高可靠电机系统主动变结构与容错控制技术

司宾强,黄玉平,朱纪洪,于航

1. 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院,北京 100192

2. 北京精密机电控制设备研究所,北京 100076

3. 清华大学 精密仪器系,北京 100084

4. 广西大学 机械工程学院,南宁 530004

随着科学技术的发展和进步,国内外对航天发射的成本越来越重视和敏感,尤其是国内外正在大力开展的可重复使用商业航天发射活动越来越频繁,都是在尽最大可能提高重复利用率来压缩发射成本,其实质就是对整个发射系统的可靠度提出了非常高的要求,将原来的单次高可靠度要求提高到了多次高可靠度要求,尤其是对伺服作动系统的可靠度提出了非常高的要求。作为电动作动器的核心关键设备,电机系统的可靠度和功率密度关乎整个航天发射任务的成败和成本。

为了提高电机系统的可靠度通常采用余度技术,通过采用冗余备份的方式,提高电机系统的可靠度,但是这种方式不仅增加了系统重量和复杂度,也容易带来其他问题,比如故障通道会成为系统额外负载、通道之间的力纷争等问题。除了上述手段,还可以通过提高各组成部分的可靠度来达到提高整个系统可靠度的目的。在电机方面,采用双三相电机、串联式电机(定子分段,共用同一个转子)、多相模块化电机、独立绕组电机等；在驱动器方面,采用开关冗余、桥臂冗余、H桥、重构驱动拓扑等；在控制器方面,采用多核芯片、可编程逻辑器件等。这些方式相当于采用内部冗余的方式提高系统的可靠度,可称之为内余度技术,而前面采用外部冗余备份的方式,可称之为外余度技术。为了保证安全可靠,目前国内外的航天伺服系统通常采用多余度,较为常见的是四余度。但是,伴随多余度策略随之而来的是重量和体积的增加,不利于保持航天器内部结构的紧凑性,还增加了燃料成本。而且在航天应用场景中,航天器结构、重心、惯量随时变化,工况复杂,对伺服执行机构的需求也随之变化,经常要求额定负载扭矩输出下的转速提升,或者额定转速下的扭矩输出增加等,这就要求电机系统具备较强的过载能力和适应能力。传统方式是采用多套电机系统分别执行不同的负载需求,这就使得系统重量、体积大幅度增加,系统动态性能下降,难以满足未来航天伺服系统发展需求。为此,本文提出了一种高可靠电机系统,采用可变结构的绕组和驱动拓扑,电机系统具备主动变结构的能力,适应性强,可靠性高,驱动器、电机本体等具有很强的容错能力,在发生故障时能够通过容错控制技术,实现系统带故障运行,能够更好地、高性能地、高可靠地适应航天器对伺服执行机构的负载变化和性能要求的变化。

1 变结构容错式电机系统技术

航天伺服系统工况特殊,对电机的转矩、转速、可靠性以及整个系统的体积、重量、振动、噪声等均有较高要求。为了适应航天器结构、重心的变化,满足不同的工况所需,目前伺服执行机构通常采用多电机+离合器架构,或采用多套不同功率等级的系统。这些方法缺点明显,系统复杂、体积大、重量重、机械噪声和震动大、发射成本高,而且传统的任务剖面包络设计方案也不能保证所有工况都具备最优性能。

这就是航天多工况所带来的技术难点。首先是设计上的难点。航天任务通常多采用包络设计,要求每个任务设计,必须在所有的工况下,都能达到预定的性能,不仅设计难度大,而且不可能得到优化设计。其次,是保证航天任务的工作可靠性的难题。每个任务设计,在不同工况下,系统状态很难保持在最优状态(比如,伺服电机有10 kW 工作状态,此时驱动器脉冲宽度调制(Pulse width Modulation,PWM)占空比为0.95；若负载工况变为1 kW,则占空比约为0.1,此时系统处于很复杂的状态)。

航天器的惯量是伺服机构的主要负载之一,航天器结构变换后,惯量就会变化,伺服系统的工况也就变了。这就是本文提出变结构容错式电机系统技术的初衷,目的是突破上述技术难点,使得伺服系统能够满足和适应航天工程提出的高要求；同时该技术兼具容错功能,能够保证伺服系统在变结构时切换过程的快速、准确、稳定,大大提升了系统的可靠度。当航天器系统结构发生变换后,意味着电机的负载发生了变化,此时希望可以通过控制开关主动切换绕组的连接方式,获得新的绕组结构和电机参数,从而在电气上调节输出转矩和转速,实现电气齿轮的功能。变结构电机既可以输出高转矩,同时有可变的调速范围,具备直驱能力,某些情况下可直接代替传统减速箱,解决了中间传动机构传动误差和能量损耗的问题,简化了驱动系统,系统整体质量轻、振动噪声小、控制精度高、动态响应快、能量损耗小,也降低了系统成本和维修复杂度。而且,系统也具有容错能力,发生故障后可通过改变绕组与驱动拓扑的连接方式实现故障隔离,带故障也可容错运行,正常完成转矩和转速的输出任务,可靠性高。既能采用各组成部分自身的容错能力来代替冗余技术,通过较小的代价来大幅度提升系统工作可靠性；又能根据负载、约束、输出能力等工况变换,采用主动变结构技术,保证系统在工况大范围变化时保持系统高性能输出。

2 国内外研究现状

本文讨论的变结构主要指驱动拓扑及绕组拓扑的可重构,这类变结构电机在运行过程中可改变绕组结构,从而在线改变电机参数,适应不同的工况变化,属于磁通可调电机[1]。这些拓扑或绕组的“重构”实质上都是整个电机系统拓扑结构-电机绕组及驱动器在连接形式上的变换,不管怎么千变万化,其在原理上仍然是一致的、相通的。

绕组结构的重构技术由电机的变极调速发展而来,目的是为了改善电机的转速特性和转矩特性。由于电机大多采用星型连接方式,可用的重构拓扑主要有3种,即绕组的星三角换接、串并联换接以及变绕组匝数换接。

随着半导体技术的发展,20世纪90年代左右出现了一种新颖的电机结构：开绕组电机(Open Winding Electric Machine, OWEM)结构。所谓的开绕组结构即双逆变器结构,将普通星形连接方式绕组的中性点打开,不改变电机原本的电磁设计和定转子机械结构,将每相绕组引出的2个抽头均接到逆变器上。由于每相绕组都是一个H桥,因此也叫独立H桥结构。相比于传统接线方式,双逆变器的使用使得开绕组拓扑的控制策略更加灵活,电源供电模式多样,可输出多电平,而且拓扑结构具有冗余性,特定情况下可容错运行。有学者基于这种双逆变器结构,在电机的特定绕组间加入开关,通过控制开关的闭合来改变绕组的连接方式,配合双逆变器的单独运行或同时运行,实现了改变电机参数的效果。电机拓扑灵活,有多种运行模式。和传统换接方式的对比如表1所示。

表1 重构方式对比

但这种在绕组抽头间增加开关的方法同样存在问题,整个系统模式切换的可靠性过于依赖于绕组间开关的可靠性,当负责换接功能的开关发生断路或短路故障时,系统将会失去变结构能力,严重时甚至无法正常工作。而本文提出了一种全新的拓扑,对逆变器模块部分加以改进,绕组抽头间不设硬件开关,完全依靠功率管间的配合实现换接功能,而且具有多种运行模式,重构/容错自由度更大,具备在驱动器和电机绕组发生故障的二度故障-工作能力,即在驱动器发生开路/短路故障时通过驱动拓扑重构隔离开故障,实现了驱动器故障容错,此时电机绕组再发生开路/短路故障,仍然可以通过容错控制的方式,实现系统的正常工作,可以大幅度提升电机系统的可靠性。

3 变结构电机系统技术

本文设计的变结构容错电机系统架构如图1所示,主要由3部分组成,分别为变结构控制器、可重构容错式驱动拓扑结构和变结构容错电机。其中可重构容错拓扑为基础,结合故障诊断算法、故障容错控制算法、系统拓扑的结构变化算法,共同组成一个相辅相成的有机整体。整个电机系统具有变结构能力和容错能力,可满足多工况和高可靠性应用场合需求。

图1 变结构电机容错系统架构

3.1 可变结构驱动拓扑

为了使驱动器各组成部分具有更好的独立性和在线快速重构的能力,本文设计的拓扑以模块化电机为基础,单个模块的拓扑单元如图2所示。该拓扑是在独立H桥结构的基础上加以改进,每3组全桥增加了4个功率开关,使得拓扑不仅具有独立H桥驱动拓扑控制灵活的优点,还具有结构可变的能力,冗余出的开关也确保了高可靠性和强容错性。

图2 可变结构驱动拓扑模块

如图3所示,每个模块的拓扑都具有变结构能力,每相绕组既可以用H桥独立驱动,也可以通过控制功率开关的配合,实现驱动拓扑结构的变换,图中粗实线即为串联模式下的接线回路。

图3 可变结构驱动拓扑模块重构后电气路径

为了体现出不同模块的不同绕组间反电动势相位的差异与联系,本文将属于同一模块的三相绕组用相同的数字下标,并将相位相同的绕组用统一的字母下标,图3中的a1、b1、c1即为同一个电机模块中的相。则电机在线变结构的具体结构变换步骤如下：

1) 令功率开关T11、T12、T13和T14处于关闭状态,将功率管与电源断开。从而使得绕组a1和b1所在H桥的右半桥臂处于悬浮状态,以及b1和c1所在H桥的左半桥臂处于悬浮状态。

2) 令处于悬浮状态的桥臂上的上部(或下部)功率管2Q1、3Q1、2Q3和1Q3(或2Q4、3Q4、2Q2和1Q2)处于关闭状态,同时令下部(或上部)功率管2Q4、3Q4、2Q2和1Q2(或2Q1、3Q1、2Q3和1Q3)处于常通状态,从而三相绕组a1、c1和反向的b1串联成新的一相绕组W1。

3) 新绕组W1由原有绕组a1的左半桥臂和原有绕组c1的右半桥臂组成新的独立H桥来驱动。

4) 其他模块变换步骤亦如此,不再赘述,不过需要注意,每个模块中需要根据串联后的相位需求来选择对应的反向串联的绕组。

可以看出,结构变换后每个模块只有4个功率管需要跟随指令动作,其他功率管持续处于常开或常闭状态。因此,当某些功率器件发生开路或者短路故障时,就可以采取上述变结构步骤,规避相关功率器件的使用,排除故障的影响,将多相电机转化为三相电机继续运行,达到故障容错的功能。

3.2 变结构容错电机拓扑

本文以九相电机为分析对象,基于第3节所述的变结构电机和高可靠性容错思路设计了拓扑,如图4所示。整个拓扑共用48个功率管,相比于九相电机,考虑到功率管的散热,驱动器的体积需稍有增加,重量基本不变,而且多了变结构的功能。

图4 九相变结构驱动拓扑架构

为了验证所提出的变结构电机系统技术理论的正确性和有效性,同样设计了一台18 kW的18槽12极的变结构永磁容错电机,如图5所示。

图5 变结构容错电机

电机的定子绕组齿由无绕组齿间隔开来,在物理上保证了各相绕组之间的独立性,相邻模块之间相互解耦,可减少相间短路故障,提高电机的可靠性,也保证了各相绕组之间在磁路上的独立性,进而利于电机系统结构可变。转子永磁体采用了表面贴装的Halbach永磁体阵列结构,既能够增强气隙磁密(约1.414倍),又能够让反电动势波形更加接近正弦波形。

电机采用模块化设计,控制灵活,而且各模块可独立运行,转矩输出可以做近乎线性的数学运算操作,变结构后也能够满足系统所需的扭矩和速度性能指标要求。

3.3 变结构控制器

变结构控制器在功能上主要包括控制算法模块、栅极驱动与故障隔离模块、故障诊断模块、驱动拓扑重构模块和重构开关模块等组成(见图1和图4)。其中重构与容错控制算法模块主要用来解算上级控制器发送过来的(重构)控制指令,以及解算转子位置传感器测得的电机转子的速度和位置信号,产生控制电机旋转的指令,实现电机的运动控制；同时根据故障诊断结果发送故障隔离和驱动拓扑重构指令,防止故障的进一步蔓延,进而保证非故障部分还能够正常工作,并通过驱动拓扑重构实现故障隔离功能,并启动容错控制算法使得重构后的驱动拓扑能够满足正常工作需求。栅极驱动与故障隔离模块主要用来将控制算法模块产生的控制功率器件的信号进行功率放大,进而驱动控制功率器件的开关,实现功率器件的栅极驱动和故障隔离功能。故障诊断模块主要根据采集的电机各相电压和电流等信息,进行故障检测和故障诊断处理,将诊断处理的故障上报控制算法模块和驱动拓扑重构模块。驱动拓扑重构模块根据重构指令在硬件和软件上控制重构开关,将驱动拓扑结构进行变换,进而可以控制变结构容错电机,最终实现整个电机系统的结构可变,既可以通过变换系统结构来满足航天器结构变换前后的工况需求；而且,在发生故障时,又可以实现容错控制,满足航天器高可靠性的工作需求。

3.4 变结构控制思想及算法

本节主要以3.2节的单层集中式绕组拓扑结构的变结构永磁容错电机为研究对象,由于每相绕组的反电动势为正弦波,且每相绕组采取独立控制,因此可以结合3.1节提到的可变结构式驱动拓扑结构,进行若干个绕组的变结构组合。以3.2节所设计的电机(图5)为例,其A相到I相的磁链波形如图6所示,从波形上可知,其每相绕组磁链为相位相差120°的正弦波,由此可知其反电动势也是相差120°的正弦波。

图6 九相变结构电机磁链波形

在变结构前,九相绕组的反电动势为

(1)

式中：e为反电动势符号；E为转速为ω时的反电势幅值,a1,a2,…,c3代表相应相绕组;θ为电气角度。

给每相绕组通入幅值为I,相位与反电动势相同的电流后,可得重构前电机总功率为

P=4.5EI

(2)

可求得转矩为

T=P/ω=4.5EI/ω

(3)

反电动势系数为

Ce=E/ω

(4)

转矩系数为

CT=T/9/I=0.5E/ω

(5)

由式(4)和式(5)可以看出,变结构前九相电机的反电势系数和转矩系数和单个模块电机的参数相同,转矩、功率等参数也是3个模块对应参数的线性叠加,因此可等效于3个三相电机,这就是模块化电机的特点。不仅如此,各个模块独立可控,可分别运行,因此不仅可以实现3个三相,还能够实现2个三相,1个三相的等效。例如只对a1、b1、c1相通电,此时只有一个模块运行,相当于1个三相电机,不过此时绕组利用率较低。同理,只运行2个模块即可等效为2个三相电机。

现在计算变结构后的参数变化。根据系统需求,经由控制器发送变结构控制指令,使得可变结构驱动拓扑结构发生变化,从而使得绕组的连接关系发生变化,经过变结构后,则新三相绕组的反电动势为

(6)

将式(6)整理可得

(7)

给重构后新的每相绕组通入与反电动势同相位的电流,且电流幅值与重构前保持一致,可得重构后电机总功率为

(8)

可求得转矩为

T′=P′/ω=3EI/ω

(9)

反电动势系数为

C′e=2E/ω

(10)

转矩系数为

C′T=T′/3/I=E/ω

(11)

图7为变换前后的反电势向量图。由式(7)可知,与变结构前反电动势相比,变结构后(黑色实线)新三相绕组的反电动势幅值为变结构前(灰色细线)的2倍,新三相绕组之间相位差为2π/3,每相绕组反电动势相位较变结构前超前了π/3,变结构后的新三相绕组由新的三相独立H桥驱动拓扑进行驱动,构成新的三相电机系统,另外,拓扑变换后较之前省去了一半的独立H桥驱动拓扑的PWM信号,一定程度上可以减少功率管的开关损耗,延长开关管寿命,提升系统可靠性。

图7 重构前后反电动势相量图

这是全部绕组都参与重构的情况。当每个模块中只串联两组绕组时,例如a1和b1方向串联,b2和c2反向串联,c3和a3反向串联,此时构成的新三相绕组的反电势相位差2π/3,仍等效为三相电机。此外,本例中每个拓扑模块是由同一个电机模块中的三相绕组组成的。由于独立H桥的特殊结构,各相绕组相互独立,因此接线顺序与拓扑中的位置无关,例如相位相同的两相绕组与一相位不同的绕组反向串联,即a1、a2、-b3串联(记为重构模式2),可得新三相绕组的反电动势为

(12)

将式(12)整理可得

(13)

控制重构后每相绕组通入与反电动势同相位的电流,且幅值与重构前保持一致,可得重构后电机总功率为

(14)

可求得转矩为

T‴=P‴/ω=3.975EI/ω

(15)

反电动势系数为

(16)

转矩系数为

C‴T=T‴/3/I=1.325E/ω

(17)

由式(13)可知,与变结构前反电动势相比,如图8(a)所示,变结构后(黑实线)新三相绕组的反电动势幅值为变结构前(灰细线)的2.65倍,新三相绕组之间相位差为2π/3,每相绕组反电动势相位较变结构前绕组相位有所超前,变结构后的新三相绕组由新的三相独立H桥驱动拓扑进行驱动,构成新的三相电机系统,转矩系数变比为2.65。当然,电机系统变结构方式不止一种,还有其他的组合方式,如图8(b)～图8(d)所示,记为重构模式3～模式5。

图8 重构前后反电动势相量图

将重构前后以及其他几种接线工作模式下的各项参数对比数据列于表2中。在航天工程中,可以根据需要进行在线变换拓扑结构,以达到满足所需航天器结构变换前后造成惯量变换,保持相同速度运行下的转矩变换的需求。

表2 重构前后参数对比

3.5 驱动拓扑容错重构

本节分析功率管发生开路或者短路故障时的重构策略,如图3中的2Q4发生短路故障时,通过在线结构重构(粗实线所示),将T11、T12、T13和T14与电源断开,将1Q2、2Q2、2Q4和3Q4常通,等效为导线,这样可将a1、b1和c1串联等效成为一个新的绕组,并由1Q1、1Q4、3Q3和3Q2组成新的H桥驱动拓扑；除此之外,还可以将左半部分的电源关闭,在控制器中将1Q1、2Q1和3Q1设置为常断,将1Q4、3Q4和T12设置为常通,这样就将各个绕组的左边端点全部短接在一起了,将H桥驱动拓扑重构为星型拓扑了,这2种重构策略都可以将故障点从系统中隔离开,即可排除故障对电路的影响,实现容错功能,保证系统能够正常运行。当2Q4发生开路故障时,冗余的功率管可立刻重构绕组,将T11、T12、T13和T14与电源断开,将1Q3、2Q3、2Q1和3Q1常通,等效为导线,这样可将1W1、1W2和1W3串联等效成为一个新的绕组,并由1Q1、1Q2、1Q3和1Q4组成新的H桥驱动拓扑；除此之外,还可以将左半部分的电源关闭,在控制器中将1Q1、2Q1和3Q1设置为常通,将1Q4、3Q4和T12设置为常断,这样就将各个绕组的左边端点全部短接在一起了,将H桥驱动拓扑重构为星型拓扑了,这2种重构策略都可以将故障点从系统中隔离开,如图9所示,实现了故障容错,功能上与正常时无异。同理,类似支路上的其他位置的功率管发生故障时也可通过串联的功率管保持电路的正常运行。

图9 开路故障容错重构

3.6 绕组故障容错控制

当某些功率管发生故障导致拓扑不能重构时,例如图10所示,1Q4发生开/短路故障,或者是在本文3.5节中驱动器发生了故障,并且通过重构进行了容错控制后,若此时又发生了绕组的开路或者短路故障,那么可将这里的2类故障统一等效为多相容错电机的绕组开/短路故障,通常绕组故障一般以故障前后输出转矩不变为控制准则,将对应的绕组开/短路容错进行容错控制,方法可参见文献[47],从而使得系统具备了在驱动器和电机绕组同时发生故障的二度故障-工作能力,实现了系统的正常工作,进而可以大幅度提升电机系统的可靠性,尤其适合于高可靠性应用场合,比如航空、航天、航海等。

图10 等效绕组开路故障

4 性能分析与试验

为了验证上述算法的正确性,本节对比分析变结构前后电机绕组的磁链,反电动势和转矩的变化,给出了实际测试变结构前后绕组的反电动势的实验结果。

4.1 磁链仿真

电机本体的性能一般通过磁链和电感来反映,图11即为电机绕组重构前后的磁链与电感。由图11可知,重构前后各相绕组磁链都是相互解耦的,每相绕组的磁力线经由绕组齿—气隙—永磁体—气隙—无绕组齿—定子轭—绕组齿形成独立、封闭的磁通回路,而与其他相绕组的磁场并无交联,这可以通过图11(c)和图11(d)中的电感—互感值几乎为零得到验证。这也验证了本文所设计的电机满足了3.1节中对可变结构电机需要具有模块化、独立、相互解耦的特性要求,从而在电机本体上奠定了变结构基础。

图11 重构前后的磁链图与电感对比

4.2 反电势仿真

图12为九相永磁容错电机在变结构前后反电动势仿真和试验波形。

图12(a)中实线为变结构前的反电动势波形,点划线为变结构后的反电动势波形,后者在幅值上为前者的2倍,变结构后的每相绕组相位较变结构前的绕组相位超前了π/3,与前述计算过程(式(1)～式(7))相符,验证了所提出的绕组变结构策略的正确性和有效性,达到了变结构的目的,可以满足航天器结构变化后的扭矩需求的变化。图12(b)中示波器通道1为变结构后的反电动势波形,通道3为变结构前反电动势波形,通过对比仿真与试验图可知,试验与理论仿真波形是一致的,从而也验证了本文所提出的变结构电机系统在理论上和工程上均具有正确性和可实现性。

图12 变结构前后反电动势对比

4.3 转矩仿真

本文提出的拓扑有多种运行模式。当作为模块化电机运行时,系统可工作在1个三相或2个三相模式；当每个模块均工作时即等效为3个三相电机；重构后等效为1个三相电机,新组成的每相绕组由2组或3组绕组串联而成,这也构成了2种工作模式。

图13 电机不同模式下转矩/反电势变化图

图14为电机变结构前后的转矩和电流仿真图。起初电机在九相模式下正常运行,由于电机模块化的特点,3个模块完全相同,每个模块对应的相电流的幅值和相位也相同,例如a1、a2、a3,其电流波形完全相同,因此图中统一用A相电流表示。换接后成为三相电机,每相的电流如图所示。换接前三相电流幅值较小,输出40 N·m的转矩。0.1 s时系统收到换接动作指令,随后电流的幅值和相位均发生变化,转矩在换接瞬间有所跌落,在经历10 ms的调整后迅速恢复稳定,基本不会对负载产生影响。即,只要重构时间足够短,对执行机构输出影响就非常小,反映到输出上是有个短暂的波动,切换完成后,输出又恢复稳定,那么对飞行器的控制稳定就是微乎其微的,类似于短暂的阵风干扰。

图14 绕组换接时转矩/相电流变化图

5 结 论

针对航天器多极端工况、大范围变化,传统方法是采取任务剖面包络设计,必然不能保证所有工况都具备最优性能,为了满足航天任务此类需求,本文提出了一种变结构电机系统,采用可变结构的绕组和驱动拓扑,使电机系统具备主动变结构以适应不同工况的能力,在主旨上是为了更好地、高性能地适应航天器对伺服执行机构的负载变化和性能要求的变化。还能够在电机绕组或者驱动器发生开路/短路故障时,甚至是在驱动器发生了开路/短路故障,通过结构变换,隔离掉故障部分以后,还能够承受绕组发生开路/短路故障,通过采用容错控制算法使得剩余正常部分继续运行,保证平稳正常输出,使得系统具备二度故障-工作的能力,从而能够极大地保证航天任务顺利进行。除此之外,如果对电机磁路进行特殊设计,使其在发生绕组匝间短路故障时的短路电流控制在有限范围内,比如2～3倍额定电流,这样就能保证电机不会被烧毁,只是增加了电机系统的转矩脉动,通过控制算法,也能保证系统的平稳输出,进而也能够保证飞行器的姿态稳定。

通过理论推导、仿真和试验,对本文提出的变结构电机系统技术进行了验证,证明了其在理论和工程上的正确性和有效性,为在航天工程上应用奠定了一定的基础。

目前关于变结构电机系统的研究,其在结构上进行主动或者被动变化,还是需要接受上级控制器的重构指令,今后发展趋势和方向是结合智能控制技术,其能够根据航天器结构、任务变化进行自适应的重构系统。