負載將由另一余度單獨承擔(即單余度工作模式)。為驗證所設計的新型低耦合雙余度PMSM的性能，利用電磁有限元分析軟件Ansoft12對其雙余度和單余度兩種工作模式進行仿真分析。

2低耦合雙余度PMSM的主要性能分析

根據(jù)上述所設計的新型低耦合雙余度PMSM的雙繞組分布結(jié)構(gòu)及其連接方式，利用Ansoft 12的RMxprt模塊對其主要性能進行仿真分析，電機的主要設計參數(shù)如表1所示。

表1 低耦合雙余度PMSM的主要設計參數(shù)

圖4 雙余度工作模式下PMSM的效率與轉(zhuǎn)速的關系曲線

將表中數(shù)據(jù)錄入到RMxprt模塊，分別對其雙余度工作模式和單余度工作模式的效率/轉(zhuǎn)速和母線電流/轉(zhuǎn)速的關系進行分析，相應的特性曲線如圖4、5所示。由圖4、圖5可知，雙余度工作模式下PMSM的額定轉(zhuǎn)速為8 256r/min，其所對應的效率為82．78%，完全滿足機載EHA的額定性能要求;單余度工作模式下電機的總損耗減少，效率高達86．12%，但其額定轉(zhuǎn)速明顯下降，6 743 r/min的額定轉(zhuǎn)速雖會導致機載EHA的頻響性能略有下降，但仍滿足機載EHA的降額限制要求。正常情況下PMSM工作在雙余度工作模式，由圖6～圖7可知，其每套繞組的工作電流遠小于單余度工作模式下繞組的母線電流，相當于每套繞組工作于輕載狀況，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖5 單余度工作模式下PMSM的效率與轉(zhuǎn)速的關系曲線

圖6 雙余度工作模式下PMSM的母線電流與轉(zhuǎn)速的關系曲線

圖7 單余度工作模式下PMSM的母線電流與轉(zhuǎn)速的關系曲線

3低耦合雙余度PMSM二維瞬態(tài)磁場的有限元分析

電機旋轉(zhuǎn)過程中，磁場、能量、力、功率損耗、速度等物理量都是時間的函數(shù)［8］，為驗證所設計的新型低耦合雙余度PMSM空載起動性能、負載起動性能和運行過程中的磁路特性是否合理，需對其進行瞬態(tài)分析。采用Maxwell 2D對PMSM進行瞬態(tài)磁場分析時，需做以下假設:Band為一個包括永磁磁鋼、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸的集合體;Band以外的物體靜止;Band以內(nèi)的物體只做旋轉(zhuǎn)運動。

3．1低耦合雙余度PMSM二維模型的構(gòu)建

雙余度工作模式的PMSM，因其上、下半周余度完全對稱，為降低Maxwell 2D的運算量、減少仿真時間，采用半圓周作為求解區(qū)域，其二維模型如圖8所示。而單余度工作模式的PMSM，因其上、下半周余度的非對稱性，對其瞬態(tài)磁場進行分析時，必須采用整個圓周作為求解區(qū)域，其二維模型如圖9所示。

3．2低耦合雙余度PMSM網(wǎng)格剖分的設置

網(wǎng)格剖分是有限元求解最為關鍵的一步，良好的網(wǎng)格剖分可以使得用戶在最小的計算資源下?lián)碛凶罹_的計算結(jié)果。Ansoft 12對求解場域的剖分采用三角形六節(jié)點形式，在場強較強或磁場變化較大的區(qū)域，三角形要取得多一些，在其他區(qū)域則可以適當取得少一些，從而提高區(qū)域的求解精度和運算速度。兩種工作模式下PMSM的網(wǎng)格剖分數(shù)據(jù)如表2～表3所示，其網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖10～圖11所示。

表2 雙余度工作模式下PMSM的網(wǎng)格剖分數(shù)據(jù)

表3 單余度工作模式下PMSM的網(wǎng)格剖分數(shù)據(jù)

3．3低耦合雙余度PMSM邊界條件的確定

單余度工作模式下PMSM以整個圓周為求解區(qū)域，其邊界條件由第一類邊界條件(定子鐵心外邊界與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)邊界)和第二類邊界條件(電機單元劃分時所形成的奇、偶對稱邊界)構(gòu)成。雙余度工作模式下PMSM以半圓周為求解區(qū)域，其邊界條件除第一類和第二類邊界條件外，還須設置主、從邊界，且滿足Master= -Slave。

3．4低耦合雙余度PMSM激勵電路的設計

低耦合雙余度PMSM定子繞組激勵電路由兩套完全相同且獨立的驅(qū)動控制電路構(gòu)成。驅(qū)動電路直流母線電壓為270 V，母線電流取則決于三相全控橋功率模塊。根據(jù)電機的額定功率，并結(jié)合機載EHA的瞬時過載能力及其余量的選取，最終選擇EUPEC的集成三相全控橋 IGBT模塊FSK200R06KE3，該模塊在80℃時可承受的最高母線電壓為600 V，允許通過的最大電流為200 A，滿足機載EHA的控制性能要求。利用Ansoft 12自帶的Maxwell Circuit Editor模塊設計的單套繞組電流斬波控制電路如圖12所示。

圖12 單套繞組電流斬波控制電路

3．5負載起動特性分析

雙余度PMSM作為機載EHA的驅(qū)動機構(gòu)，必須具有較好的動態(tài)響應性能，但在分析PMSM的負載起動性能時，如果對輸入電流不加控制，勢必造成起動瞬間出現(xiàn)過大的起動電流，這與實際情況不符。實際工作電流由機載電源提供，為了減小對電源的沖擊，不影響同一電源下的其它負載工作，必須對PMSM輸入電流進行限制。本文采用繞組電流斬波控制的方法，斬波電流上限設置為150 A，并取計算步長為2×10-5s，負載轉(zhuǎn)矩為5 N·m，分別對雙余度工作模式和單余度工作模式的低耦合雙余度PMSM的額定負載起動特性進行分析。

圖13～圖18為雙繞組工作的PMSM起動過程的瞬態(tài)仿真結(jié)果，由圖可知，PMSM在繞組斬波電流150 A的限制條件下，可在0．2 s內(nèi)將5 N·m的負載拖動至8 000 r/min，完全滿足機載EHA的快響應要求，同時，電流、磁場波形接近正弦波，轉(zhuǎn)矩脈動較小

圖19～圖22為單繞組工作的PMSM起動過程的瞬態(tài)仿真結(jié)果。其中，單繞組工作的PMSM起動力矩為雙繞組工作時的75%以上，滿足機載EHA的降額限制要求;三相繞組電流不完全對稱且存在一定的波動，但其所導致的轉(zhuǎn)矩脈動仍在合理的可控范圍內(nèi)，此高頻轉(zhuǎn)矩脈動對機載EHA這種液壓類大慣性負載的影響較小，完全滿足其基本性能要求。

3．6鐵心磁飽和特性分析

雙余度工作模式和單余度工作模式下的PMSM的定、轉(zhuǎn)子磁感應強度和磁場強度分布如圖23～圖26所示。由圖可知，兩種工作模式下PMSM的定、轉(zhuǎn)子鐵心均未達到磁飽和，在負載電流允許的情況下，其鐵心損耗在可控范圍內(nèi)，電機旋轉(zhuǎn)過程中，不會出現(xiàn)磁飽和的現(xiàn)象。

圖26 單余度工作模式的磁場強度分布(0．2 s)

4實 驗

為驗證本文所設計的低耦合雙余度PMSM能否滿足機載EHA的性能要求，利用為EHA提供負載的液壓負載臺和調(diào)節(jié)EHA負載大小并實時顯示負載力矩的負載操作臺對其負載響應速度和平穩(wěn)性能進行測試，試驗平臺如圖27所示，施加的負載額為12 kN，作動位移為-40～+40 mm。

圖27 機載EHA的試驗平臺

圖28～圖30分別為PMSM在雙余度和單余度工作模式下機載EHA的負載響應速度曲線。由圖可知，雙余度工作模式下作動系統(tǒng)從-40 mm位置運動到+40 mm位置所需時間為0．672 s，負載響應速度可達119．1 mm/s，超調(diào)量為0．45%。單余度工作模式下1#余度運行時負載響應速度為114．3 mm/s，超調(diào)量2．88%;2#余度運行時負載響應速度為116．6 mm/s，超調(diào)量2．98%。試驗證明，本文所設計的新型低耦合雙余度PMSM的兩種工作模式均完全滿足機載EHA的快響應和平穩(wěn)性要求。

圖28 雙余度工作模式下作動系統(tǒng)的階躍響應曲線

圖29 僅1#余度工作時系統(tǒng)的階躍響應曲線

圖30 僅2#余度工作時系統(tǒng)的階躍響應曲線

5結(jié) 語

機載EHA用新型低耦合雙余度PMSM結(jié)構(gòu)簡單，繞組間互感較小，在保證系統(tǒng)可靠性的同時提高了其控制性能，完全滿足機載EHA的快響應和穩(wěn)定性要求。仿真和實驗結(jié)果進一步證明，本文所提出的新型低耦合雙余度PMSM的設計方法合理、可行，具有較高的推廣價值。

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