BLDCM两相短路的四步换相容错运行方法
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
西安科技大学电气与控制工程学院、同济大学嵌入式系统与服务计算教育部重点实验室的研究人员周奇勋、王坤、刘娜、张玉峰，在2019年第7期《电工技术学报》上撰文指出，无刷直流电机运行过程中发生相短路，易引起二次故障，造成电机控制系统的功能丧失。
针对无刷直流电机绕组两相短路故障情况，提出一种四步换相容错控制策略，确保电机故障后系统继续运行。通过在电机绕组设置电流检测元件，对三相电流进行检测，将连续两次检测值的差值作为特征量进行故障定位；根据定位结果，改变逆变桥功率管导通次序、导通时间，实现对电机两相短路情况下的容错控制，同时实现故障隔离。
针对电机容错运行时转矩脉动较大的问题，采用H_PWM-L_ON调制方式并在换相时刻优化占空比，进行转矩脉动抑制。详细阐述电机两相短路容错控制策略的工作机理与换相过程，并对提出的四步换相容错控制策略进行仿真和实验，结果表明，电机容错运行时非故障相相电流峰值接近电机正常运行时的1.5倍，故障相相电流峰值接近电机正常运行时的1.25倍，转矩脉动增加20%，转速波动在5%以内。
无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor,BLDCM）以其结构简单、功率与转矩密度大、重量轻、效率高等优点，已成为航空航天领域功率电传系统执行机构的首选。BLDCM作为电传系统关键执行元件，一旦出现故障，将会威胁飞行安全。为提高其可靠性，国内外正广泛开展BLDCM系统冗余与容错技术的研究[3-12]，主要包括驱动电路、电机结构和控制策略三个方面。
目前对于三相绕组容错控制的研究大多数是针对三相逆变器的故障情况，而对于电机绕组的故障分析也集中在绕组开路路障，对绕组相间短路故障研究较少。文献[3-6]提出了两种BLDCM调速系统三相容错逆变器拓扑结构，当逆变桥发生短路故障时，通过熔断器进行故障支路切除，将短路故障转换为开路故障进行处理，同时启用备用桥臂进行容错控制，能够实现短路容错控制，但增加了驱动器成本，并且熔断器响应时间在毫秒级，难以及时保护。文献[7-12]提出了四相、五相或双绕组BLDCM冗余容错控制方法，故障后启用备用绕组容错运行，在电机匝间或绕组发生短路情况下能够容错运行，但增加了电机结构的复杂性。
在BLDCM长期带载运行过程中，绕组引线过热、绝缘层老化或机械损坏等原因可能造成相间短路。绕组相间短路后，短路相的电流急速上升，电流变化率或电流绝对值过大都会造成逆变器功率管损坏等二次故障，导致电机控制系统功能丧失。
本文提出一种BLDCM两相短路容错控制策略。该策略通过在电机绕组设置电流检测元件，对电机三相电流进行检测，将连续两次检测值的差值作为特征量进行故障定位；根据定位结果，改变逆变桥功率管导通次序、导通时间，实现四步换相容错运行。
该策略无需改变常规BLDCM驱动器硬件结构或增加电机绕组数，可以实现BLDCM在绕组两相短路故障后系统仍稳定可靠工作。针对两相短路容错控制时转矩脉动较大的情况，本文通过改变调制方式进行转矩脉动的抑制。
图1 三相BLDCM容错系统等效电路
图12 实验平台
本文提出了BLDCM两相短路的四步换相容错运行方法，该策略可以在1~2个PWM周期内完成故障定位并有效地控制电机在发生两相短路故障后稳定运行，容错运行时非故障相相电流峰值接近正常运行时的1.5倍，故障相相电流峰值接近正常运行时的1.25倍，转矩脉动增加20%，转速波动在5%以内。对本文提出的容错控制策略进行了详细的理论分析，并进行了仿真和实验，所得结果与理论分析有较好的一致性。
该控制策略具有以下优点：①无需增加逆变桥臂数量与熔断保护电路；②没有增加电机绕组余度数目；③有效提高了BLDCM系统可靠性。