薛榮澤 蔣雪峰 孫延超 湯欣喜 高宇飛 魏之建 馬 凱

(1.南京理工大學(xué)自動化學(xué)院 南京 210094；2.中國航天科工南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司 南京 210006)

1 引言

導(dǎo)彈舵機(jī)是導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，是導(dǎo)彈方向控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。導(dǎo)彈舵機(jī)系統(tǒng)是一個高精度的位置伺服系統(tǒng)，導(dǎo)彈能按照一定軌跡在空間中飛行，需要舵機(jī)帶動并隨時校正方向，因此導(dǎo)彈舵機(jī)的性能將直接影響導(dǎo)彈的動態(tài)品質(zhì)和命中目標(biāo)的準(zhǔn)確率[1]。由于電動舵機(jī)伺服系統(tǒng)簡單可靠、易于控制且成本較低，對電動舵機(jī)伺服系統(tǒng)的研究在軍事科技領(lǐng)域引起了許多學(xué)者的關(guān)注和深入研究[2-3]。隨著電力電子技術(shù)和交流伺服技術(shù)的不斷發(fā)展，目前電動舵機(jī)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，提高了高性能電動舵機(jī)伺服系統(tǒng)研究開發(fā)的可能性[4]。而電動舵機(jī)系統(tǒng)采用電機(jī)驅(qū)動，不可避免會出現(xiàn)電氣故障[5]，電驅(qū)動系統(tǒng)中開路故障是最常見的故障類型之一，若發(fā)生故障后未采取容錯控制策略，將會導(dǎo)致繞組過熱、絕緣損壞、轉(zhuǎn)矩降低的一系列問題，甚至?xí)p壞整個系統(tǒng)[6-9]。因此，目前國內(nèi)外研究的主要方向之一就是開路故障下多相電機(jī)的容錯控制策略。

傳統(tǒng)電動舵機(jī)多采用三相永磁同步電機(jī)的三環(huán)位置伺服系統(tǒng)[10]。而傳統(tǒng)三相永磁電機(jī)的三相半橋驅(qū)動系統(tǒng)在發(fā)生缺相故障后無法進(jìn)行容錯運(yùn)行，在需要可靠性應(yīng)用的場合，通常采用具備容錯能力的三相永磁電機(jī)拓?fù)湎到y(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的容錯運(yùn)行[11-12]，但是也會帶來體積重量大、系統(tǒng)利用率低以及無法抑制短路電流等問題。而相較于傳統(tǒng)的三相永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，多相永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有更高的功率密度，高控制自由度和強(qiáng)容錯能力等特點(diǎn)[13-14]，高控制自由度使得電機(jī)能夠在不增加任何額外硬件措施的情況下實(shí)施容錯控制，將其應(yīng)用于導(dǎo)彈舵機(jī)系統(tǒng)中可以解決傳統(tǒng)三相永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在采用容錯拓?fù)鋾r系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。

針對多相電機(jī)控制策略和容錯運(yùn)行策略的研究，文獻(xiàn)[15]建立了五相永磁電機(jī)開路故障后基波電流平面與三次諧波電流平面的關(guān)系，通過離線計算求得了三次諧波平面的擾動系數(shù)，通過注入三次諧波的方法減少了故障帶來的轉(zhuǎn)矩脈動，并且縮短了運(yùn)行模式的切換時間，該方法有效地減少了故障帶來的轉(zhuǎn)矩脈動。文獻(xiàn)[16]基于故障前后旋轉(zhuǎn)磁動勢不變的原理，重構(gòu)了剩余自由相電流的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的容錯運(yùn)行，但由于采用電流滯環(huán)控制，存在開關(guān)頻率不固定和電流波動大的問題。文獻(xiàn)[17]通過分析不同情況下缺相容錯電流的表達(dá)式，提出二次旋轉(zhuǎn)變換對電機(jī)磁場定向解耦，該算法可以提高電機(jī)的容錯運(yùn)行能力，但其計算復(fù)雜度高。文獻(xiàn)[18-19]基于五相永磁電機(jī)提出模型預(yù)測電流控制的方法抑制共模電壓，并在代價函數(shù)中引入了三次諧波電流有效減小了諧波電流占比。文獻(xiàn)[20]基于五相電機(jī)采用模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)容錯控制，通過查表的方法篩選可以利用的矢量集合，從而減小了遍歷次數(shù)，簡化了運(yùn)算過程。但現(xiàn)有研究鮮有對多相永磁電機(jī)伺服系統(tǒng)的容錯性能進(jìn)行研究，有待于進(jìn)一步研究多相電機(jī)伺服系統(tǒng)的容錯控制策略。

本文針對現(xiàn)有導(dǎo)彈電動舵機(jī)系統(tǒng)功率密度低和容錯拓?fù)潆娐废到y(tǒng)冗余利用率低的問題，提出一種基于降階解耦的五相容錯伺服電機(jī)(Permanent magnet fault-tolerant servo motor，PMFSM)驅(qū)動控制系統(tǒng)的單相故障容錯控制策略。首先，提出了適用于單相開路故障的Clark 和Park 變換矩陣，得到了單相開路故障下的電機(jī)解耦控制模型；然后，對故障后不對稱運(yùn)行而引起的中性點(diǎn)偏移問題進(jìn)行電壓補(bǔ)償，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出單相缺相后的基本空間電壓矢量，在基波平面采用虛擬矢量法，用8 個利用率較高的基本矢量合成4 個虛擬矢量，再利用2 個基本電壓空間矢量，將基波平面分成了6 個扇區(qū)，通過對6 個扇區(qū)的劃分和6 個非零空間電壓矢量的合成得到基波平面的參考矢量，在3β脈振軸上只需要用到2 個方向的4個非零矢量就可以實(shí)現(xiàn)對脈振軸空間電壓矢量的合成，為抑制兩個子域的耦合，矢量的作用時間有一定的約束關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)兩個子平面的共同調(diào)制；最后，針對上述控制策略，進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)的分析，結(jié)果均驗(yàn)證了上述容錯控制策略的正確性。

2 五相PMFSM 驅(qū)動系統(tǒng)

一種基于五相PMFSM 的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括一臺五相PMFSM，一套五相半橋逆變器和一個獨(dú)立的400 V 直流電源。由于五相容錯伺服電機(jī)的高控制自由度，可以在發(fā)生單相繞組開路故障時仍具有3 個自由度，因此在不增加任何硬件措施下就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的容錯運(yùn)行，具有強(qiáng)容錯性和高電氣隔離能力。

圖1 五相PMFSM 的驅(qū)動拓?fù)?/p>

五相PMFSM 的本體如圖2a 所示，繞組分布如圖2b 所示，電機(jī)采用10 槽8 極分?jǐn)?shù)槽雙層集中繞組結(jié)構(gòu)，兩相槽間隔電角度為144°，繞組無重疊，具備端部繞線少、用銅量少、能較好地抑制諧波、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動小等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 五相容錯伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

五相PMFSM 應(yīng)用于高可靠性的場合，需要具備容錯能力，在定子繞組單相開路故障下，本文以A 相為例，在A 相開路故障磁力線圖如圖3a 所示，可以發(fā)現(xiàn)故障后各相繞組磁力線無耦合，電機(jī)有良好的磁隔離能力；五相PMFSM 在A 相開路故障后磁密云圖如圖3b 所示，可以看出定子齒和定子磁軛在故障后的最大磁通密度不超過1.8 T，而所采用電機(jī)的硅鋼片飽和磁通密度為2.2 T，滿足設(shè)計需求。

圖3 開路故障后五相PMFSM 磁力線和磁密云圖

3 五相PMFSM單相開路容錯控制策略

五相PMFSM 伺服系統(tǒng)單相開路故障下容錯控制策略框圖如圖4 所示，主要由五相PMFSM、位置控制器、轉(zhuǎn)速PI 控制器、電流PI 控制器、坐標(biāo)變換算法模塊、正?？臻g矢量脈寬調(diào)制(Space vector pulse width modulation，SVPWM)算法模塊、容錯SVPWM算法、逆變器等構(gòu)成。當(dāng)發(fā)生故障后，通過分別將正常狀態(tài)的坐標(biāo)變化模塊和SVPWM 算法模塊切換至對應(yīng)故障狀態(tài)下的降階坐標(biāo)變換模塊和容錯SVPWM 算法模塊來實(shí)現(xiàn)五相PMFSM 的容錯運(yùn)行。

圖4 五相PMFSM 伺服系統(tǒng)容錯控制框圖

3.1 單相故障下五相PMFSM 降階解耦變換

在發(fā)生單相開路故障后，電機(jī)控制的自由度減小，對應(yīng)的變換矩陣要進(jìn)行降階處理，本文以A 相為例，此時剩余有效相B、C、D、E 四相，加以零序電流的約束，此時的五相永磁電機(jī)有3 個自由度，可以得到該故障下的降階Clark 矩陣為

當(dāng)故障發(fā)生后，保證定子空間任一位置角上的定子磁動勢與正常模式保持一致，理論上便可以實(shí)現(xiàn)五相電機(jī)在開路故障模式下的容錯運(yùn)行。根據(jù)定子磁動勢的約束條件，可以推導(dǎo)出定子電流的表達(dá)式，采用零序電流去修正系數(shù)矩陣的第一行向量，即對式(1)進(jìn)行矩陣初等變換，修正后的容錯控制電流配置為

式中，修正系數(shù)i=1 。此時電機(jī)有3 個自由度，分別是1α軸、1β軸構(gòu)成的基波平面和三次諧波平面的β3軸。由于三次諧波平面只有一個控制自由度，因此空間電壓矢量只能在β3正負(fù)軸上下脈動。由于電機(jī)故障后自由度降低，因此只可以保證基波磁動勢在故障前后不變而無法維持三次諧波磁動勢不變。

旋轉(zhuǎn)變換用以將故障后靜止坐標(biāo)系下的電流投影到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，從而將交變量轉(zhuǎn)化為直流量。而單相故障后的3 個自由度只可以使得1α與1β平面的交變量轉(zhuǎn)換為直流量，因此故障后的旋轉(zhuǎn)變換對基波平面進(jìn)行Park 變換，而只對三次諧波平面作簡單的恒等變換。此時的降階Park 變換矩陣為

式中，θ為電機(jī)的電角度。

經(jīng)過上述兩種坐標(biāo)變換，可以實(shí)現(xiàn)A 相故障下五相PMFSM 的降階解耦，通過分別控制3 個維度的電流實(shí)現(xiàn)電機(jī)在單相開路狀態(tài)下的容錯運(yùn)行。

對單相開路故障后的五相PMFSM 降階解耦后，采取id= 0控制，在不明顯增加額外電磁轉(zhuǎn)矩波動的情況下，諧波電流的給定主要有兩種約束：最小銅損約束和相電流等幅值約束。

最小銅損約束要求基波電流和諧波電流平方和最小，對于五相PMFSM 驅(qū)動系統(tǒng)，令=0即為最小銅損給定。

通過變換逆矩陣求得最小銅損約束下各相的電流配置為

相電流等幅值約束能實(shí)現(xiàn)故障后剩余有效相電流幅值相等，此時剩余有效相電流關(guān)于故障軸線對稱，以A 相開路故障為例，即引入了新的約束ib=-id和ic=-ie，通過分別將自然坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流投影在β1軸和β3軸后建立等式，求解得=0.236cosθ。

相電流等幅值約束中需要引入基波平面的q軸電流給定和轉(zhuǎn)子位置角θ，為簡化控制系統(tǒng)，本文采用最小銅損約束給定，即故障后控制系統(tǒng)的3 個維度的電流給定配置為通過前向的PI 控制器輸出給定，如圖4 所示。

3.2 單相故障下五相PMFSM 的SVPWM 算法

以A 為例，A 相開路故障下，逆變器有效相電壓可用開關(guān)狀態(tài)矢量表示為

逆變器驅(qū)動下的五相電機(jī)的端電壓存在如下約束關(guān)系

由式(5)和式(6)可以得到

在單相故障的影響下，電機(jī)的中性點(diǎn)電位會發(fā)生偏移，這樣的電壓偏移會對SVPWM 算法產(chǎn)生影響。為消除此影響，本文在控制算法的前向通道中進(jìn)行電壓補(bǔ)償，用補(bǔ)償后的電壓作SVPWM 算法的輸入電壓進(jìn)行調(diào)制，以A 相開路故障為例的電壓補(bǔ)償過程如下

式中，v1α、v1β、v3β分別是電壓補(bǔ)償后電機(jī)端電壓在1α軸、1β軸和β3軸的分量。

則有

式中，TA_com為進(jìn)行電壓補(bǔ)償后的修正降階變換矩陣，表示為

驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生A 相開路故障時，該相所對應(yīng)的電流為0，因此A 相端電壓和A 相反電動勢相等，vα1、vβ1、vβ3和原電壓uα1、uβ1、uβ3存在如下關(guān)系

則補(bǔ)償后端電壓用開關(guān)函數(shù)表示為

此時的電壓經(jīng)電壓補(bǔ)償，不再受電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)影響，可以對單相開路故障下五相PMFSM 的端電壓進(jìn)行矢量脈寬調(diào)制，基本空間電壓矢量分布圖如圖5 所示。

圖5 單相開路故障下空間電壓矢量分布

為實(shí)現(xiàn)對基波平面的空間電壓矢量的合成，考慮到基波空間電壓矢量的利用率，選取V8和V13、V4和V14、V2和V7、V1和V11構(gòu)成的四組虛擬空間電壓矢量以及V6和V9兩個基本空間電壓矢量進(jìn)行合成，所采用的虛擬電壓矢量的作用時間需要滿足式(13)，以抑制β3軸上的伴生電壓產(chǎn)生。這些矢量將基波平面劃分為6 個扇區(qū)，如圖6 所示。

圖6 單相開路故障扇區(qū)分布

在確定參考矢量后需要計算矢量作用時間，求解過程可以是將參考矢量和相鄰兩矢量分別投影在α1、β1軸上，再加上式(13)的約束，可以構(gòu)成滿秩的非齊次線性方程組，求解得出所用到基本空間電壓矢量的作用時間。由于用到虛擬矢量需要兩個基本空間電壓矢量，所以在第二扇區(qū)和第五扇區(qū)共需要4 個非零基本空間電壓矢量，其余扇區(qū)只需要3個非零基本空間電壓矢量即可。

此外，推導(dǎo)在β3脈振軸上的作用時間與上述過程類似，當(dāng)參考矢量在正半軸時，用V5和V12兩個矢量；在負(fù)半軸用V3和V10兩個矢量。同時為防止在基波平面內(nèi)產(chǎn)生伴生電壓，需要滿足如下約束

在分別求得各扇區(qū)作用時間后，可以實(shí)現(xiàn)對兩個子平面共同調(diào)制，考慮到減小開關(guān)損耗，采用中心對稱原則選擇功率管開關(guān)順序，零矢量作用時間不變，高電平采取中心對稱處理。

4 仿真結(jié)果及分析

為對上述策略的正確性進(jìn)行初步驗(yàn)證，本文基于Matlab 搭建了五相PMFSM 的驅(qū)動系統(tǒng)的容錯控制策略仿真，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有以下部分：五相PMFSM、五相電壓型逆變器、電流PI 控制器、轉(zhuǎn)速PI 控制器、位置控制器、正常SVPWM 算法模塊和容錯SVPWM 算法模塊。基于Matlab 的模型可以實(shí)現(xiàn)五相容錯伺服電機(jī)單相開路故障容錯策略的仿真驗(yàn)證。

4.1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制仿真

4.1.1 未采取容錯策略

設(shè)置0.15 s 發(fā)生A 相繞組開路故障。電機(jī)繞組開路故障前后的五相容錯伺服電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的仿真波形如圖7 所示。

圖7 未采取容錯策略時A 相開路故障前后波形圖

由圖7a 可以看出，當(dāng)A 相開路故障后，A 相電流變?yōu)?，而B、C、D、E 相電流發(fā)生嚴(yán)重畸變；由圖7b 和圖7c 可以發(fā)現(xiàn)，在A 相繞組開路故障后未采取容錯策略時，轉(zhuǎn)矩脈動很大，轉(zhuǎn)速逐漸下降并有較大脈動，已經(jīng)無法維持在給定值，若電機(jī)繼續(xù)在故障下運(yùn)行狀態(tài)將會嚴(yán)重受損。

4.1.2 采取容錯策略

設(shè)置0.15 s 發(fā)生A 相繞組開路故障并且同時采取容錯控制策略。電機(jī)繞組開路故障前后的五相容錯伺服電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的仿真波形如圖8所示。

圖8 采取容錯控制時A 相開路故障前后波形圖

在采取容錯控制策略后，由圖8 可以看出，A 相開路故障后A 相電流減為0，剩余健康相繞組電流能保持較好的正弦波形，各相電流幅值與理論分析一致；采取容錯策略后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在故障后仍然能跟隨給定轉(zhuǎn)速信號并保持穩(wěn)定；采取容錯控制策略后，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動較小，與故障前基本保持一致，驗(yàn)證了容錯控制策略的正確性。

4.2 三環(huán)控制仿真

4.2.1 未采取容錯控制策略

在上述兩閉環(huán)系統(tǒng)外再增加位置外環(huán)，給定轉(zhuǎn)子信號為25 rad，設(shè)置0.15 s 發(fā)生A 相繞組開路故障。電機(jī)繞組開路故障容錯前后五相容錯伺服電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的仿真波形如圖9 所示。

圖9 未采取容錯策略時A 相開路故障前后波形圖

由圖9 可以看出，當(dāng)A 相開路故障之前，電機(jī)能夠跟隨在給定轉(zhuǎn)子位置信號，并在達(dá)到指定位置后轉(zhuǎn)速降為0；在A 相繞組開路故障后未采取容錯策略時，A 相電流降為0，剩余有效相電流嚴(yán)重畸變，轉(zhuǎn)速開始波動不能維持在0，轉(zhuǎn)子位置不能保持在設(shè)定的信號位置。

4.2.2 采取容錯控制策略

給定轉(zhuǎn)子信號為25 rad，設(shè)置0.15 s 發(fā)生A 相繞組開路故障并同時采取容錯算法。電機(jī)繞組開路故障容錯前后五相容錯伺服電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的仿真波形如圖10 所示。

圖10 采取容錯策略時A 相開路故障前后波形圖

由圖10 可以看出，當(dāng)A 相開路故障之前，電機(jī)能夠跟隨在給定轉(zhuǎn)子位置信號，并在達(dá)到指定位置后轉(zhuǎn)速降為0；在A 相繞組開路故障后并采取容錯策略時，轉(zhuǎn)速仍然可以維持在0，轉(zhuǎn)子位置保持在設(shè)定的信號位置不變，進(jìn)一步驗(yàn)證容錯策略的正確性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)平臺

五相PMFSM 系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺如圖11所示，試驗(yàn)平臺組成如下：一臺五相PMFSM、一臺基于 DSP+FPGA 架構(gòu)的實(shí)時數(shù)字控制器RTU-BOX204、模塊化逆變器、示波器等。模塊化的驅(qū)動器共有六相，可組成所需要的一套五相逆變器。主處理器采用了TI 公司的TMS320C28346，主頻為300 MHz。五相PMFSM 由旋轉(zhuǎn)變壓器得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置信號。

圖11 基于五相PMFSM 驅(qū)動系統(tǒng)試驗(yàn)平臺

5.2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

在五相PMFSM 空載運(yùn)行過程中，將A 相斷開并啟用容錯控制策略，試驗(yàn)波形如圖12 所示。

圖12 A 相繞組開路容錯運(yùn)行下試驗(yàn)波形

當(dāng)A 相發(fā)生電機(jī)繞組開路故障時，A 相電流變?yōu)?，同時采取容錯控制策略，使電機(jī)進(jìn)入容錯運(yùn)行模式。發(fā)現(xiàn)在A 相繞組開路故障后五相PMFSM轉(zhuǎn)速與正常運(yùn)行一樣，保持在給定轉(zhuǎn)速，交軸電流iq也無明顯的脈動，與正常狀態(tài)的情況一致，表明五相PMFSM 在容錯運(yùn)行模式下轉(zhuǎn)矩與正常運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)矩相同。由此可見容錯運(yùn)行模式下轉(zhuǎn)速試驗(yàn)與理論分析和仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了容錯控制策略在五相PMFSM 轉(zhuǎn)速電流兩閉環(huán)控制系統(tǒng)中單相開路故障時的有效性。

由于處在穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速環(huán)輸出的給定= 0，會造成圖中A 相電流波形有一定諧波。圖13 是電機(jī)調(diào)速時的波形，給定轉(zhuǎn)速增加的信號，但受到母線電壓的限制，電機(jī)轉(zhuǎn)速不能一直增加，此時的轉(zhuǎn)速環(huán)輸出，即q軸電流給定≠ 0，這時五相PMFSM的電流諧波較少。

圖13 調(diào)速波形及穩(wěn)態(tài)放大圖

試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證容錯策略的正確性，通過對比試驗(yàn)前后五相PMFSM 的運(yùn)行性能驗(yàn)證容錯策略的可行性，因此采用了基本的空載穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)進(jìn)行研究，電流波形有一定諧波對試驗(yàn)結(jié)論影響較小。

5.3 三環(huán)控制試驗(yàn)

驗(yàn)證雙閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定后，在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加位置環(huán)，為驗(yàn)證基于五相PMFSM 三閉環(huán)控制系統(tǒng)的容錯能力，在電機(jī)到達(dá)給定位置信號之前，斷開A 相電機(jī)繞組同時采取容錯控制策略，觀察此時的電機(jī)位置信號和轉(zhuǎn)速波形。

從試驗(yàn)波形可以發(fā)現(xiàn)，A 相繞組發(fā)生開路故障并容錯運(yùn)行后，五相PMFSM 的實(shí)際位置信號能夠精準(zhǔn)跟隨給定位置信號，并在達(dá)到給定信號后轉(zhuǎn)速降為0，由于試驗(yàn)采取M 法測量轉(zhuǎn)速，M 法在低速情況下有一定誤差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速在降為0 時波形有毛刺(圖14)，從實(shí)際位置信號可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置較為平滑地跟隨給定信號后保持在給定信號，進(jìn)一步說明電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速較為平滑地降為0 后停轉(zhuǎn)，因此控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)五相PMFSM在單相開路故障下準(zhǔn)確跟隨給定信號，驗(yàn)證了電機(jī)控制的容錯能力。

圖14 A 相繞組開路容錯運(yùn)行下三環(huán)控制試驗(yàn)波形

6 結(jié)論

本文針對導(dǎo)彈電動舵機(jī)功率密度低以及常常存在電氣故障的問題，提出了一種基于降階解耦的五相容錯伺服電機(jī)單相開路故障的容錯控制策略，通過仿真和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動系統(tǒng)和控制策略有以下特點(diǎn)。

(1) 所提五相PMFSM 在單相故障后有較好的磁隔離能力，且最大磁通密度也不會超過硅鋼片的飽和值。

(2) 該策略通過推導(dǎo)故障后的降階變換矩陣，實(shí)現(xiàn)了對故障后電機(jī)模型的解耦控制，并推導(dǎo)了故障后電壓空間矢量，分別對基波子平面和脈振軸的參考矢量的共同調(diào)制過程進(jìn)行分析，推得了單相開路故障時五相容錯伺服電機(jī)的容錯SVPWM 算法，能實(shí)現(xiàn)五相PMFSM 在單相開路故障時的高可靠容錯運(yùn)行。

(3) 在五相PMFSM 發(fā)生單相開路故障后，采用該容錯控制策略可以精準(zhǔn)跟隨給定信號，具有故障后容錯運(yùn)行的能力，能較好地適應(yīng)導(dǎo)彈舵機(jī)惡劣且易受擾動的運(yùn)行環(huán)境。

五相容錯伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)有優(yōu)于三相永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)更高的控制自由度和更強(qiáng)的容錯能力，高控制自由度可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在不增加任何額外硬件措施下實(shí)施容錯控制，可以避免三相永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在采取容錯拓?fù)浜笙到y(tǒng)變得復(fù)雜的問題。本文提出的五相容錯伺服電機(jī)的容錯控制策略能夠確保系統(tǒng)在單相故障的情況下高可靠容錯運(yùn)行。最后根據(jù)仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了容錯控制策略的穩(wěn)定性和有效性，以期使導(dǎo)彈電動舵機(jī)系統(tǒng)有更高的控制性能。