新型直流无刷电机容错控制方法的仿真分析_陈霄峰

第47卷

2014年第12期12月

MICＲOMOTOＲS

Vol.47.No.12Dec.2014

新型直流无刷电机容错控制方法的仿真分析

陈霄峰，黄晓艳

（浙江大学电气工程学院，杭州310027）

摘

要：航空工业正在向多电飞机的方向发展，因此需要有高可靠性的电机驱动系统。单边矩阵变换器是一种新型

的矩阵变换器，适用于驱动无刷直流电机。利用单边矩阵变换器独特的结构建立了一种新型容错控制算法，可以进一步加强无刷直流电机驱动系统的可靠性。为了验证容错算法的性能，建立了整个电机驱动系统的Matlab仿真模型，并对系统的容错运行能力进行了仿真实验分析。仿真实验分析结果表明采用新型容错控制算法的单边矩阵变换器具有更高的可靠性与带故障运行能力，可以满足多电飞机对安全可靠性的要求。关键词：多电飞机；直流无刷电机；单边矩阵变换器；容错控制中图分类号：TM36+1；TP272

文献标志码：A

文章编号：1001-6848（2014）12-0031-05

DOI:10.15934/j.cnki.micromotors.2014.12.007

SimulationAnalysisofaNovelFault-tolerantStrategyforBLDCMotor

CHENXiaofeng，HUANGXiaoyan

（ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China）

Abstract：Theideaof“MoreElectricAircraft”isdevelopinginAviationindustry，therefortheneedforhighreliabilitymotordrivesystemhasrisen.SingleSidedMatrixConverter（SSMC）isanovelmatrixconverter，whichissuitedfordrivingaBLDCmotor.Anovelfault-tolerantstrategywasdevelopedtofurtherenhance

thereliabilityoftheBLDCdrivingsystem.Inordertoverifytheperformanceofthefault-tolerantstrategy，

establishedaMatlabsimulationoftheentiremotordrivesystem.Thesimulationresultsshowthatusingthenewfault-tolerantstrategycanimprovethereliabilityandfault-tolerantabilityofthesystem.Thesystemcan

meetthesafetyandreliabilityrequirementofmoreelectricaircraft.Keywords：moreelectricaircraft；BLDCM；SSMC；fault-tolerantstrategy

将电源输入整流至中间直流稳压电容，再用IGBT开关逆变至各相供电。这种方法的缺点为需要中间直流电容，体积和重量都较大

［3-4］

0引言

随着航空工业发展，多电飞机（MoreElectric

Aircraft，MEA）逐渐成为主流发展方向，采用电气传动系统取代传统的液压机械传动系统，可以减轻重量，优化成本，简化维护与维修，从而提高安全性和可靠性。

在多电飞机电气传动系统中，常用的电机为开

［1］

关磁阻电机、永磁同步电机和直流无刷电机。开关磁阻电机结构简单，控制逻辑简单可靠，是多电

2］中提出了采用单边矩飞机常用电机之一，文献［

阵变换器供电的开关磁阻电机控制方法。但与无刷

直流电机相比功率密度较低，重量较重。

无刷直流电机（BLDCM）是一种常用的永磁式同步电机。具有可靠性较高、功率密度较大、控制逻辑简单等优点。传统的控制方式为桥式整流电路，

。而且飞机的极限工

作温度为－50℃到80℃，超过了普通电容的可靠工作温度。而采用单边矩阵变换器供电，可以省去中间直流电容，从而提高了驱动系统的可靠性于开关元件故障有更好的容错能力

［6-9］

［5］

。单

边矩阵变换器的缺点是需要较多的开关元件，但对

。

1单边矩阵变换器

单边矩阵变换器（SingleSidedMatrixConverter，

SSMC）是一种新型的矩阵变换器，属于三相到多相变换器。每相采用6个双向开关组成的阵列，使得输出端可以与任意一输入端连通。某一相的结构如图1所示。

03-20收稿日期：2014-基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助（2011AA11A101）；浙江省钱江人才计划资助（2013Ｒ10031）。

作者简介：陈霄峰（1990），男，硕士研究生，研究方向为无刷直流电机控制。

黄晓艳（1982），女，博士，副教授，研究方向为永磁电机设计与控制。

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·32·

47

卷

外区间策略与单带控制相同，使用电压等级为最大电压V+++和最小电压V－－－；内区间具体控制策略如图3所示

。

图1单边矩阵变换器单元结构图

图3

DB控制策略示意图

每相为一个开关单元，由6组IGBT与二极管串联构成。与传统的桥式整流电路相比，单边矩阵变换器去掉了笨重的中间直流电容，使用寿命延长，可以在高温环境下工作；缺点则是需要使用更多的开关元件。

单边矩阵变换器与普通的矩阵变换器相比，由于二极管的存在，电流只能单向流动，即使换相时刻输入端两相直通，短路电流也会被串联的二极管阻断，因此控制逻辑更为简单可靠。但由于电流只能单向流动，所以单边矩阵变换器只能用于直流无刷电机（BLDCM）和开关磁阻电机（SＲM）等用单向电流驱动的电机。

由于DB控制有较多的电压等级，可以更精确地控制电流变化速度，因此与SB控制相比需要的开关频率大大降低。由于BLDC电机的电感较小，可以添加附加电感以进一步降低开关频率。

3容错控制方法

在电机驱动系统中，一般包括电机，功率电路

板，控制软件，保护模块以及传感器。本文主要研究使用单边矩阵变换器作为功率电路板的容错能力。在功率板的故障中，最常见的是某个开关由于过热等原因开路。对于普通的桥式整流电路，如果某个开关因故障开路，则会有一相绕组失去供电；在单边矩阵变换器中，如果某个开关故障开路，将会使7个电压等级中的2个失效。而剩余的5个电压等级仍然可以正常工作。因此只要在控制策略中加以修正，则整个电机驱动系统还可以像在正常工况下工作。

由于7个电压等级所对应的开关元件是随时间变化的，所以不能直接根据故障开关的编号来确定可用电压等级。由于某个开关故障最多会导致两个电压等级失效，因此可以找出与需求电压等级V最接近的两个电压等级V1和V2；如果需求电压等级V不可用，则使用V1；如果V1也不可用，则使用V2。以图2中t=0.5×10－3s时刻为例，V+++到V－－－对应的电源相序为：AC、AB、BC、0、CB、BA、CA。假设所需电压等级为V+++，而开关A+故障开路。按照容错控制逻辑，选取V++和V+为备用电压等级。V+++对应AC，而A+故障所以不可用；V++对应AB，而A+故障所以也不可用；V+对应BC，没有故障开关，因此可用。这样使用V+来代替故障的V+++，使相电流不

2Double-Band滞环控制策略

单边矩阵变换器常用的控制策略为电流滞环控

制策略。其中又可以分为单带控制和双带控制。单带控制中有一个滞环区间，当电流低于区间下限时施加正向最大电压，电流超过区间上限时施加反向最大电压。由于电压等级太少，电流变化剧烈，要使电流维持在规定的滞环区间内就需要很高的开关频率，往往会超过IGBT的允许范围。

双带控制中有两个滞环区间和7个不同的电压等级。7个电压等级对应的输入相序会随时间变化，因此需要使用传感器确定输入电压的相对大小关系，才能正确地施加电压等级。一个周期内正向非零电压等级（V+++，V++，V+）的波形如图2所示。

图2电压等级波形

至于降为零。控制逻辑流程图如图4所示。

12期陈霄峰等：新型直流无刷电机容错控制方法的仿真分析·33·

采用这样的容错控制逻辑后，当发生单个开关

故障开路后，不必立即检修，可以维持正常工作，

整个电机驱动系统的可靠性大大提升

。

图4容错控制逻辑

4建模与仿真容错控制仿真分析

仿真实验采用一台12kW，12000r/min，5相，

4极的BLDC电机数据为参考，设计了一套5相的

SSMC控制器，使用Double-Band控制逻辑。该系统

用于驱动飞机机翼副翼，运行转速与负载等具体参

数如表1所示。

表1参数

电源

运行区间/（r/min）

负载转矩/N·m

工作电流/A

工作温度/℃系统设计参数参数值115V（400Hz）2000～120000～85～40－50～70图52000r/min无容错控制相电流波形添加容错控制逻辑后，五相电流波形如图6所示

。

本文对整个运行区间中的三种代表性工况进行

研究：低速空载（2000r/min，5A），中速常载

（6000r/min，20A）和高速重载（12000r/min，40A）。

首先是空载条件下，转速设置为2000r/min，

预设电流幅值为5A。这种情况下，电机的反电动势

较小，峰值约为25V左右，与电源电压相比很小，

SSMC输出电压对电流影响很大，因此电流变化速度

较快，开关频率相对较高；根据仿真数据，开关频

率可达31kHz，现有IGBT开关难以实现。因此在转

子绕组添加6mH额外电感，使开关频率降低至

10kHz范围。

无容错控制逻辑时，A+开关故障开路的情况

下，五相电流波形如图5所示

。图62000r/min有容错控制相电流波形

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·34·

从以上仿真实验结果可以看出，在出现某个开关故障后，只有对应相电流会出现波动，无故障相仍可正常工作。转速设置为2000r/min时，在无容错控制逻辑的情况下，故障相波动明显，几乎无法正常工作；而添加容错控制逻辑后，故障相与无故障相波形基本无差别，可以完全正常工作。

然后是一般工况下，转速设置为6000r/min，预设电流为20A。无容错控制逻辑时，五相电流波形如图7所示

。47卷电流变化速率较慢，无需添加额外电感即可保证开关频率在允许范围内

。

图86000r/min

有容错控制相电流波形

图76000r/min无容错控制相电流波形

图96000r/min输出转矩波形对比添加容错控制逻辑后，五相电流波形如图8所示。

输出转矩波形对比如图9所示。

计算输出转矩的数据，两个周期内无容错控制的转矩平均值为3.89N·m，标准差为1.09；有容错控制的转矩平均值为4.29N·m，标准差为0.74。从以上仿真可以看出，添加容错控制逻辑后，电流波形明显优于无容错控制逻辑的电流波形；输出转矩幅值提高，转矩波动减小。

然后是最恶劣工况下，转速设置为12000r/min，预设电流为40A。这种情况下，电机反电势峰值可达150V；因电源电压为115V，单边矩阵变换器输

，因此出的峰值电压约为281.64V（115·无容错控制逻辑时，A+开关故障开路，五相电流波形如图10所示

。

12期陈霄峰等：

新型直流无刷电机容错控制方法的仿真分析·35·

流波形优于无容错控制逻辑电流波形，但是仍与正

常情况电流波形有所差距。分析图2电压等级波形

图可以看出，V+++峰值为281.64V，V++峰值

为243.36V，V+峰值为138.8V。因此当故障开关

导致V+++和v++同时失效的情况下，V+峰值

小于反电势峰值，因此电流无法上升，导致电流无

法达到预设电流值。有容错控制的转矩相比正常情

况有所差距，但相比无容错控制逻辑时转矩平均值

提高，转矩波动减小

。

图1012000r/min无容错控制逻辑相电流波形

添加容错控制逻辑后，五相电流波形如图11

所示

。

图1212000r/min输出转矩波形对比

5结语

单边矩阵变换器与普通桥式变换器相比可靠性

较高，功率密度较高，缺点为需要更多的功率开关。

Band滞环控制时可以添加容错控制逻使用Double-

辑。在正常工况下，使用容错控制逻辑后可以在某

相单个开关故障开路后继续正常运行；而在最恶劣

工况下，电流波形和转矩波形也明显优于无容错控

制逻辑的情况。因此，有容错控制逻辑的单边矩阵

变换器非常适用于航空等对可靠性要求极高的场景。

参考文献

［1］XiaoyanH，GoodmanA，GeradaC，etal.ASingleSidedMatrix

ConverterDriveforaBrushlessDCMotorinAerospaceApplications

［J］.IndustrialElectronics，IEEETransactionson，2012，59（9）：

3542-3552．

［2］GoodmanAS，BradleyKJ，WheelerP.EvaluationoftheSingleSi-

dedMatrixConverterDrivenSwitchedＲeluctanceMotor［C］.Indus-

tryApplicationsConference，2004.39thIASAnnualMeeting.Con-

ferenceＲecordofthe2004IEEE，2004：1847-1851．

［3］粟梅，桂卫华，孙尧，等.矩阵变换器技术及其应用研究［J］.

2010（1）：31-37．大功率变流技术，

［4］林桦，佘宏武，何必，等.矩阵变换器的电压型两步换流策略

［J］.中国电机工程学报，2009（3）：36-41．

［5］XiaoyanH，BradleyK，GoodmanA，etal.Fault-ToleranceAnalysis

ofMulti-PhaseSingleSidedMatrixConverterforBrushlessDCDrives

［C］.IndustrialElectronics，IEEEInternationalSymposiumon，

2007：3168-3173．图1112000r/min有容错控制逻辑相电流波形输出转矩波形对比如图12所示。计算输出转矩的数据，两个周期内无开关故障时，转矩平均值9.39N·m，标准差0.48；开关故障后无容错控制逻辑时，转矩平均值7.61N·m，标准差2.32；有容错控制逻辑时，转矩平均值8.35N·

m，标准差1.91。可以看出添加容错控制逻辑后电（下转第39页）