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一十一研究所，上海200233)
摘要：文章以冗余和容错两个方而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，在此基础匕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
O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****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[1]，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，它有两套独立的绕组，两个分开的转予及两套位置传感器，但具有共同的电机轴。在该结构中，几乎不存在两套绕组问的磁耦合现象，控制简单；但其实际上是由两台电机串联组成的，因此体积较大；同时一个电机发生故障时，该电机会成为另一台电机的负载，从而使得电机的机电时间常数变大，动态特性降低。
并联双余度结构只有一套定转子，定子铁心上隔槽嵌放着两套独立的电枢绕组及相应的两套位置传感器，共用电机轴及定转子，双套绕组是由两套空间相差30。电角度的三相集中绕组构成，采用双Y形接法，形成并联式双余度结构。其结构示意图如图2所示。与串联式双余度结构相比，并联式结构减小了系统的体积，但电机绕组嵌放网难．并且两套绕组间存在磁耦合，因此控制结构较复杂。
1．2双余度永磁同步电动机控制系统技术
图3为一种双余度永磁同步电动机控制方案。该系统具有两套驱动器、两套位置传感器、两套CPU控制器，两个CPU通过相互之间通讯。双余度工作时，CPU处于主从备份工作模式，一个CPU控制两个驱动器，当CPU发生故障时，另一个CPU接管故障CPU的任务，这种工作方式避免了两个cPu控制的同步性问题；正常工作时，两套绕组或两台电机同时工作，当某一套绕组或一台电机发生故障时，系统可从双余度工作模式转为单通道工作模式；
当某一套驱动器发生故障时，系统同样从双余度工作模式转为单通道工作模式，从以上分析可知，该控制方案从结构上解决了永磁同步电动机的完全双余度控制。
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