一种可容错的无刷直流电机驱动控制方法

0 引言

永磁无刷直流电机以其高功率密度、高可靠性、控制简单等优点，在运动控制领域得到了广泛的应用，其可靠性对于控制系统具有至关重要的作用[1]。常用的无刷直流电机大都采用三相星型连接的电枢绕组和二二导通的方式，控制器通过采集Hall传感器信号确定转子所在扇区，控制驱动电路给三相绕组通电，驱动电机转动。因此，如果电机一相绕组断路或者与驱动器的连接断开，则在相应的扇区无力矩输出，电机无法正常工作。对于断路故障，可以通过电流传感器进行实时检测，并在断路故障发生时，定位故障相。

针对断路故障，目前研究较多的是三相四开关容错逆变器[2-5]和双绕组无刷直流电机[6-9]，但对三相四开关容错逆变器的研究通常针对逆变器侧的故障及其容错控制，双绕组无刷直流电机容错能力更强，但需要专门设计的电机，以及2个六开关驱动器，结构复杂，成本较高。本文提出一种新型的无刷直流电机容错控制方案，通过将普通星型连接的三相无刷电机星型连接点引出，并增加一路半桥驱动，在相比原系统变化较小的情况下，实现对无刷电机的容错控制。

1 容错驱动器结构

图1所示为驱动器与电机三相连接图，其中(a)为驱动器结构，由4个半桥组成；(b)为三相星型连接的无刷直流电机，N端为引出的星型连接点，驱动器输出端分别与电机的A、B、C、N端相连。

(a)驱动器结构

(b)电机引出线 图1 驱动器与电机连接图 Fig.1 Connection of the driver and motor

2 断路故障诊断及容错控制原理

2.1 断路故障诊断原理

对于二二导通的无刷直流电机，电机正常运行时，转子位置与导通相的一种对应关系如表1所示。

当转子位于某一扇区时，根据表1所示的转子所在扇区与导通相的对应关系，可以利用电流传感器判断相应相的导通情况，进而判断该相是否断路。由于每次有两相导通，当某相断路时，需判多个扇区才能确定故障相。为减小电流传感器的采样频率，采用每个PWM周期仅采一次电流，采样时刻在靠近导通结束时刻的方法，以确保对绕组通断的可靠检测，并避开导通时刻可能出现的电流尖峰。

表1 转子位置与导通相对应关系

Tab.1 Correspondence between rotor angle and turn-on phase

扇区HALL状态导通开关管导通相10 0 1T3 T6B C21 0 1T2 T3B A31 0 0T2 T5C A41 1 0T4 T5C B50 1 0T1 T4A B60 1 1T1 T6A C

2.2 容错控制原理

引出星型连接点后，可以利用该引出线给一相绕组通电，也可以不使用该引出线，给串联的两相绕组通电，首先给出相电压方程、线电压方程和电磁转矩方程。

不同的词语在不同的语言中含义或习惯性表述是不同的。因而，译文虽然使用了原文的修辞格但做了一定改动。例如：

本栏目免费刊登“淘小说”信息。请交易双方自行防范风险。联系人陈婉清，邮箱：sjm830@sina.com

(1)

其中，uAN、uBN、uCN为A、B、C三相的相电压；RA、RB、RC、LA、LB、LC、MAB、MBA、MAC、MCA、MBC、MCB分别为各相的电阻、自感和互感；iA、iB、iC和eA、eB、eC分别为相电流和相反电势。相电流以流向星型连接点为正，相反电势以由星型连接点指向相绕组另一端为正。通常满足相电阻Rs=RA=RB=RC，相电感L=LA=LB=LC，相绕组互感M=MAB=MBA=MAC=MCA=MBC=MCB。对三相星型绕组，星型连接点未引出或引出线上无电流时，满足

在Simulink中对容错运行方式进行仿真，图3(a)为正常情况下无刷电机的驱动模型，图3(b)为容错运行方式下无刷电机的驱动模型，驱动信号为占空比固定的PWM信号。模型均为开环，以便对电机特性进行对比分析。

iA+iB+iC=0

(2)

则式(1)可以简化为

(3)

线电压方程可由相电压方程相减得到

为了建立科学的、系统地实现对国家脆弱性的综合分析模型，本文从自然因素、环境因素和社会因素选择了50个指标来衡量国家的脆弱性，由于指标过多，会增加计算的复杂度，因此文章采用PCA(主成分分析)方法先对指标进行降维，

(4)

电机电磁功率

Pem=TemΩ=eAiA+eBiB+eCiC

(5)

其中，Ω为电机角速度，电磁转矩

Tem=(eAiA+eBiB+eCiC)/Ω

针对以上SOC估算的影响因素,本课题组进行了锂离子电池SOC估算的相应实验。实验以两组锂离子电池组为研究对象,每组电池组用3片锂离子电池串联而成,单体电池型号为INCMP58145155N-I,额定电压为3.7 V,额定容量10 Ah。具体的实验过程为将两组电池组每天先进行从10%～70%的深度放电,记录回跳电压,并搁置2 h,待电压恢复后,再进行 0.2 C 完全放电。每当放电深度设置的一个实验周期结束,改变放电倍率重复实验。并且分别置两组电池于高温和低温环境下,以观测环境温度对电池剩余容量的影响。实验采用蓄电池综合参数自动测试设备,型号为BTS-M 300 A/12 V。

(6)

由式(1)可得，相电压稳态方程(以A相为例)

由式(6)，为使电机在各扇区能够产生方向相同的电磁转矩，结合式(1)中关于相电流和相反电势方向的说明，应使各相电流与相应的相反电势的乘积具有相同的符号[10]。因此，需要根据电机反电势确定具体的通电相与施加电压方向，与表1相对应，给出无刷电机三相绕组理想反电势波形，如图2所示。其中,θ为电角度。

由式(6)，在容错运行状态下，相比串联两相通电状态，仅使用单相绕组时，电机输出力矩减半，在6个扇区中，2个扇区输出完整力矩，4个扇区输出减半的力矩，平均力矩下降为原来的2/3。因此，电机的带载能力下降，在空载或轻载状态下，也会出现转速下降的现象。

(7)

串联两相导通时，导通相电流之和为0，反电势大小相等，符号相反，则由式(4)可得，线电压稳态方程

u=2RSi+2e

(8)

其中，u为线电压，i为线(相)电流，e为相反电势。

当某相断路时，为保证电机继续运行，使驱动器N端工作，仅使用两相，使电机继续运行，容错运行状态下，根据式(7)和式(8)，若利用星型连接点引出线给单相绕组通电，施加的电压应为正常状态的一半，实际中可通过将PWM信号占空比减半来实现，此时两种导通状态下，稳态电流相等。

式(1)为无刷直流电机定子三相绕组的电压方程。

地下水是动态变化的，地下水资源也是不断变化的。建议在进行地下水资源评价时，充分考虑地下水动态变化，合理实时地计算地下水资源量。

图2 理想反电势波形 Fig.2 The ideal waveforms of back-EMF

与表1和图2对应，给出C相断路，仅使用A、B相作容错运行时，转子位置与导通相的对应关系，如表2所示。其中“+”“-”号表示在该端施加电压的正负。

表2 容错运行时转子位置与导通相对应关系

Tab.2 Correspondence between rotor angle andturn-on phase in fault-tolerant state

扇区电角度导通开关管导通相10～60°T3 T8B+260°～120°T2 T3B+A-3120°～180°T2 T7A-4180°～240°T4 T7B-5240°～300°T1 T4A+B-6300°～360°T1 T8A+

2.3 性能分析

uAN=RAiA+eA

3 仿真分析

工程机械电气自动化维护技术包含电气设备的监测、故障维修，完善的维护制度是确保工程机械电气自动化维护技术实施一个重要因素，它确保了自动化设备维护工作的正常运行，而且保证了电气设备的监测和故障维修的科学性。同时，严格要求维护人员详细的记录设备日常的运行情况，根据设备运行状况有针对性的制度方案，预防设备可能出现。

设置母线电压为12V，PWM周期为15K，正常运行时占空比为50%。容错运行时，若两相通电，则占空比为50%；若单相通电，则占空比为25%。

图4所示为正常运行与容错运行启动转速对比，图5所示为正常运行与容错运行电流波形。电机处于容错运行状态时，由于平均输出力矩减小，转速由1000r/min下降到945r/min，电机的转速波动较正常运行状态也明显增大。容错运行状态下，平均电流增大为原来的约1.1倍，图5(b)中，单相通电时，电流峰值较大，但占空比较小，因此平均电流与串联的两相通电时基本不变，转矩较两相导通时减半，与理论分析相符。

(a)正常运行

(b)容错运行 图3 正常运行及容错运行Simulink模型 Fig.3 Simulink models of normal state and fault-tolerant state

图4 正常运行和容错运行启动转速 Fig.4 Start-up rotational speed of normal state and fault-tolerant state

(a)正常运行相电流

(b)容错运行相电流 图5 电流波形 Fig.5 Current waveforms

4 实验验证及分析

实验使用的电机和驱动器如图6所示，该电机为星型连接点引出的永磁无刷直流电机，驱动器使用4个半桥芯片，输出端按图1所示方式与电机连接。图7和图8所示分别为由正常状态切换为容错状态的转速和电流变化。

在知识时代下，我国科学技术持续更新，电厂企业想要在激烈的市场竞争环境下，获取更好的发展，需要具有丰富的人才储备，给予人才培养以高度重视。电力行业属于技术和资金密集型行业，需要人才具有较强的专业能力和综合素质，进而确保工作的高质量完成，因此，人资管理在电厂企业中具有重要地位，对实现企业的稳定发展起到关键的推动作用。

图6 驱动器与电机 Fig.6 Driver and motor

图7 电机转速变化 Fig.7 Variation of rotational speed

图8 相电流变化 Fig.8 Variations of phase current

正常运行时，电机转速为1000r/min，断开驱动器与电机C相的连接，模拟电机C相绕组断路故障，系统在检测到C相断路后，切换为仅使用A、B两相，由驱动器A、B、N端驱动的容错运行模式。图8中电流幅值为容错运行模式下，单相通电和两相通电时的电流，两种情况下电流均值基本相同，与前述理论和仿真分析相符。容错运行模式下，电机转速由1000r/min减小为930r/min，电流增大为原来的约1.1倍，与仿真结果基本吻合，验证了理论分析和仿真的正确性。

中国国际进口博览会是迄今为止世界上第一个以进口为主题的国家级展会，是国际贸易发展史上一大创举。这体现了中国支持多边贸易体制、推动发展自由贸易的一贯立场，是中国推动建设开放型世界经济、支持经济全球化的实际行动。

整机面板只有两个操控按键，分为清洗和复位键，使用期间最好每月进行一次清洗作业，更能使净水器保持持续的良好运转。

当电机闭环带恒定负载时，由正常运行状态切换为容错运行状态，电机转速减小，由式(7)与式(8)，电机电流会迅速增大。由2.3节性能分析部分可知，当电流增大到原来的约1.5倍时，电机输出力矩与负载力矩平衡，电机转速下降幅度与施加1.5倍负载时相当；当电机负载能力余量达到指标要求的50%时，电机转速仍能维持在额定值附近，系统性能仍可以满足指标要求。

图9所示为容错运行状态下，仅B相通电且施加正向电压时，设置T3由PWM控制，T8常开，A相由反电势产生的电流。参考图2，该反电势在半个扇区逐渐减小为0，随后反向增大。因此，借助星型连接点引出线，在半个扇区内电流达到较大的幅值，产生较大的阻力矩，使电机效率下降，振动和噪声变大。当T8和T7在此扇区同时调制时，如图8所示，该电流可以得到有效抑制。

图9 反电势引起的相电流 Fig.9 Phase current caused by back-EMF

5 结论

本文针对反电势为梯形波的永磁无刷直流电机断路故障，设计利用电流传感器判多个扇区的方法进行故障检测和定位，对发生的一相断路故障，提出了一种新颖的容错驱动控制方法。通过在传统三相全桥驱动电路基础上增加一路半桥，并将电机星型连接点引出与之相连，实现对单相的导通控制。根据电机转子位置与反电势的对应关系，以及两相串联导通和仅单相导通的电压方程，设计了基于两相绕组的驱动方案。在Simulink中建立了正常运行模型和容错运行模型，对所提出的驱动方案进行了验证和分析。最后，设计相应的驱动器，并与星型连接点引出的无刷直流电机构成硬件实验平台，实验结果验证了理论分析和仿真分析的正确性以及该方案的可行性。

参考文献

[1] 卢二宝，闫丽媛，于志远，等.航空航天机电伺服系统可靠性设计综述[J].导航定位与授时，2016，3(4)：53-57.

[2] Zhou W, Sun D, Chen M, et al. Simplified PWM for fault tolerant control of open winding PMSM fed by hybrid inverter[C]// 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE). IEEE, 2015: 2912-2918.

[3] Yuan Q, Zhao R. DC-link capacitor voltage offset suppression with no filters for three-phase four-switch inverter fed PMSM drives[J]. Electronics Letters, 2017, 53(11): 746-748.

[4] 林海, 李宏. 无刷直流电机驱动控制容错方案研究[J]. 西安交通大学学报, 2009, 43(2):53-57.

[5] Lee B K, Kim T H, Ehsani M. On the feasibility of four-switch three-phase BLDC motor drives for low cost commercial applications: topology and control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003, 18(1): 164-172.

[6] Heo H J, Im W S, Kim J M, et al. Fault tolerant control methods of dual type independent multi-phase BLDC motor under open-switch fault conditions[C]// 2012 27th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). IEEE, 2012: 1591-1596.

[7] 周元钧, 董慧芬, 王自强. 飞行控制用无刷直流电动机容错运行方式[J]. 北京航空航天大学学报, 2006, 32(2):190-194.

[8] Zhang T, Wei J, Tao W, et al. A fault-tolerant stra-tegy for the dual stator doubly salient electro-magnet motor drives with the dual inverter topology[C]// 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC). IEEE, 2017: 1-7.

[9] 毛由正, 王莉, 史涔溦. 多绕组永磁无刷直流电机容错性能研究[J]. 微电机, 2015, 48(3):34-38.

[10] 王秀和.永磁电机[M].北京:中国电力出版社, 2011:143-151.