無刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current Motor,BLDCM）以其結(jié)構(gòu)簡單、功率與轉(zhuǎn)矩密度大、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空航天領(lǐng)域功率電傳系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的首選。BLDCM作為電傳系統(tǒng)關(guān)鍵執(zhí)行元件，一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)威脅飛行安全。為提高其可靠性，國內(nèi)外正廣泛開展BLDCM系統(tǒng)冗余與容錯(cuò)技術(shù)的研究[3-12]，主要包括驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制策略三個(gè)方面。

目前對(duì)于三相繞組容錯(cuò)控制的研究大多數(shù)是針對(duì)三相逆變器的故障情況，而對(duì)于電機(jī)繞組的故障分析也集中在繞組開路路障，對(duì)繞組相間短路故障研究較少。文獻(xiàn)[3-6]提出了兩種BLDCM調(diào)速系統(tǒng)三相容錯(cuò)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)逆變橋發(fā)生短路故障時(shí)，通過熔斷器進(jìn)行故障支路切除，將短路故障轉(zhuǎn)換為開路故障進(jìn)行處理，同時(shí)啟用備用橋臂進(jìn)行容錯(cuò)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)短路容錯(cuò)控制，但增加了驅(qū)動(dòng)器成本，并且熔斷器響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)，難以及時(shí)保護(hù)。

文獻(xiàn)[7-12]提出了四相、五相或雙繞組BLDCM冗余容錯(cuò)控制方法，故障后啟用備用繞組容錯(cuò)運(yùn)行，在電機(jī)匝間或繞組發(fā)生短路情況下能夠容錯(cuò)運(yùn)行，但增加了電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

在BLDCM長期帶載運(yùn)行過程中，繞組引線過熱、絕緣層老化或機(jī)械損壞等原因可能造成相間短路。繞組相間短路后，短路相的電流急速上升，電流變化率或電流絕對(duì)值過大都會(huì)造成逆變器功率管損壞等二次故障，導(dǎo)致電機(jī)控制系統(tǒng)功能喪失。

本文提出一種BLDCM兩相短路容錯(cuò)控制策略。該策略通過在電機(jī)繞組設(shè)置電流檢測(cè)元件，對(duì)電機(jī)三相電流進(jìn)行檢測(cè)，將連續(xù)兩次檢測(cè)值的差值作為特征量進(jìn)行故障定位；根據(jù)定位結(jié)果，改變逆變橋功率管導(dǎo)通次序、導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)四步換相容錯(cuò)運(yùn)行。

該策略無需改變常規(guī)BLDCM驅(qū)動(dòng)器硬件結(jié)構(gòu)或增加電機(jī)繞組數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)BLDCM在繞組兩相短路故障后系統(tǒng)仍穩(wěn)定可靠工作。針對(duì)兩相短路容錯(cuò)控制時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的情況，本文通過改變調(diào)制方式進(jìn)行轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制。

圖1 三相BLDCM容錯(cuò)系統(tǒng)等效電路

圖12 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)論

本文提出了BLDCM兩相短路的四步換相容錯(cuò)運(yùn)行方法，該策略可以在1~2個(gè)PWM周期內(nèi)完成故障定位并有效地控制電機(jī)在發(fā)生兩相短路故障后穩(wěn)定運(yùn)行，容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)非故障相相電流峰值接近正常運(yùn)行時(shí)的1.5倍，故障相相電流峰值接近正常運(yùn)行時(shí)的1.25倍，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加20%，轉(zhuǎn)速波動(dòng)在5%以內(nèi)。對(duì)本文提出的容錯(cuò)控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果與理論分析有較好的一致性。

該控制策略具有以下優(yōu)點(diǎn)：①無需增加逆變橋臂數(shù)量與熔斷保護(hù)電路；②沒有增加電機(jī)繞組余度數(shù)目；③有效提高了BLDCM系統(tǒng)可靠性。