双余度无刷直流电动机的建模与余度控制技术

马瑞卿，刘卫国，杨永亮

(西北工业大学，陕西西安710072)

    摘要：参考自感和相间互感的关系公式，建立了双余度元刷直流电动机的数学模型。在环境下，采用正弦波削顶法等效反电势波形，并针对实际电机参数，得到了电机带载起动过程下的转速、母线电流、相电流和反电势的动态性能仿真曲线。仿真结果验证了电机数学模型的有效性。在此基础上，对双余度无刷直流电动机电流均衡和余度降级时的平滑切换技术进行了研究，实验证实了双余度热备份工作性能优于单通道工作。

    关键词：无刷直流电动机；双余度；建模；余度控制

中图分类号：文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)07-0032-04

 

    0引  言

    稀土永磁无刷直流电动机以其调速性能优越、寿命长、效率高、维护性好、应用广泛等特点得到了电机界的公认[1]，但电机绕组、功率逆变器、转子位置传感器在当今技术条件下仍为系统的薄弱环节，在航空航天等高可靠性领域，采用单通道设计往往不能满足要求。因此，在电机定子中隔槽嵌放两套独立绕组，并采用两套独立的功率逆变器和两套独立的转子位置传感器构成双余度无刷直流电动机(以下简称)控制系统成为航空航天领域的研究热点。双余度系统通常工作在热备份方式，当一个电气通道发生故障，另一个通道仍能继续工作，系统可靠性大为提高[2]。

 

但是，在双通道同时工作时，相间互感势必对电机性能产生影响。而通过磁场分析计算只能初步得到电机的基本参数，为了研究系统的动态性能，就需要通过建模、数值分析或试验的手段掌握其内部参数的变化规律[3-4]。

 

本文建立了的数学模型，根据电机自感与相间互感的公式，得出了相间互感关系，在环境下，得出了电机带载起动过程下的转速、母线电流、相电流和反电势动态仿真曲线。验证了电机数学模型的有效性。同时，通过对的电流均衡和余度降级时的平滑切换技术的研究，证明双余度热备份工作性能明显优于单通道工作。

 

由于BLDCM电压、电势和电流均为非正弦波。假设：磁路不饱和；不计涡流和磁滞损耗；两套三相绕组完成对称；功率开关器件为理想元件。则由文献[5]，可得到DR-BLDCM的电压平衡式：

 

 

 

    由于双套绕组采用隔槽嵌放式集中整距绕组，其双余度绕组之间对应相轴线互差30°，每一相与另一套绕组的次对应相互差150°，每一相与另一套绕组的第三对应相互差90°(其互感为零)。从而

2 仿真分析

 

通过以上得出的数学模型，根据图2的系统结构框图，可很方便地建立其控制系统在环境下的仿真模型。

 

 

   反电势和换向逻辑模块有很多建模方法，如二维有限元结合时步法[7]、分段线性法[8]等，也取得了比较好的仿真效果。本文采用一种比较实用的正弦波消顶的方法，即用消去顶部的正弦波来代替梯形波，从而在很大程度上减小了仿真的计算量，效果比较理想。

 

 

    为了验证仿真模型，考察双余度热备份工作时系统的动、静态性能，电机在额定负载下起动，得出电机输出转速n、通道1的母线电流、通道1和通道2的A相电流La和反电势Ea。的仿真波形如图3所示。

 

    从仿真波形可看出，电机起动后，随着转速升高，反电势迅速增大，相绕组电流和输出电磁转矩减小。由于两个通道的对应相绕组存在30°的位置角，通道2的每相反电势和相电流滞后通道1，但两者幅值相同。仿真结果与的理论分析基本一致[9]。

 

 

    3余度控制技术

 

    的余度控制十分重要。双通道除了存在电磁耦合，还会因参数的分散性，导致双通道电流的不均衡；如一个通道故障，系统还要迅速切换到另一通道实现余度降级；另外，各通道给定和反馈参数如果出现纷争，也要考虑信号的表决等综合处理问题，这些都需要由系统的余度控制和余度管理来实现。本文重点针对双余度电流均衡和余度降级切换问题进行研究。

 

    针对电流均衡，本文提出了一种交叉互比法，可实现实时电流反馈均衡，图4为交叉互比法电流均衡原理图。热备式运行时，先将给定电流的平均值作为双通道的给定，然后，求取通道1和通道2的实时反馈电流值误差****值的平均值ε，考虑到电流为负反馈，所以对反馈电流大的通道的给定电流值上加ε，对反馈电流小的通道的给定电流值减去ε，即可实现电流均衡。实际电流值较小的通道，其反馈值比原来值减小ε，电流闭环调节器将会使其电流向增大的方向调节，而对实际电流值较大的通道，反馈值比原来值增大ε，电流闭环调节器将会使其电流向减小的方向调节。

 

 

    图4中，输入信号表决采用常用的均值表决法，但当余度需要降级时，故障通道被自动切除，其电流通过续流回路自动减小，而非故障通道电流迅速增加并承担全部负载，电机转速、转矩会出现短时波动，这时电流均衡器和均值表决器均失去作用。

 

    4实验结果

 

    (1)电流均衡试验

 

     为了验证DR-BLDcM控制系统双通道电流瞬态值的均衡性，在输入电压27 v(DC)时让电机空载运行，当电机转速达到6 000 r/min的稳定值后，突然加大负载，示波器实测的电流波形如图5所示。

 

 

    图5中，分别为通道1和2的电流波形，盯为的误差波形。可见两个通道电流波形走势相同，且实时误差肘的波形为一条直线，幅值为0。这说明，无论在任一时刻，通道1与通道2的电流幅值与相位始终相等。从而验证了瞬态过程下系统的电流均衡能力。

 

    (2)余度平滑切换试验

 

    为了验证在余度降级时的平滑切换功能，以Hall元件故障来模拟。在负载转矩下电机先双余度正转工作，转速闭环(图4)且稳定运行于6 000 r／min，人为地切断通道2的三相Hall元件中某一个连线，造成一相Hall开路故障，测试两个通道的电流波形如图6所示。

 

 

    图6中，分别为通道1和2的电流波形，M为的误差波形。可见，故障前通道1与2的电流相等，各自承担几乎一半的负载电流，双通道电流均衡。当通道2的一个Hall元件故障后，通道2自行切除，电流迅速下降为零，而通道1的电流迅速上升，达到该通道故障前电流值的2倍，承担了全部的负载。系统工作情况良好，电机仍然稳速在6 000 r/min，切换过程中电流变化比较平滑。

 

    (3)机械特性试验

 

    在输入电压为27 V(DC)时，分别在通道1、通道2和双余度三种情况下，对进行正/反转机械特性试验，三种情况下电机的正/反转的机械特性曲线如图7a和7b所示。

 

 

    不考虑测试误差，三种情况都具有一定的线性度，在同样负载下，双余度时电机的直流母线电流和输出转速比单通道略高，其机械特性稍硬。

 

    5结论

 

    (1)本文建立了隔槽嵌放式的数学模型，得出了电机相间互感与自感的关系。

    (2)在的环境下，采用了简单实用的正弦波消顶法等效反电势波形，并根据电机在起动过程下的转速、母线电流、相电流和反电势的仿真曲线，验证了电机数学模型的有效性。

    (3)余度控制技术研究表明，采用电流交叉互比法可实现双余度的瞬态电流均衡，而且在系统余度故障降级切换中，电流波形比较平滑。

    (4)实验表明，双余度热备式工作方式比单通道工作的机械特性稍硬，且热备式工作时各通道电流和系统损耗约为单通道的一半。

 

    参考文献

 

    [1] 李钟明，刘卫国著.稀土永磁电机[M].北京：机械工业出版社．1999.

    [2] 瑞卿，刘卫国，解恩.双余度永磁无刷直流电机速度伺服控制系统[J].电气传动，2006，36(1)：41-44.

 

 

    [6]刘卫国.双余度有限转角力矩电机、无刷直流电动机及其控制技术研究[D].西北工业大学博士论文，1999

    [7]粱得亮，鲁军勇，丰向阳.永磁直线元刷直流电动机的建模与仿真[J].西安交通大学学报，2004,38(2)：186-190.

    [8]纪志成，沈艳霞，姜建国.基于Matlab无刷直流电机系统仿真建模的新方法[J].系统仿真学报,2003,15(12)：1745-1749.

    [9] 著，刘新正译.电机学[M].北京：电子工业出版社，2004.

 

 

作者简介：马瑞卿(1963-)，男，教授，研究方向为稀土水磁电机及其控制、运动伺服控制系统、电力电子与开关电源等技术。