高可靠永磁同步电动机及其控制技术研究

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1、高可靠永磁同步电动机及其控制技术研究王建宽，张东宁，钱儿(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)摘要：文章以冗余和容错两个方面阐述了永磁同步电动机及其控制系统的可靠性设计技术，讨论了双余度电机、容错电机、横向磁场永磁电机的结构特点及其控制方式，在此基础上进一步研究了永磁同步电动机的故障辨识技术和容错控制技术，研究内容为今后该技术的进一步研究打好了基础。关键词：余度；容错；横向磁场：辨识0引言近年来，随着电力电子技术、电机控制技术及微处理器技术的发展，永磁同步电动机控制技术正朝着高效率、高

2、性能及智能化方向发展。在一些特殊领域，如航空航天、武器装备及电动机车等领域，可靠性是一项重要指标。因此，对高可靠性永磁同步电动机及其控制系统的研究，具有非常重大的理论和现实意义。可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。在分析总结国内外可靠性技术的研究成果和最新进展，将永磁同步电动机及其控制系统可靠性技术归纳为冗余技术和容错技术l¨，冗余技术是通过增加多重资源来提高可靠性的设计方法，其代表性研究为双余度永磁同步电动机及其控制系统。随着数字信号处理器及现代控制技术的发展，基于参数辨识技术

3、的永磁同步电动机容错控制技术成为了研究的热点，系统根据参数辨识结果，检测系统运行状态，根据故障情况改变控制方式，实现系统重构，保持系统性能不变。其代表性的永磁同步电动机系统为容错电动机、多相电动机和横向磁场永磁电动机等本文从永磁同步电动机的结构、控制策略、电路拓扑结构及电动机容错辨识及容错控制等方面较系统阐述上述高可靠性永磁同步电动机及其控制系统的工作方式、研究现状及其存在的问题，以期推动我国在该领域的研究。1双余度永磁同步电动机控制系统研究实现余度控制一般有两种形式：冷备份和热备份。冷备份是指在正常情

4、况下，只有一个余度正常工作，另一余度不工作，当系统出现故障时，立刻切除发生故障的余度，同时另一余度开始工作；热备份是指在正常情况下，两余度同时工作，当某一余度出现故障时，系统切除发生故障的余度，启用单余度方式。为了提高系统的利用率，在电机的余度控制系统中一般采用双余度的热备份控制方式。国内对双余度永磁电机及其控制系统进的研究主要集中在西北工业大学、北京航空航天大学和南京航空航天大学。1．1双余度永磁同步电动机基本结构根据双余度永磁同步电机在结构上的不同，可分为两种类型：并联结构型和串联结构型【2】。串联

5、结构型永磁同步电动机是由两个独立的永磁电机同轴同壳安装，如图l所示，它有两套独立的．．79．．绕组，阿个分开的转r及胁套位置传感器，们其肯共同的电机轴。在该结构中，几乎不存在两套绕组州的磁耦合现象，控制简单，但其实际l：是由曲台电机串联组成的，因此体积较大，同时个电机发生故障时，该电机会战为另台电机的负载，从而使得电机的机电时间常数变大，动态特性降低。并联般余艘结构jl肯套定转r，定于铁心上隔槽嵌放着阿套独立的电枢绕组及相应的两套位置传感器，韭用电机轴及定转r，双套绕卦t是山两套空问相差30。电角度的三

6、相集中绕组构成，采川般Y形接注，形成并联式取余度结构。其结构耶意图如图2所示。与串联式双泉度结构相比，并联J{{=结构减小了系统的体积lf口电机绕组嵌放困难，并且两套绕组间存在磁耦台，因此控制结构较复杂。罔l串联双采度电机结构罔2并联职采度电机结构2双余度水磁同步电动机控制系统技术图3为种烈余度水磁同步电动机控制，J案该系统具有两套驱动器、曲套位置传感器、两套CPU控制器，两个CPU通过相互之间通讯。般余度工作时，CPU处于丰从备份工作模式，个CPU控制两个驱动器，当CPU发生故障时，另一个CPU接管故

7、障CPU的任务．这种T作玎式避免r两个CPU控制的吲步性问题；正常T作时．婀套绕组或两台电机同时工作，当某套绕组或。台电机发生故障时，系统呵从取余度__r．作模式转为单通道T作模式；肖某一套驱动器发生放障时，系统同样从烈余度工作模式转为单通道工作模式，从以上分析可知，该控制方案从结构j解决了永磁同步电动机的完争双余度控制。图3双余度电机控制系统框图故障检测电路是余度控制的重要内容，监控的故障包括电机绕组故障、驱动器故障、位置传感器故障、CPU故障等。2容错永磁同步电动机及其控制技术研究双余度电机绕组短路

8、时，由于fb机没有磁隔离和热隔离能力，凼此短路绕组产生的磁链和热量会耦合到另套绕组中，从而降低电机的运行性能，甚至会导致电机无法lF常T作。针对双余度电机控制技术的弊端，吲内外开腱了)毛_J非备份永磁同步电动机容错技术研究，该技术的特点是电机采用一套绕组和套控制嚣，当菜一相出现故障时，通过控制剩余各相电流的幅值和相位，保持系统lF常运行，从而具备强容错能力，提高系统的可靠性⋯。21容错永磁同步电机结构容错永磁同步电机定子绕组通常采用多相的结