基于BLDCM驅動故障容錯切換后的轉矩脈動抑制*

白國長， 姬淼鑫

(鄭州大學 機械工程學院， 鄭州 450001)

由于無刷直流電機(BLDCM)功率密度大、效率高，故在航空、航天及遁甲鉆井設備中得到廣泛應用，且對可靠性要求極高，容錯控制是提高其可靠性的重要方法[1].BLDCM系統中功率半導體器件是最易發生故障的薄弱環節，在三相六開關至三相四開關的容錯切換電路中母線電流易發生畸變，尤其在換向過程中，母線電壓與是其四倍大小的相反電動勢無法達到平衡，致使電機產生較大的轉矩脈動[2].高精度遁甲鉆井設備和大型航天器容錯后產生的轉矩脈動是評價高精度伺服系統可靠性的重要指標[3-4]，可對發生故障后的逆變器重新配置容錯電路拓撲，并能夠結合相應的控制算法維護系統的可靠性和穩定性[5-6].近年來，許多學者對電機功率管故障容錯進行了研究.文獻[7]提出每相施加一個轉矩滯后控制，并為電機提供不同電壓控制轉矩，該方法簡單有效，但滯環控制的引入會導致逆變器開關頻率變得不固定；文獻[8]提出了一種基于相電流模式識別的故障檢測和多相容錯策略，該方法穩健高效，但重構運行策略較為復雜；文獻[9]提出了一種非工作橋臂換向(NWBAC)方案進行容錯，消除了額外硬件成本，但該方法在控制策略上需分四種模式并需多步運行，實現過程相對繁瑣和復雜；文獻[10]提出了基于補償電壓矢量的四開關逆變器的過調制方法，提高了電源電壓的利用率，但該方法需要根據不同的調制比確定不同的調制模式，增加了系統復雜度；文獻[11-13]通過不平衡電壓抑制方法降低電容不平衡分壓對系統運行產生的不利影響，該方法可靠性較高，但算法復雜，不易實現.現有文獻對電機功率管故障容錯控制進行了許多算法和策略上的研究，但在容錯切換后的電機轉矩脈動抑制問題上都存在不足，因此，開展有關BLDCM逆變器故障容錯切換轉矩脈動抑制的研究具有重要理論意義和應用價值.

本文針對BLDCM逆變器故障容錯運行時產生較大轉矩脈動的問題，提出了一種準Z源網絡容錯三相四開關逆變器的新型控制電路拓撲.在診斷出故障相后，準Z源網絡拓撲自動切換到容錯橋臂前級，構成準Z源網絡的功率變換電路，相比文獻[8]該容錯控制更加簡單.采用準Z源直流變換器調整換相電壓來抑制轉矩脈動，根據獲得的換向時刻信息，通過開關選擇電路決定電源電壓或準Z源網絡輸出電壓作為電機逆變器直流母線的輸入電壓，根據不同的調制比可得到所需電壓值，從而有效抑制電機的轉矩脈動，并減小了電機的抖動和噪聲.

1 無刷直流電機正常工作狀態

1.1 傳統三相六開關逆變器模型

圖1為無刷直流電機傳統三相六開關逆變器拓撲圖，圖1中Un為中性點電壓.三相繞組的電壓平衡方程為

(1)

式中：Ua、Ub、Uc為三相定子電壓；ia、ib、ic為三相定子電流；ea、eb、ec為三相定子相反電動勢；L為三相定子自感；M為三相定子繞組之間的互感；R為三相定子繞組的相電阻；P為微分算子.

圖1 三相六開關逆變器拓撲圖Fig.1 Topology of three-phase four-switch inverter

1.2 無刷直流電機正常工作狀態

利用六開關逆變器驅動三相BLDCM時，其本質問題是如何參照轉子位置傳感器的反饋信號并利用逆變器的電壓矢量驅動BLDCM產生標準的相電流波形.表1為正常工作狀態下六開關逆變器的開關器件導通順序.

表1 六開關逆變器的開關器件導通順序Tab.1 Conduction sequence of switch devices for six-switch inverter

2 逆變器單管故障診斷

圖2為逆變器單管開路故障.以功率變換器a相橋臂D1管故障為例，當a相橋臂正相導通受阻時，在正常工作條件下電流均可經過D4續流減小為零，而在續流過程中母線電流為零，因而可通過檢測母線電流來診斷電路故障.

通過檢測母線電流，可得出不同狀態下電路是否發生故障.如果檢測到某一狀態下母線電流為0，則令其數值為1，反之為0.逆變器的開關器件故障診斷結果如表2所示.通過表2的故障診斷策略可快速有效地診斷出故障管，進而對相應的橋臂進行容錯.

圖2 逆變器單管開路故障Fig.2 Single open circuit fault of inverter

表2 逆變器的開關器件故障診斷Tab.2 Fault diagnosis of switch devices of inverter

3 準Z源網絡三相四開關逆變器容錯切換

3.1 容錯切換原理

圖3所示的主電路拓撲結構包括準Z源網絡拓撲、Switch控制和逆變器拓撲結構.圖3中Q為MOS管；K1、K2為信號開關；U0為準Z源網絡的母線電壓；FM1、FM2為保護開關；F1～F6為熔斷開關；TRa、TRb、TRc為雙向晶閘管.準Z源網絡中的Q提供短路狀態，Q的占空比決定了準Z源網絡的輸出電壓，二極管D9和電容C3可使輸出電壓保持穩定.Q始終以一定占空比開通關斷，并及時為電容充電以保證電壓穩定.非換相時K1導通，K2關斷，準Z源網絡不接入主回路，電源給三相逆變器供電.換相時K2導通，K1關斷，接入準Z源網絡并調整換相電壓.在換相期間Q短路，D9可以防止U0直接與地短路.此外，在換相時間段K2導通，U0高于電源電壓，K1的晶體二極管導通，電流可能會流向電源，因而需要加入串聯的反向二極管D8.電感L3、L4可以確保在容錯切換時電機逆變器母線電流不會瞬時驟減.

3.2 三相四開關主電路容錯拓撲

圖3中母線間兩串聯電容的中點分別通過雙向晶閘管連接到三相繞組端，在三個橋臂中分別串聯兩個快速熔絲.當某一橋臂功率器件發生短路或開路故障時，斷開故障橋臂，同時打開相應的雙向晶閘管，并重構如圖4所示的三相四開關逆變器容錯拓撲.三相四開關逆變器邏輯工作關系如表3所示.

3.3 準Z源網絡拓撲

當三相四開關逆變器容錯運行換向時，相電壓幅值減小，相電流畸變嚴重，轉矩脈動增加幅度劇烈，使得電機產生嚴重的振動和噪聲，同時對功率開關器件造成嚴重損耗，嚴重影響電機的可靠性.因此，本文在容錯橋臂前切入準Z源網絡，在線調整換相時刻的電壓值，穩定相電流的輸出，使得轉矩脈動減小，確保容錯工作狀態穩定進行.圖5為準Z源網絡拓撲.MOS管Q代替逆變器實現直通狀態并為電感儲能.

圖3 主電路容錯拓撲結構Fig.3 Fault-tolerant topological structure of main circuit

圖4 三相四開關逆變器容錯拓撲Fig.4 Fault-tolerant topology of three-phase four-switch inverter

轉子角度(°)工作相電流方程導通器件-30～30c、bia=-(ib+ic)=0D5、D630～90a、bic=-(ib+ia)=0D690～150a、cib=-(ia+ic)=0D2150～210b、cia=-(ib+ic)=0D3、D2210～270b、aic=-(ib+ia)=0D3270～330c、aib=-(ia+ic)=0D5

圖5 準Z源網絡拓撲Fig.5 Quasi-Z source network topology

3.4 準Z源網絡變換器升降壓原理

圖6為準Z源網絡的兩種工作狀態.當準Z源網絡處于短路狀態時，電容C1、C2相當于串聯，C2正極接到C1負極，二極管D7反向截止.電容C1、C2給電感L2儲能，IL2增加，UL2為正值.同時，電源和電容C2釋放電能并給電感L1儲能，IL1上升，UL1為正值.當準Z源網絡處于非短路狀態時，IL1、IL2下降，UL1、UL2為負值.由于U0=Ui+UL1+UL2>Ui，因此，準Z源網絡可以使母線電壓升高.

圖6 準Z源網絡的兩種工作狀態Fig.6 Two operating states of quasi-Z source network

假定一個開關周期為T，短路狀態時間為T0，非短路狀態時間為T1，則

T=T0+T1

(2)

(3)

式中，D為占空比.

短路狀態下由圖6a可以得到

UL1=Ui+UC2

(4)

UL2=UC1

(5)

U0=0

(6)

Ud=UC1+UC2

(7)

式中：Ui為電源輸入電壓；Ud為儲能電壓.

非短路狀態下由圖6b可以得到

UL1=Ui-UC1

(8)

UL2=-UC2

(9)

U0=UC1-UL2=UC1+UC2

(10)

在系統穩態狀態下一個開關周期內電感的平均電壓等于零，即

(11)

通過求解方程式，可得

(12)

(13)

(14)

當占空比D<0.5時，短路狀態下的升壓因子可以表示為

(15)

調整B的大小可以升高負載的輸入電壓，設降壓調制比為M，則

U0=BMUi

(16)

由于BM∈(0～+∞)，因此，準Z源變換器理論上可以輸出任意期望電壓值.

3.5 容錯模式的控制策略

在理想120°電角度相反電動勢波形中，電流遲滯較小.在換相時刻，如果相反電動勢保持不變，轉矩脈動與轉速有關.本文通過檢測母線電流診斷出逆變橋故障相，然后隔離故障相，進入準Z源網絡的三相四開關容錯拓撲模式.在容錯模式下，通過控制準Z源網絡在逆變橋前級的切入和斷開，在線調整母線電壓，確保換向時刻母線電壓與是其四倍大小的相反電動勢相等，從而有效抑制了三相四開關容錯模式下的轉矩脈動.

4 仿真及實驗驗證

4.1 仿真驗證

為了驗證上述容錯切換方案的可行性和有效性，利用MATLAB/Simulink建立三相四開關的容錯切換模型，仿真相關參數如表4所示.

表4 仿真參數設置Tab.4 Setting of simulation parameters

圖7為仿真模式下傳統容錯拓撲得到的相電流與相反電動勢波形圖.圖8為仿真模式下切入準Z源網絡的三相四開關的相電流與相反電動勢波形圖.

圖7 傳統故障容錯的仿真波形圖Fig.7 Simulated waveform for traditional fault-tolerance

比較圖7a和圖8a可知，切入本文提出的容錯拓撲結構后，電流畸變量明顯降低，相電流更加接近方波.比較圖7b和圖8b可知，切入本文提出的容錯拓撲結構后，相反電動勢頂部更加平滑，且更加接近120°梯形波.

圖8 切入準Z源網絡的仿真波形圖Fig.8 Simulated waveform with quasi-Z source network

為了直觀驗證容錯后電機轉矩脈動的抑制情況，需要進行轉矩測試，結果如圖9所示.對比圖9a、b可知，電機發生故障后，切入準Z源網絡的容錯拓撲的電機轉矩脈動相比傳統容錯拓撲明顯減小.

圖9 仿真轉矩圖Fig.9 Simulated torque waveform

4.2 實驗驗證

為了驗證上述容錯切換方案在工程上的可實用性，建立了模擬遁甲鉆井系統中無刷直流電機的控制系統實驗平臺(見圖10).采用DSPTMS320F28335控制板核心，通過DSP程序實現調試，相關實驗參數如表4所示.

圖10 遁甲鉆井電機系統實驗平臺Fig.10 Experimental platform for drilling motor system

圖11為實驗條件下傳統故障容錯的相電流與相反電動勢波形圖.圖12為實驗條件下切入準Z源網絡的三相四開關的相電流與相反電動勢波形圖.對比圖11a和圖12a可知，切入本文提出的容錯拓撲結構后，相電流更加接近方波.對比圖11b和圖12b可知，切入本文提出的容錯拓撲結構后，相反電動勢頂部更加平滑，且更加接近120°梯形波.

圖11 傳統故障容錯的實驗波形圖Fig.11 Experiment waveform for traditional fault-tolerance

圖12 切入準Z源網絡的實驗波形圖Fig.12 Experimental waveform with quasi-Z source network

圖13為實驗條件下傳統故障容錯與切入準Z源網絡的三相四開關轉矩圖.由圖13a、b可見，在故障模式下切入準Z源網絡的容錯拓撲的電機轉矩脈動明顯低于傳統容錯拓撲.

圖13 實驗轉矩圖Fig.13 Experimental torque waveform

5 結 論

針對遁甲鉆井設備中的無刷直流電機中所有環節一旦啟動工作就不能更換的特殊條件，針對電機內部最易發生故障的逆變器環節，提出了一種準Z源網絡容錯的三相四開關拓撲.該方法在診斷出故障相后，將準Z源網絡拓撲自動切換到容錯橋臂前級，構成準Z源網絡的功率變換電路.該拓撲根據獲得的換相時刻信息，通過開關選擇電路決定采用電源電壓還是準Z源網絡輸出電壓作為電機逆變器直流母線的輸入電壓.在容錯切換中有效抑制了母線電壓的瞬間驟變.通過準Z源網絡實時調整換向時刻的母線電壓，有效抑制了容錯后的電機轉矩脈動，減小了電機的抖動和噪聲.