司賓強,黃玉平,朱紀洪,于航

1. 北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100192

2. 北京精密機電控制設(shè)備研究所,北京 100076

3. 清華大學(xué) 精密儀器系,北京 100084

4. 廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院,南寧 530004

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步,國內(nèi)外對航天發(fā)射的成本越來越重視和敏感,尤其是國內(nèi)外正在大力開展的可重復(fù)使用商業(yè)航天發(fā)射活動越來越頻繁,都是在盡最大可能提高重復(fù)利用率來壓縮發(fā)射成本,其實質(zhì)就是對整個發(fā)射系統(tǒng)的可靠度提出了非常高的要求,將原來的單次高可靠度要求提高到了多次高可靠度要求,尤其是對伺服作動系統(tǒng)的可靠度提出了非常高的要求。作為電動作動器的核心關(guān)鍵設(shè)備,電機系統(tǒng)的可靠度和功率密度關(guān)乎整個航天發(fā)射任務(wù)的成敗和成本。

為了提高電機系統(tǒng)的可靠度通常采用余度技術(shù),通過采用冗余備份的方式,提高電機系統(tǒng)的可靠度,但是這種方式不僅增加了系統(tǒng)重量和復(fù)雜度,也容易帶來其他問題,比如故障通道會成為系統(tǒng)額外負載、通道之間的力紛爭等問題。除了上述手段,還可以通過提高各組成部分的可靠度來達到提高整個系統(tǒng)可靠度的目的。在電機方面,采用雙三相電機、串聯(lián)式電機(定子分段,共用同一個轉(zhuǎn)子)、多相模塊化電機、獨立繞組電機等；在驅(qū)動器方面,采用開關(guān)冗余、橋臂冗余、H橋、重構(gòu)驅(qū)動拓撲等；在控制器方面,采用多核芯片、可編程邏輯器件等。這些方式相當于采用內(nèi)部冗余的方式提高系統(tǒng)的可靠度,可稱之為內(nèi)余度技術(shù),而前面采用外部冗余備份的方式,可稱之為外余度技術(shù)。為了保證安全可靠,目前國內(nèi)外的航天伺服系統(tǒng)通常采用多余度,較為常見的是四余度。但是,伴隨多余度策略隨之而來的是重量和體積的增加,不利于保持航天器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊湊性,還增加了燃料成本。而且在航天應(yīng)用場景中,航天器結(jié)構(gòu)、重心、慣量隨時變化,工況復(fù)雜,對伺服執(zhí)行機構(gòu)的需求也隨之變化,經(jīng)常要求額定負載扭矩輸出下的轉(zhuǎn)速提升,或者額定轉(zhuǎn)速下的扭矩輸出增加等,這就要求電機系統(tǒng)具備較強的過載能力和適應(yīng)能力。傳統(tǒng)方式是采用多套電機系統(tǒng)分別執(zhí)行不同的負載需求,這就使得系統(tǒng)重量、體積大幅度增加,系統(tǒng)動態(tài)性能下降,難以滿足未來航天伺服系統(tǒng)發(fā)展需求。為此,本文提出了一種高可靠電機系統(tǒng),采用可變結(jié)構(gòu)的繞組和驅(qū)動拓撲,電機系統(tǒng)具備主動變結(jié)構(gòu)的能力,適應(yīng)性強,可靠性高,驅(qū)動器、電機本體等具有很強的容錯能力,在發(fā)生故障時能夠通過容錯控制技術(shù),實現(xiàn)系統(tǒng)帶故障運行,能夠更好地、高性能地、高可靠地適應(yīng)航天器對伺服執(zhí)行機構(gòu)的負載變化和性能要求的變化。

1 變結(jié)構(gòu)容錯式電機系統(tǒng)技術(shù)

航天伺服系統(tǒng)工況特殊,對電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、可靠性以及整個系統(tǒng)的體積、重量、振動、噪聲等均有較高要求。為了適應(yīng)航天器結(jié)構(gòu)、重心的變化,滿足不同的工況所需,目前伺服執(zhí)行機構(gòu)通常采用多電機+離合器架構(gòu),或采用多套不同功率等級的系統(tǒng)。這些方法缺點明顯,系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、重量重、機械噪聲和震動大、發(fā)射成本高,而且傳統(tǒng)的任務(wù)剖面包絡(luò)設(shè)計方案也不能保證所有工況都具備最優(yōu)性能。

這就是航天多工況所帶來的技術(shù)難點。首先是設(shè)計上的難點。航天任務(wù)通常多采用包絡(luò)設(shè)計,要求每個任務(wù)設(shè)計,必須在所有的工況下,都能達到預(yù)定的性能,不僅設(shè)計難度大,而且不可能得到優(yōu)化設(shè)計。其次,是保證航天任務(wù)的工作可靠性的難題。每個任務(wù)設(shè)計,在不同工況下,系統(tǒng)狀態(tài)很難保持在最優(yōu)狀態(tài)(比如,伺服電機有10 kW 工作狀態(tài),此時驅(qū)動器脈沖寬度調(diào)制(Pulse width Modulation,PWM)占空比為0.95；若負載工況變?yōu)? kW,則占空比約為0.1,此時系統(tǒng)處于很復(fù)雜的狀態(tài))。

航天器的慣量是伺服機構(gòu)的主要負載之一,航天器結(jié)構(gòu)變換后,慣量就會變化,伺服系統(tǒng)的工況也就變了。這就是本文提出變結(jié)構(gòu)容錯式電機系統(tǒng)技術(shù)的初衷,目的是突破上述技術(shù)難點,使得伺服系統(tǒng)能夠滿足和適應(yīng)航天工程提出的高要求；同時該技術(shù)兼具容錯功能,能夠保證伺服系統(tǒng)在變結(jié)構(gòu)時切換過程的快速、準確、穩(wěn)定,大大提升了系統(tǒng)的可靠度。當航天器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變換后,意味著電機的負載發(fā)生了變化,此時希望可以通過控制開關(guān)主動切換繞組的連接方式,獲得新的繞組結(jié)構(gòu)和電機參數(shù),從而在電氣上調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)電氣齒輪的功能。變結(jié)構(gòu)電機既可以輸出高轉(zhuǎn)矩,同時有可變的調(diào)速范圍,具備直驅(qū)能力,某些情況下可直接代替?zhèn)鹘y(tǒng)減速箱,解決了中間傳動機構(gòu)傳動誤差和能量損耗的問題,簡化了驅(qū)動系統(tǒng),系統(tǒng)整體質(zhì)量輕、振動噪聲小、控制精度高、動態(tài)響應(yīng)快、能量損耗小,也降低了系統(tǒng)成本和維修復(fù)雜度。而且,系統(tǒng)也具有容錯能力,發(fā)生故障后可通過改變繞組與驅(qū)動拓撲的連接方式實現(xiàn)故障隔離,帶故障也可容錯運行,正常完成轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的輸出任務(wù),可靠性高。既能采用各組成部分自身的容錯能力來代替冗余技術(shù),通過較小的代價來大幅度提升系統(tǒng)工作可靠性；又能根據(jù)負載、約束、輸出能力等工況變換,采用主動變結(jié)構(gòu)技術(shù),保證系統(tǒng)在工況大范圍變化時保持系統(tǒng)高性能輸出。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

本文討論的變結(jié)構(gòu)主要指驅(qū)動拓撲及繞組拓撲的可重構(gòu),這類變結(jié)構(gòu)電機在運行過程中可改變繞組結(jié)構(gòu),從而在線改變電機參數(shù),適應(yīng)不同的工況變化,屬于磁通可調(diào)電機[1]。這些拓撲或繞組的“重構(gòu)”實質(zhì)上都是整個電機系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)-電機繞組及驅(qū)動器在連接形式上的變換,不管怎么千變?nèi)f化,其在原理上仍然是一致的、相通的。

繞組結(jié)構(gòu)的重構(gòu)技術(shù)由電機的變極調(diào)速發(fā)展而來,目的是為了改善電機的轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特性。由于電機大多采用星型連接方式,可用的重構(gòu)拓撲主要有3種,即繞組的星三角換接、串并聯(lián)換接以及變繞組匝數(shù)換接。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,20世紀90年代左右出現(xiàn)了一種新穎的電機結(jié)構(gòu)：開繞組電機(Open Winding Electric Machine, OWEM)結(jié)構(gòu)。所謂的開繞組結(jié)構(gòu)即雙逆變器結(jié)構(gòu),將普通星形連接方式繞組的中性點打開,不改變電機原本的電磁設(shè)計和定轉(zhuǎn)子機械結(jié)構(gòu),將每相繞組引出的2個抽頭均接到逆變器上。由于每相繞組都是一個H橋,因此也叫獨立H橋結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)接線方式,雙逆變器的使用使得開繞組拓撲的控制策略更加靈活,電源供電模式多樣,可輸出多電平,而且拓撲結(jié)構(gòu)具有冗余性,特定情況下可容錯運行。有學(xué)者基于這種雙逆變器結(jié)構(gòu),在電機的特定繞組間加入開關(guān),通過控制開關(guān)的閉合來改變繞組的連接方式,配合雙逆變器的單獨運行或同時運行,實現(xiàn)了改變電機參數(shù)的效果。電機拓撲靈活,有多種運行模式。和傳統(tǒng)換接方式的對比如表1所示。

表1 重構(gòu)方式對比

但這種在繞組抽頭間增加開關(guān)的方法同樣存在問題,整個系統(tǒng)模式切換的可靠性過于依賴于繞組間開關(guān)的可靠性,當負責換接功能的開關(guān)發(fā)生斷路或短路故障時,系統(tǒng)將會失去變結(jié)構(gòu)能力,嚴重時甚至無法正常工作。而本文提出了一種全新的拓撲,對逆變器模塊部分加以改進,繞組抽頭間不設(shè)硬件開關(guān),完全依靠功率管間的配合實現(xiàn)換接功能,而且具有多種運行模式,重構(gòu)/容錯自由度更大,具備在驅(qū)動器和電機繞組發(fā)生故障的二度故障-工作能力,即在驅(qū)動器發(fā)生開路/短路故障時通過驅(qū)動拓撲重構(gòu)隔離開故障,實現(xiàn)了驅(qū)動器故障容錯,此時電機繞組再發(fā)生開路/短路故障,仍然可以通過容錯控制的方式,實現(xiàn)系統(tǒng)的正常工作,可以大幅度提升電機系統(tǒng)的可靠性。

3 變結(jié)構(gòu)電機系統(tǒng)技術(shù)

本文設(shè)計的變結(jié)構(gòu)容錯電機系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,主要由3部分組成,分別為變結(jié)構(gòu)控制器、可重構(gòu)容錯式驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)和變結(jié)構(gòu)容錯電機。其中可重構(gòu)容錯拓撲為基礎(chǔ),結(jié)合故障診斷算法、故障容錯控制算法、系統(tǒng)拓撲的結(jié)構(gòu)變化算法,共同組成一個相輔相成的有機整體。整個電機系統(tǒng)具有變結(jié)構(gòu)能力和容錯能力,可滿足多工況和高可靠性應(yīng)用場合需求。

圖1 變結(jié)構(gòu)電機容錯系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 可變結(jié)構(gòu)驅(qū)動拓撲

為了使驅(qū)動器各組成部分具有更好的獨立性和在線快速重構(gòu)的能力,本文設(shè)計的拓撲以模塊化電機為基礎(chǔ),單個模塊的拓撲單元如圖2所示。該拓撲是在獨立H橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加以改進,每3組全橋增加了4個功率開關(guān),使得拓撲不僅具有獨立H橋驅(qū)動拓撲控制靈活的優(yōu)點,還具有結(jié)構(gòu)可變的能力,冗余出的開關(guān)也確保了高可靠性和強容錯性。

圖2 可變結(jié)構(gòu)驅(qū)動拓撲模塊

如圖3所示,每個模塊的拓撲都具有變結(jié)構(gòu)能力,每相繞組既可以用H橋獨立驅(qū)動,也可以通過控制功率開關(guān)的配合,實現(xiàn)驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)的變換,圖中粗實線即為串聯(lián)模式下的接線回路。

圖3 可變結(jié)構(gòu)驅(qū)動拓撲模塊重構(gòu)后電氣路徑

為了體現(xiàn)出不同模塊的不同繞組間反電動勢相位的差異與聯(lián)系,本文將屬于同一模塊的三相繞組用相同的數(shù)字下標,并將相位相同的繞組用統(tǒng)一的字母下標,圖3中的a1、b1、c1即為同一個電機模塊中的相。則電機在線變結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)變換步驟如下：

1) 令功率開關(guān)T11、T12、T13和T14處于關(guān)閉狀態(tài),將功率管與電源斷開。從而使得繞組a1和b1所在H橋的右半橋臂處于懸浮狀態(tài),以及b1和c1所在H橋的左半橋臂處于懸浮狀態(tài)。

2) 令處于懸浮狀態(tài)的橋臂上的上部(或下部)功率管2Q1、3Q1、2Q3和1Q3(或2Q4、3Q4、2Q2和1Q2)處于關(guān)閉狀態(tài),同時令下部(或上部)功率管2Q4、3Q4、2Q2和1Q2(或2Q1、3Q1、2Q3和1Q3)處于常通狀態(tài),從而三相繞組a1、c1和反向的b1串聯(lián)成新的一相繞組W1。

3) 新繞組W1由原有繞組a1的左半橋臂和原有繞組c1的右半橋臂組成新的獨立H橋來驅(qū)動。

4) 其他模塊變換步驟亦如此,不再贅述,不過需要注意,每個模塊中需要根據(jù)串聯(lián)后的相位需求來選擇對應(yīng)的反向串聯(lián)的繞組。

可以看出,結(jié)構(gòu)變換后每個模塊只有4個功率管需要跟隨指令動作,其他功率管持續(xù)處于常開或常閉狀態(tài)。因此,當某些功率器件發(fā)生開路或者短路故障時,就可以采取上述變結(jié)構(gòu)步驟,規(guī)避相關(guān)功率器件的使用,排除故障的影響,將多相電機轉(zhuǎn)化為三相電機繼續(xù)運行,達到故障容錯的功能。

3.2 變結(jié)構(gòu)容錯電機拓撲

本文以九相電機為分析對象,基于第3節(jié)所述的變結(jié)構(gòu)電機和高可靠性容錯思路設(shè)計了拓撲,如圖4所示。整個拓撲共用48個功率管,相比于九相電機,考慮到功率管的散熱,驅(qū)動器的體積需稍有增加,重量基本不變,而且多了變結(jié)構(gòu)的功能。

圖4 九相變結(jié)構(gòu)驅(qū)動拓撲架構(gòu)

為了驗證所提出的變結(jié)構(gòu)電機系統(tǒng)技術(shù)理論的正確性和有效性,同樣設(shè)計了一臺18 kW的18槽12極的變結(jié)構(gòu)永磁容錯電機,如圖5所示。

圖5 變結(jié)構(gòu)容錯電機

電機的定子繞組齒由無繞組齒間隔開來,在物理上保證了各相繞組之間的獨立性,相鄰模塊之間相互解耦,可減少相間短路故障,提高電機的可靠性,也保證了各相繞組之間在磁路上的獨立性,進而利于電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可變。轉(zhuǎn)子永磁體采用了表面貼裝的Halbach永磁體陣列結(jié)構(gòu),既能夠增強氣隙磁密(約1.414倍),又能夠讓反電動勢波形更加接近正弦波形。

電機采用模塊化設(shè)計,控制靈活,而且各模塊可獨立運行,轉(zhuǎn)矩輸出可以做近乎線性的數(shù)學(xué)運算操作,變結(jié)構(gòu)后也能夠滿足系統(tǒng)所需的扭矩和速度性能指標要求。

3.3 變結(jié)構(gòu)控制器

變結(jié)構(gòu)控制器在功能上主要包括控制算法模塊、柵極驅(qū)動與故障隔離模塊、故障診斷模塊、驅(qū)動拓撲重構(gòu)模塊和重構(gòu)開關(guān)模塊等組成(見圖1和圖4)。其中重構(gòu)與容錯控制算法模塊主要用來解算上級控制器發(fā)送過來的(重構(gòu))控制指令,以及解算轉(zhuǎn)子位置傳感器測得的電機轉(zhuǎn)子的速度和位置信號,產(chǎn)生控制電機旋轉(zhuǎn)的指令,實現(xiàn)電機的運動控制；同時根據(jù)故障診斷結(jié)果發(fā)送故障隔離和驅(qū)動拓撲重構(gòu)指令,防止故障的進一步蔓延,進而保證非故障部分還能夠正常工作,并通過驅(qū)動拓撲重構(gòu)實現(xiàn)故障隔離功能,并啟動容錯控制算法使得重構(gòu)后的驅(qū)動拓撲能夠滿足正常工作需求。柵極驅(qū)動與故障隔離模塊主要用來將控制算法模塊產(chǎn)生的控制功率器件的信號進行功率放大,進而驅(qū)動控制功率器件的開關(guān),實現(xiàn)功率器件的柵極驅(qū)動和故障隔離功能。故障診斷模塊主要根據(jù)采集的電機各相電壓和電流等信息,進行故障檢測和故障診斷處理,將診斷處理的故障上報控制算法模塊和驅(qū)動拓撲重構(gòu)模塊。驅(qū)動拓撲重構(gòu)模塊根據(jù)重構(gòu)指令在硬件和軟件上控制重構(gòu)開關(guān),將驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)進行變換,進而可以控制變結(jié)構(gòu)容錯電機,最終實現(xiàn)整個電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可變,既可以通過變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來滿足航天器結(jié)構(gòu)變換前后的工況需求；而且,在發(fā)生故障時,又可以實現(xiàn)容錯控制,滿足航天器高可靠性的工作需求。

3.4 變結(jié)構(gòu)控制思想及算法

本節(jié)主要以3.2節(jié)的單層集中式繞組拓撲結(jié)構(gòu)的變結(jié)構(gòu)永磁容錯電機為研究對象,由于每相繞組的反電動勢為正弦波,且每相繞組采取獨立控制,因此可以結(jié)合3.1節(jié)提到的可變結(jié)構(gòu)式驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu),進行若干個繞組的變結(jié)構(gòu)組合。以3.2節(jié)所設(shè)計的電機(圖5)為例,其A相到I相的磁鏈波形如圖6所示,從波形上可知,其每相繞組磁鏈為相位相差120°的正弦波,由此可知其反電動勢也是相差120°的正弦波。

圖6 九相變結(jié)構(gòu)電機磁鏈波形

在變結(jié)構(gòu)前,九相繞組的反電動勢為

(1)

式中：e為反電動勢符號；E為轉(zhuǎn)速為ω時的反電勢幅值,a1,a2,…,c3代表相應(yīng)相繞組;θ為電氣角度。

給每相繞組通入幅值為I,相位與反電動勢相同的電流后,可得重構(gòu)前電機總功率為

P=4.5EI

(2)

可求得轉(zhuǎn)矩為

T=P/ω=4.5EI/ω

(3)

反電動勢系數(shù)為

Ce=E/ω

(4)

轉(zhuǎn)矩系數(shù)為

CT=T/9/I=0.5E/ω

(5)

由式(4)和式(5)可以看出,變結(jié)構(gòu)前九相電機的反電勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)和單個模塊電機的參數(shù)相同,轉(zhuǎn)矩、功率等參數(shù)也是3個模塊對應(yīng)參數(shù)的線性疊加,因此可等效于3個三相電機,這就是模塊化電機的特點。不僅如此,各個模塊獨立可控,可分別運行,因此不僅可以實現(xiàn)3個三相,還能夠?qū)崿F(xiàn)2個三相,1個三相的等效。例如只對a1、b1、c1相通電,此時只有一個模塊運行,相當于1個三相電機,不過此時繞組利用率較低。同理,只運行2個模塊即可等效為2個三相電機。

現(xiàn)在計算變結(jié)構(gòu)后的參數(shù)變化。根據(jù)系統(tǒng)需求,經(jīng)由控制器發(fā)送變結(jié)構(gòu)控制指令,使得可變結(jié)構(gòu)驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而使得繞組的連接關(guān)系發(fā)生變化,經(jīng)過變結(jié)構(gòu)后,則新三相繞組的反電動勢為

(6)

將式(6)整理可得

(7)

給重構(gòu)后新的每相繞組通入與反電動勢同相位的電流,且電流幅值與重構(gòu)前保持一致,可得重構(gòu)后電機總功率為

(8)

可求得轉(zhuǎn)矩為

T′=P′/ω=3EI/ω

(9)

反電動勢系數(shù)為

C′e=2E/ω

(10)

轉(zhuǎn)矩系數(shù)為

C′T=T′/3/I=E/ω

(11)

圖7為變換前后的反電勢向量圖。由式(7)可知,與變結(jié)構(gòu)前反電動勢相比,變結(jié)構(gòu)后(黑色實線)新三相繞組的反電動勢幅值為變結(jié)構(gòu)前(灰色細線)的2倍,新三相繞組之間相位差為2π/3,每相繞組反電動勢相位較變結(jié)構(gòu)前超前了π/3,變結(jié)構(gòu)后的新三相繞組由新的三相獨立H橋驅(qū)動拓撲進行驅(qū)動,構(gòu)成新的三相電機系統(tǒng),另外,拓撲變換后較之前省去了一半的獨立H橋驅(qū)動拓撲的PWM信號,一定程度上可以減少功率管的開關(guān)損耗,延長開關(guān)管壽命,提升系統(tǒng)可靠性。

圖7 重構(gòu)前后反電動勢相量圖

這是全部繞組都參與重構(gòu)的情況。當每個模塊中只串聯(lián)兩組繞組時,例如a1和b1方向串聯(lián),b2和c2反向串聯(lián),c3和a3反向串聯(lián),此時構(gòu)成的新三相繞組的反電勢相位差2π/3,仍等效為三相電機。此外,本例中每個拓撲模塊是由同一個電機模塊中的三相繞組組成的。由于獨立H橋的特殊結(jié)構(gòu),各相繞組相互獨立,因此接線順序與拓撲中的位置無關(guān),例如相位相同的兩相繞組與一相位不同的繞組反向串聯(lián),即a1、a2、-b3串聯(lián)(記為重構(gòu)模式2),可得新三相繞組的反電動勢為

(12)

將式(12)整理可得

(13)

控制重構(gòu)后每相繞組通入與反電動勢同相位的電流,且幅值與重構(gòu)前保持一致,可得重構(gòu)后電機總功率為

(14)

可求得轉(zhuǎn)矩為

T?=P?/ω=3.975EI/ω

(15)

反電動勢系數(shù)為

(16)

轉(zhuǎn)矩系數(shù)為

C?T=T?/3/I=1.325E/ω

(17)

由式(13)可知,與變結(jié)構(gòu)前反電動勢相比,如圖8(a)所示,變結(jié)構(gòu)后(黑實線)新三相繞組的反電動勢幅值為變結(jié)構(gòu)前(灰細線)的2.65倍,新三相繞組之間相位差為2π/3,每相繞組反電動勢相位較變結(jié)構(gòu)前繞組相位有所超前,變結(jié)構(gòu)后的新三相繞組由新的三相獨立H橋驅(qū)動拓撲進行驅(qū)動,構(gòu)成新的三相電機系統(tǒng),轉(zhuǎn)矩系數(shù)變比為2.65。當然,電機系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)方式不止一種,還有其他的組合方式,如圖8(b)～圖8(d)所示,記為重構(gòu)模式3～模式5。

圖8 重構(gòu)前后反電動勢相量圖

將重構(gòu)前后以及其他幾種接線工作模式下的各項參數(shù)對比數(shù)據(jù)列于表2中。在航天工程中,可以根據(jù)需要進行在線變換拓撲結(jié)構(gòu),以達到滿足所需航天器結(jié)構(gòu)變換前后造成慣量變換,保持相同速度運行下的轉(zhuǎn)矩變換的需求。

表2 重構(gòu)前后參數(shù)對比

3.5 驅(qū)動拓撲容錯重構(gòu)

本節(jié)分析功率管發(fā)生開路或者短路故障時的重構(gòu)策略,如圖3中的2Q4發(fā)生短路故障時,通過在線結(jié)構(gòu)重構(gòu)(粗實線所示),將T11、T12、T13和T14與電源斷開,將1Q2、2Q2、2Q4和3Q4常通,等效為導(dǎo)線,這樣可將a1、b1和c1串聯(lián)等效成為一個新的繞組,并由1Q1、1Q4、3Q3和3Q2組成新的H橋驅(qū)動拓撲；除此之外,還可以將左半部分的電源關(guān)閉,在控制器中將1Q1、2Q1和3Q1設(shè)置為常斷,將1Q4、3Q4和T12設(shè)置為常通,這樣就將各個繞組的左邊端點全部短接在一起了,將H橋驅(qū)動拓撲重構(gòu)為星型拓撲了,這2種重構(gòu)策略都可以將故障點從系統(tǒng)中隔離開,即可排除故障對電路的影響,實現(xiàn)容錯功能,保證系統(tǒng)能夠正常運行。當2Q4發(fā)生開路故障時,冗余的功率管可立刻重構(gòu)繞組,將T11、T12、T13和T14與電源斷開,將1Q3、2Q3、2Q1和3Q1常通,等效為導(dǎo)線,這樣可將1W1、1W2和1W3串聯(lián)等效成為一個新的繞組,并由1Q1、1Q2、1Q3和1Q4組成新的H橋驅(qū)動拓撲；除此之外,還可以將左半部分的電源關(guān)閉,在控制器中將1Q1、2Q1和3Q1設(shè)置為常通,將1Q4、3Q4和T12設(shè)置為常斷,這樣就將各個繞組的左邊端點全部短接在一起了,將H橋驅(qū)動拓撲重構(gòu)為星型拓撲了,這2種重構(gòu)策略都可以將故障點從系統(tǒng)中隔離開,如圖9所示,實現(xiàn)了故障容錯,功能上與正常時無異。同理,類似支路上的其他位置的功率管發(fā)生故障時也可通過串聯(lián)的功率管保持電路的正常運行。

圖9 開路故障容錯重構(gòu)

3.6 繞組故障容錯控制

當某些功率管發(fā)生故障導(dǎo)致拓撲不能重構(gòu)時,例如圖10所示,1Q4發(fā)生開/短路故障,或者是在本文3.5節(jié)中驅(qū)動器發(fā)生了故障,并且通過重構(gòu)進行了容錯控制后,若此時又發(fā)生了繞組的開路或者短路故障,那么可將這里的2類故障統(tǒng)一等效為多相容錯電機的繞組開/短路故障,通常繞組故障一般以故障前后輸出轉(zhuǎn)矩不變?yōu)榭刂茰蕜t,將對應(yīng)的繞組開/短路容錯進行容錯控制,方法可參見文獻[47],從而使得系統(tǒng)具備了在驅(qū)動器和電機繞組同時發(fā)生故障的二度故障-工作能力,實現(xiàn)了系統(tǒng)的正常工作,進而可以大幅度提升電機系統(tǒng)的可靠性,尤其適合于高可靠性應(yīng)用場合,比如航空、航天、航海等。

圖10 等效繞組開路故障

4 性能分析與試驗

為了驗證上述算法的正確性,本節(jié)對比分析變結(jié)構(gòu)前后電機繞組的磁鏈,反電動勢和轉(zhuǎn)矩的變化,給出了實際測試變結(jié)構(gòu)前后繞組的反電動勢的實驗結(jié)果。

4.1 磁鏈仿真

電機本體的性能一般通過磁鏈和電感來反映,圖11即為電機繞組重構(gòu)前后的磁鏈與電感。由圖11可知,重構(gòu)前后各相繞組磁鏈都是相互解耦的,每相繞組的磁力線經(jīng)由繞組齒—氣隙—永磁體—氣隙—無繞組齒—定子軛—繞組齒形成獨立、封閉的磁通回路,而與其他相繞組的磁場并無交聯(lián),這可以通過圖11(c)和圖11(d)中的電感—互感值幾乎為零得到驗證。這也驗證了本文所設(shè)計的電機滿足了3.1節(jié)中對可變結(jié)構(gòu)電機需要具有模塊化、獨立、相互解耦的特性要求,從而在電機本體上奠定了變結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖11 重構(gòu)前后的磁鏈圖與電感對比

4.2 反電勢仿真

圖12為九相永磁容錯電機在變結(jié)構(gòu)前后反電動勢仿真和試驗波形。

圖12(a)中實線為變結(jié)構(gòu)前的反電動勢波形,點劃線為變結(jié)構(gòu)后的反電動勢波形,后者在幅值上為前者的2倍,變結(jié)構(gòu)后的每相繞組相位較變結(jié)構(gòu)前的繞組相位超前了π/3,與前述計算過程(式(1)～式(7))相符,驗證了所提出的繞組變結(jié)構(gòu)策略的正確性和有效性,達到了變結(jié)構(gòu)的目的,可以滿足航天器結(jié)構(gòu)變化后的扭矩需求的變化。圖12(b)中示波器通道1為變結(jié)構(gòu)后的反電動勢波形,通道3為變結(jié)構(gòu)前反電動勢波形,通過對比仿真與試驗圖可知,試驗與理論仿真波形是一致的,從而也驗證了本文所提出的變結(jié)構(gòu)電機系統(tǒng)在理論上和工程上均具有正確性和可實現(xiàn)性。

圖12 變結(jié)構(gòu)前后反電動勢對比

4.3 轉(zhuǎn)矩仿真

本文提出的拓撲有多種運行模式。當作為模塊化電機運行時,系統(tǒng)可工作在1個三相或2個三相模式；當每個模塊均工作時即等效為3個三相電機；重構(gòu)后等效為1個三相電機,新組成的每相繞組由2組或3組繞組串聯(lián)而成,這也構(gòu)成了2種工作模式。

圖13 電機不同模式下轉(zhuǎn)矩/反電勢變化圖

圖14為電機變結(jié)構(gòu)前后的轉(zhuǎn)矩和電流仿真圖。起初電機在九相模式下正常運行,由于電機模塊化的特點,3個模塊完全相同,每個模塊對應(yīng)的相電流的幅值和相位也相同,例如a1、a2、a3,其電流波形完全相同,因此圖中統(tǒng)一用A相電流表示。換接后成為三相電機,每相的電流如圖所示。換接前三相電流幅值較小,輸出40 N·m的轉(zhuǎn)矩。0.1 s時系統(tǒng)收到換接動作指令,隨后電流的幅值和相位均發(fā)生變化,轉(zhuǎn)矩在換接瞬間有所跌落,在經(jīng)歷10 ms的調(diào)整后迅速恢復(fù)穩(wěn)定,基本不會對負載產(chǎn)生影響。即,只要重構(gòu)時間足夠短,對執(zhí)行機構(gòu)輸出影響就非常小,反映到輸出上是有個短暫的波動,切換完成后,輸出又恢復(fù)穩(wěn)定,那么對飛行器的控制穩(wěn)定就是微乎其微的,類似于短暫的陣風干擾。

圖14 繞組換接時轉(zhuǎn)矩/相電流變化圖

5 結(jié) 論

針對航天器多極端工況、大范圍變化,傳統(tǒng)方法是采取任務(wù)剖面包絡(luò)設(shè)計,必然不能保證所有工況都具備最優(yōu)性能,為了滿足航天任務(wù)此類需求,本文提出了一種變結(jié)構(gòu)電機系統(tǒng),采用可變結(jié)構(gòu)的繞組和驅(qū)動拓撲,使電機系統(tǒng)具備主動變結(jié)構(gòu)以適應(yīng)不同工況的能力,在主旨上是為了更好地、高性能地適應(yīng)航天器對伺服執(zhí)行機構(gòu)的負載變化和性能要求的變化。還能夠在電機繞組或者驅(qū)動器發(fā)生開路/短路故障時,甚至是在驅(qū)動器發(fā)生了開路/短路故障,通過結(jié)構(gòu)變換,隔離掉故障部分以后,還能夠承受繞組發(fā)生開路/短路故障,通過采用容錯控制算法使得剩余正常部分繼續(xù)運行,保證平穩(wěn)正常輸出,使得系統(tǒng)具備二度故障-工作的能力,從而能夠極大地保證航天任務(wù)順利進行。除此之外,如果對電機磁路進行特殊設(shè)計,使其在發(fā)生繞組匝間短路故障時的短路電流控制在有限范圍內(nèi),比如2～3倍額定電流,這樣就能保證電機不會被燒毀,只是增加了電機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動,通過控制算法,也能保證系統(tǒng)的平穩(wěn)輸出,進而也能夠保證飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定。

通過理論推導(dǎo)、仿真和試驗,對本文提出的變結(jié)構(gòu)電機系統(tǒng)技術(shù)進行了驗證,證明了其在理論和工程上的正確性和有效性,為在航天工程上應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

目前關(guān)于變結(jié)構(gòu)電機系統(tǒng)的研究,其在結(jié)構(gòu)上進行主動或者被動變化,還是需要接受上級控制器的重構(gòu)指令,今后發(fā)展趨勢和方向是結(jié)合智能控制技術(shù),其能夠根據(jù)航天器結(jié)構(gòu)、任務(wù)變化進行自適應(yīng)的重構(gòu)系統(tǒng)。