開繞組BLDCM功率器件故障容錯控制技術研究

黃 其, 羅 玲, 閆紅濤,3, 高 宇,3

(1.西北工業大學 自動化學院，陜西 西安 710072；2.貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025；3.貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

永磁無刷直流電機(BLDCM)系統由電機本體、控制器、位置傳感器組成，具有功率密度高、調速性能好、無碳刷磨損壽命長、體積小、質量輕的特點，廣泛應用在汽車、家電、機器人和通信設備等領域[1]。傳統永磁BLDCM的定子繞組通常采用星形連結構，由三相全橋逆變電路驅動，三相繞組存在公共點，當某相繞組或其逆變電路出現故障時，會對其他相繞組的運行產生影響，導致電機不能平穩運行，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、高可靠性的電驅動領域中,通常采用余度電機或容錯電機，但這兩種結構電機的系統復雜，要求繞組的相數多，電樞常采用隔槽安放的集中繞組結構，繞組利用率不高、工藝復雜，導致電機體積和質量增大，成本升高[6-7]。

開繞組結構是將電機繞組間的中性點斷開，定轉子結構不改變，每相繞組連接各自的驅動電路，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。目前開繞組結構已經應用到永磁電機、異步電機、發電機、變壓器等電器[8-10]。與傳統永磁無刷電機類似，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(旋轉變壓器或光電編碼器)來獲取轉子位置角度，同時需要高性能芯片進行坐標變換運算和空間矢量脈寬調制(SVPWM)運算，導致系統成本較高。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]。

與容錯電機系統相比，開繞組BLDCM可采用分數槽繞組減少轉矩脈動，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，但已經實現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子磁路沒有改變，可延用原有的電機生產工藝，工程上方便實現。

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的功率器件故障進行分析，并利用保險絲作為功率器件故障的保護器件。對比分析補償法和重構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。

1 開繞組BLDCM原理及特性

容錯電機與常規電機的定子繞組結構如圖1所示。

圖1 定子繞組結構

1.1 電路拓撲結構

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境適應性，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器件比傳統三相橋式逆變電路要多一倍，但每個器件的耐壓降低一半，適合低電壓寬調速應用場合[14]。

圖2 開繞組三相BLDCM驅動電路

1.2 兩相導通六狀態控制模式

文獻[12]提出了開繞組三相無刷電機的導通模式有8種，通過仿真和試驗得出電機采用兩相導通六狀態(六步換相)控制模式時換相轉矩脈動最小，運行最平穩。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，每個狀態轉子轉動60°(電角度)。每個狀態有兩相繞組通電，其中一相正向導通，另一相反向導通，電樞磁動勢由兩相繞組導通時合成產生，在一個狀態內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，使轉子轉矩產生波動，換相轉矩脈動是BLDCM的固有缺陷。

圖3 六步換相控制模式

圖4 磁動勢矢量圖

1.3 開繞組BLDCM的建模仿真

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為開關管壓降。

開繞組三相BLDCM的反電動勢與常規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；n為電機轉速。

電機穩態運行時，dix/dt=0，繞組的相電流為

(3)

電機的電磁功率Pem和轉矩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、數字建模和有限元建模，其中解釋法根據電機的電磁方程搭建模型，模型的精度對電磁參數依賴較高；數字建模通常采用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，難以仿真出實際復雜工況，但是能仿真出參數對模型的影響趨勢；有限元建模能夠綜合考慮電、磁、熱等因素，但模型復雜，需配置許多經驗參數。本文采用MATLAB Simulink工具軟件對開繞組BLDCM進行建模，由直流電源、逆變電路、負載、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[15]，電機參數如表1所示。

表1 開繞組BLDCM參數

圖5 開繞組BLDCM的MATLAB模型

仿真開繞組BLDCM在空載和額定負載下的相電流ia、ib、ic、轉矩Te和轉速n波形如圖6所示，電機空載起動，空載轉速約為900 r/min，在0.15 ms時給電機施加額定負載轉矩0.13 N·m，負載轉速約為740 r/min，相電流有效值約為0.45 A，最大轉矩波動約為25%，起動電流為2倍左右額定負載電流。

圖6 電機正常運行

2 功率器件故障分析

開繞組BLDCM系統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頻率下，承受較大的du/dt和di/dt沖擊，發生故障的概率最大。

2.1 故障防御方法

工業應用領域的電機不允許突然停機和長時間停機，即便發生故障，也要保證不降低或降低部分電機性能的情況下繼續運行，將故障所帶來的經濟損失降至最低。故障防御方法主要有三類：硬件保護、定時巡檢和在線診斷。

(1) 硬件保護。大部分電機都有硬件保護裝置，通過保險絲、空開斷路器、硬件過電壓/電流保護電路來實現，比如過流保護、過壓保護、欠壓保護、過熱保護、接地保護、振動超限保護、過速保護等，當運行參數和狀態參數達到或超過控制器設定值后，電機系統就會報警，進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。該方法響應迅速，設備投入較少，應用廣泛。

(2) 定時巡檢。在一些關鍵應用領域，不允許電機出現停機和降額運行狀態，通常采用定期巡檢的方法來預防故障的發生。工作人員使用專用的檢測設備(絕緣測試儀、光譜分析儀、熱成像儀等)定期對電機系統進行檢測，提前對可能出故障的電機進行更換和維護。該方法在生活生產保障領域應用較多，需要投入人力和設備。

(3) 在線診斷。由于電機在閉環控制過程中，控制器需要利用傳感器檢測電壓、電流和速度等信息，與目標設定值進行比較運算，而這些檢測信號值可以用作在線診斷的輸入數據。故障在線診斷方法有三類：基于解析模型、基于信號處理、基經驗于知識。大部分情況下故障在線診斷可利用現有的檢測數據，無需增加硬件成本，并且只是在程序上增加分析判斷功能，可以在各種電子產品上得到應用，但會增加控制芯片的運算量，特別在保護功能多的場合其控制邏輯復雜，存在處理延遲的風險。

隨著各類檢測傳感器和保護算法的大量應用，電機運行過程中出現的過溫、過流、開路缺相等狀況控制器均能及時檢測，并進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、不良焊接等狀態下出現功率器件故障，控制器難以及時檢測到，可能導致電機系統波動、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。

2.2 短路故障分析

開繞組BLDCM系統的三相繞組由3個獨立H橋逆變電路驅動，在分析故障現象時，以A相繞組的逆變電路為例，4個功率器件V11～V14均有可能發生開路故障，可能是一個或多個功率器件發生開路故障。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生短路，會引起連鎖反應，當與之處于同一橋臂上串聯的功率器件開通時，電源正、負極短接，導致串聯的功率器件開通電流過大而燒毀。當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H橋逆變電路發生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生電源短路。當對角的功率器件發生短路故障時，如圖7(d)所示，該相繞組處于單方向一直通電狀態，不會關斷。因此，當H橋逆變電路出現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。

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保險絲或者保護繼電器，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，處理措施出現延時也不能將危害降低到最小。

2.3 開路故障分析

H橋逆變電路若出現3個或4個功率器件開路故障就時，該相繞組就無法通電，出現一個或2個功率器件開路故障還有可能給該繞組通電。當H橋逆變電路出現一個功率器件開路故障時，該相繞組能實現單方向通電，如圖8(a)所示。當H橋逆變電路發生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

3 容錯控制

根據上述分析，開繞組BLDCM系統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生的磁場來合成產生，控制剩下磁場矢量，使其保持一定的旋轉順序，那么電機就可以繼續運行，此時電機輸出的轉矩波動增大，帶來振動噪聲。開繞組BLDCM系統的電機容錯控制方法有2種：補償算法和重構算法[16]。

3.1 補償運行

補償控制是電機出現一相繞組出現故障時，將剩余相繞組的電流增大，使電機輸出的有效轉矩保持不變，由式(3)可知，電機轉速會下降，輸出功率減少，在360°(電角度)周期內電樞磁動勢幅值發生變化，導致轉矩波動增大。

當故障相繞組只能單方向通電時，該相繞組只能產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，三相繞組產生的電樞磁動勢如圖9(a)所示，三相繞組導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，導致電機有效輸出功率減少，轉矩脈動增加。

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通六狀態(六步換相)控制模式時，一個導通周期內電機輸入電能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，速度不會發生突變，在一個導通周期三相繞組的反電動勢幅值不變，因此一個導通周期內電機輸入電能N0為

N0=[EAIA+(-EA)·(-IA)+EBIB+(-EB)·

(-IB)+ECIC+(-EC)·(-IC)]T0=

(2EAIA+2EBIB+2ECIC)T0=6EAIAT0

(7)

式中:T0為一個導通狀態的持續時間。

當開繞組BLDCM在C相繞組單方向通電時，此時一個導通周期內電機輸入電能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。

當開繞組BLDCM在C相繞組單方向通電時，此時一個導通周期內電機輸入電能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、轉矩Te和轉速n波形如圖11所示，電機空載起動，空載轉速約為860 r/min，在0.15 ms時給電機施加額定負載轉矩0.13 N·m，負載轉速約為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，最大轉矩波動約為45%。

圖11 單向導通時補償運行

當故障相繞組出現開路故障時，該相繞組不能產生電壓空間矢量，如圖9(b)所示，剩余兩相繞組導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出菱形形狀，電機有效輸出功率減少，轉矩脈動增加。仿真開繞組BLDCM在C相繞組開路時的相電流ia、ib、ic、轉矩Te和轉速n波形如圖12所示，電機空載起動，空載轉速約為820 r/min，在0.15 ms時給電機施加額定負載轉矩0.13 N·m，負載轉速約為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，最大轉矩波動約為55%。

圖12 缺相時補償運行

3.2 重構運行

重構運行是將電機故障繞組與逆變電路切斷，調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狀態，6個狀態的電樞磁動勢幅值不變，從而使電機轉矩波動不會增加，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)周期內要產生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行控制，可以通過專用芯片來提供PWM調制波，或用數字芯片來輸出PWM調制波，但會增加系統成本，且算法復雜，該方法在實踐中較少應用。

圖13 重構運行

4 樣機試驗

4.1 樣機系統設計

開繞組三相BLDCM本體容易制得，將常規BLDCM繞組間的中性點剪開即可。開繞組三相BLDCM的定轉子磁路結構沒有改變，可延用原有的電機生產工藝。

開繞組三相BLDCM控制器的主要功能是根據霍爾位置信號判斷換相、計算轉速，采用速度和電流雙閉環控制，具有過壓/欠壓保護、相電流檢測及保護，其組成部件包括：微控制器、電源電路、傳感器檢測電路、信號調理電路、接口電路、驅動電路、橋式功率變換電路、通信電路等。從結構上可分為三部分：主控板、驅動板、功率板，如圖14所示。

圖14 控制器結構圖

主控板主要進行數據處理：根據電機轉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，根據故障信號進行容錯運行或停機。驅動板主要是對主控板發出的控制信號進行隔離、放大，同時將電機運行的實時狀況(母線電壓、相電流、溫度、轉子位置)信號進行隔離、調理，再傳輸到主控板。功率板是指連接到開式繞組三相無刷電機上的3個H橋及其保護電路。

開繞組BLDCM系統的測試平臺如圖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載轉矩，并測試電機轉速，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，電機轉速信號通過DSP開發軟件CCS的在線仿真功能獲取，最高刷新頻率等于驅動器的開關頻率，20 kHz。

圖15 實驗平臺

4.2 補償運行試驗

由于電機在故障運行時破壞力較大，容易引發其他損傷，且瞬態過程難以檢測，因此試驗設計選取低負載狀態(0.05 N·m，860 r/min)，此時速度波動較小，波動范圍在10 r以內，相電流有效值約為0.2 A，如圖16(a)～圖16(b)所示，此時電流波形與負載仿真波形差距較大，但三相電流波形相互對稱。當開繞組BLDCM出現一相繞組單方向通電故障時，為了保證輸出轉矩不變，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；根據此時的電流頻率按照n=60f/p計算出電機轉速，約為810 r/min，速度波動范圍在15 r/min以內。當開繞組BLDCM出現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計算出電機轉速約為760 r/min，速度波動范圍在20 r以內。雖然電機系統的輸出功率下降，但仍然能夠持續運行，具有一定容錯能力，驗證了仿真結果。

圖16 試驗波形

5 結 語

開繞組BLDCM的三相繞組由獨立的H橋逆變電路驅動，繞組之間沒有中性點，因而具有一定的容錯性能。開繞組BLDCM定轉子磁路結構沒有改變，可延用原有的電機生產工藝，開繞BLDCM控制器的每個器件的耐壓降低一半，適合低電壓寬調速應用場合。電機控制器的功率器件工作在高頻開關頻率下，承受較大的du/dt和di/dt沖擊，發生故障的概率較大。故硬件保護電路是時效性較好的障防御措施，能及時切斷系統中的故障部件。容錯控制的2種常用方法：重構方法會增加系統成本，且實現過程復雜；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。