高可靠永磁同步電動機及其控制技術研究
王建寬，張東寧，錢兒
(中國電子科技集團公司第一十一研究所，上海200233)
摘要：文章以冗余和容錯兩個方而闡述了永磁同步電動機及其控制系統的可靠性設計技術，討論了雙余度電機、容錯電機、橫向磁場永磁電機的結構特點及其控制方式，在此基礎匕進一步研究了永磁同步電動機的故障辨識技術和容錯控制技術，研究內容為今后該技術的進一步研究打好了基礎。
關鍵詞：余度；容錯；橫向磁場；辨識
O引言
近年來，隨著電力電子技術、電機控制技術及微處理器技術的發展，永磁同步電動機控制技術正朝著高效率、高性能及智能化方向發展。在一些特殊領域，如航空航天、武器裝備及電動機車等領域，可靠性是一項重要指標。因此，對高可靠性永磁同步電動機及其控制系統的研究，具有非常重大的理論和現實意義。
可靠性是指產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力。在分析總結國內外可靠性技術的研究成果和****進展，將永磁同步電動機及其控制系統可靠性技術歸納為冗余技術和容錯技術[1]，冗余技術是通過增加多重資源來提高可靠性的設計方法，其代表性研究為雙余度永磁同步電動機及其控制系統。隨著數字信號處理器及現代控制技術的發展，基于參數辨識技術的永磁同步電動機容錯控制技術成為了研究的熱點，系統根據參數辨識結果，檢測系統運行狀態，根據故障情況改變控制方式，實現系統重構，保持系統性能不變。其代表性的永磁同步電動機系統為容錯電動機、多相電動機和橫向磁場永磁電動機等
本文從永磁同步電動機的結構、控制策略、電路拓撲結構及電動機容錯辨識及容錯控制等方面較系統闡述上述高可靠性永磁同步電動機及其控制系統的工作方式、研究現狀及其存在的問題，以期推動我國在該領域的研究。
1雙余度永磁同步電動機控制系統研究
實現余度控制一般有兩種形式：冷備份和熱備份。冷備份是指在正常情況下，只有一個余度正常工作，另一余度不工作，當系統出現故障時，立刻切除發生故障的余度．同時另一余度開始工作；熱備份是指在正常情況下，兩余度同時工作，當某一余度出現故障時，系統切除發生故障的余度，啟用單余度方式。為了提高系統的利用率，在電機的余度控制系統中一般采用雙余度的熱備份控制方式。國內對雙余度永磁電機及其控制系統進的研究主要集中在西北工業大學、北京航空航天大學和南京航空航天大學。
1.1雙余度永磁同步電動機基本結構
根據雙余度永磁同步電機在結構上的不同，可分為兩種類型：并聯結構型和串聯結構型[2]。
串聯結構型永磁同步電動機是由兩個獨立的永磁電機同軸同殼安裝，如圖l所示，它有兩套獨立的繞組，兩個分開的轉予及兩套位置傳感器，但具有共同的電機軸。在該結構中，幾乎不存在兩套繞組問的磁耦合現象，控制簡單；但其實際上是由兩臺電機串聯組成的，因此體積較大；同時一個電機發生故障時，該電機會成為另一臺電機的負載，從而使得電機的機電時間常數變大，動態特性降低。
并聯雙余度結構只有一套定轉子，定子鐵心上隔槽嵌放著兩套獨立的電樞繞組及相應的兩套位置傳感器，共用電機軸及定轉子，雙套繞組是由兩套空間相差30。電角度的三相集中繞組構成，采用雙Y形接法，形成并聯式雙余度結構。其結構示意圖如圖2所示。與串聯式雙余度結構相比，并聯式結構減小了系統的體積，但電機繞組嵌放網難．并且兩套繞組間存在磁耦合，因此控制結構較復雜。
1．2雙余度永磁同步電動機控制系統技術
圖3為一種雙余度永磁同步電動機控制方案。該系統具有兩套驅動器、兩套位置傳感器、兩套CPU控制器，兩個CPU通過相互之間通訊。雙余度工作時，CPU處于主從備份工作模式，一個CPU控制兩個驅動器，當CPU發生故障時，另一個CPU接管故障CPU的任務，這種工作方式避免了兩個cPu控制的同步性問題；正常工作時，兩套繞組或兩臺電機同時工作，當某一套繞組或一臺電機發生故障時，系統可從雙余度工作模式轉為單通道工作模式；
當某一套驅動器發生故障時，系統同樣從雙余度工作模式轉為單通道工作模式，從以上分析可知，該控制方案從結構上解決了永磁同步電動機的完全雙余度控制。
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