摘要：对于安全要求高的电力驯动系统，其电机应具有容错性能，即故障存在的情况卜系统仍能正常工作。文章对采用了冗余设计的舣余度永磁容错电机进行研究，提出了一种基于电流控制的丌路故障补救策略。补救策略旨在当电机发生一相或多相开路故障时，能够产生同常运行时相同的输出转矩，同时产生最小的转矩脉动和铜耗。经仿真证实，该故障补救策略可以完成预定的功能。
    关键词：永磁电机；容错；开路故障；补救策略
0  引  言
在诸如航空，运输，医药，军事等许多领域中人们对电力驱动系统的可靠性要求越来越高。因为系统若发生故障，会导致财产损失，甚至危及人身安全。因此，设计系统时应使其具有故障容错性能，即当系统中的某部分或其子系统发生故障时不会影响整个系统的工作性能。对于电力驱动系统，其容错性能主要体现在电机发生故障时仍能维持系统正常运行。
    容错电机主要有两种类型，一种是开关磁阻电机，一种是永磁电机。开关磁阻电机自身具备故障容错性能，但由于它转矩脉动大，功率密度低，其性能不如永磁电机。永磁电机经过特殊设计，并采用独立的控制电路，能够具有故障容错能力。一些关于永磁容错电机的文献提出了容错电机的设计方法，但是还很少有论文提出故障发生时采用何种补救策略使电机的容错性能****，本文针对容错电机的故障补救策略进行研究。
    对于一个永磁容错电机系统，可能发生的故障有多种形式，本文主要针对开路故障及其补救策略进行讨论。另外，由于在单电机的容错系统中，电机的整体故障(如电源供电故障或电机控制器故障)可能会导致电机完全不工作，因此本文采用双余度水磁容错电机结构，以克服单电机系统的不足。
    1电机的结构
双余度永磁容错电机的基本结构如图i所示。
    两台完全相同的三相永磁容错电机连接在共同的轴上，分别定义为1号和2号电机，在这个轴上放置一个编码器来测量转了位置。为了提高可靠性，每台电机都采用单独的电机控制器和电源供电。    永磁容错电机除了具有一般永磁电机的特点外(体积小、功率密度高和转矩脉动小等等)，还必须具备磁隔离，电气隔离，热隔离和相电抗较大等特点”’。因此，对于绕组设计，为实现容错性能，每相绕组都分别绕在不同的定子齿极，实现了相与相之间的物理隔离，防止一相发生故障时，故障传播到其他相，并且增强了磁隔离和热隔离。例如四极三相电机的绕组设计如图2所示。
    用于为永磁容错电机供电的逆变电路中，每相都采用h桥供电，实现了相与相之间的电气隔离。
    2电机开路故障分析
电机开路故障包括绕组开路故障和开关(即逆变电路中的电力电子开关器件)开路故障。利用mat一lab／simulink对系统发生的开路故障进行仿真分析。
    系统采用48极电机，采用电流滞环控制技术，环宽±△h／2为0.05 a，仿真时间步长为0．02 ms。
    在仿真过程中需要采用式(1)～式(4)的相电压方程、转矩方程和动态方程。
    式中，e(f)和v(f)分别为j相的反电动势和相电压；1号电机的三相，j分别为1，2，3；2号电机的三相，j分别为4，5，6；i(t)为相电流；r为相电阻值；l为每相的电感值。
    2．1一相开路故障
假设双余度永磁容错电机系统中的2号电机的第4相在2000 ms时发生开路故障。图3所示为发生故障前后的输出转矩波形仿真结果。总平均输出转矩在发生故障前为9．12 nm，发生故障后为7 61nm，约为故障前的5／6，转矩脉动由12 5％增加至52.8％。发生故障前的相对铜耗为1.0，发生故障后的相对铜耗为o.85。
    2．2其他开路故障
对其他开路故障进行仿真，得到发生故障后的输出转矩和转矩脉动的数值，仿真结果归纳在表1中。
    根据以上数据，在电机发生开路故障时，输出转矩明显减小，转矩脉动大大增加，冈此应采用故障补救策略提高输出电磁转矩，同时减小转矩脉动，并尽量减少铜耗。
    3  电机开路故障补救策略
由于输出转矩与相电流成正比，因此为补偿故障时减小的输出转矩，叫通过增加正常工作相的电流来实现，但这样可能会产生很大的转矩脉动．在许多场合，较大的转矩脉动可能产生严重的后果，因此减小电机的转矩脉动的大小非常重要。在文献[4一6]中提出了一种有隔离相的永磁容错电机的****转矩控制。这些研究都讨论了单电机的故障补救策略，但是没有关于双电机的故障补救策略的讨论。本文将对单电机和双电机的故障补救策略都进行讨论。
    本文研究的故障补救策略旨在开路故障发生后，减小驱动系统的转矩脉动，并且使电机铜耗最小。
    在单个三相永磁容错电机中．如果第3相发生开路故障，则这一相不会产生输出转矩。由于系统采用电流滞环控制技术，为了使其他正常运行相能产生与故障发生前相同的输出转矩，应改变第1相和第2相的电流。这种补救策略的输出转矩可以表达为：
    式中，i1和i2分别代表第l相和第2相的电流，k为反电动势常数，e12(θ。)为相反电动势，t为正常运行时的输出转矩。根据(6)式，i。可写成：
    式中，k为发生故障的相数，它不应出现在等式中。
    对于单个三相容错电机，n为3，双三相电机的n为6。
    分别计算利用故障补救策略在正常运行时和有开路故障时的瞬时铜耗为：
    4补救策略仿真
利用matlab／simulink对电机发生开路故障并采用上述故障补救策略的运行状况进行仿真。其仿真结果如下：
    4．1一相开路故障仿真
假设双电机中的2号电机的第4相在2 000 ms时发生开路故障。图4为采用了故障补救策略后，发生故障前和发生故障后的相电流波形。可以看出，采用了故障补救策略后，所有正常运行相的电流都有所凋整以输出合适的转矩。
    网5为采用故障补救策略后的转矩波形。平均总输出转矩与发生故障前相同，为9．12nm，转矩脉动为13％。相对铜耗为1.25。4．2其他开路故障仿真分别对发生其他开路故障并采用故障补救策略的情况进行仿真，测得输出转矩及转矩脉动，并与未采用故障补救策略的情况进行对比。仿真及对比结果如表2和表3所示。仿真结果表明，本文提出的开路故障补救策略可以补偿由于故障导致的系统输出转矩减小，并日．口j以减小输出转矩脉动。
    5结语
本文设计的双余度永磁容错电机具有良好的容错性能，冗余设计使其具备了比其他容错电机更可靠的性能。开路故障是电机系统中的常见故障，采用了基于电流控制故障补救策略后，电机运行发生开路故障时，依然会输出所需的转矩，并且转矩脉动小，产生铜耗不大，实现了较为理想的容错能力。

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