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1、电机与电器 1773 容错 VSI-PMSM 无位置传感器控制系统研究 安群涛 孙 力 赵 克 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 黑龙江 哈尔滨 150001 【摘 要】 为了提高系统的可靠性，针对系统中的脆弱环节，提出了一种新型容错逆变器-永磁同步电 动机无位置控制系统结构。系统中的逆变器采用容错拓扑结构，由四开关实现逆变器器件 开路故障后的容错运行，自适应滑模观测器估算电机转子位置和转速，实现永磁同步电动 机的无位置控制。为减少四开关逆变器的输出谐波，对其 SVPWM 控制策略进行了研究分 析。仿真和实验结果证明了系统的可行性，为提高电机调速系统可靠性提供了途径。 【关键词】 永磁同步电
2、动机 无位置传感器 自适应滑模观测器 容错逆变器 三相四开关 Study on Fault-Tolerant Inverter Permanent Magnet Synchronous Motor Position Sensorless Control System An Quntao Sun Li Zhao Ke School of Electrical Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，Heilongjiang，China Abstract：In order to improve reliability，a n
3、ew fault-tolerant inverter based permanent magnet synchronous motor（PMSM）position sensorless control system is proposed to avoid frail parts. The fault-tolerant inverter topology is adopted which the four switches are used to maintain running when an open-switch fault happens. Sensorless control of
4、PMSM is implemented by means of an adaptive sliding mode observer（SMO）. Space vector pulse width modulation of four-switch inverter is studied in order to reduce harmonic. The simulation results as well as experimental ones illustrate the validity and efficiency of the proposed structure and method，
5、and an approach improving motor adjustable-speed system is developed. Key words：Permanent magnet synchronous motor；Position sensorless；Adaptive sliding mode observer； Fault-tolerant inverter；Three-phase four-switch 永磁同步电动机以其优越的调速性能得到了广泛研究和应用，为了降低成本、解决机械位置传感 器安装困难、环境适应能力及可靠性差等问题，无位置传感器控制技术成为人们关注的热点1，
6、2。电压 源逆变器（VSI）是永磁同步电动机控制系统中最常采用的功率变换器。然而，其中的功率半导体器件 及其控制电路是最易发生故障的薄弱环节，其可靠性问题一直没有得到有效解决。最新研究也表明： 变频调速系统中功率变换器的故障占整个驱动系统故障的82.5%，是驱动系统中最易发生故障的薄弱环 节3。功率变换器一旦发生故障，轻则将造成系统停机影响生产，重则造成灾难性事故。尽管人们为提 高调速系统的可靠性而采取降额设计或使用并联冗余元件等方法，但这会使系统造价过高，仅适用于 空间条件许可的场合。为改变这种状况，国外已有研究者提出逆变器容错技术4-6。容错控制使系统在 作者简介：安群涛（1984） ，男
7、，博士研究生，研究方向为电机控制与驱动系统故障诊断。电话：0451-86412946， E-mail：anquntao 通信作者：孙力（1960） ，男，教授，博士生导师，研究方向为电机控制、电磁兼容和风力发电。电话：0451-86412946， E-mail：motor611 1774 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 发生故障的情况下，能够自动补偿故障的影响以维护系统的稳定性和尽可能恢复系统故障前的性能， 从而保证系统的运行稳定可靠，是提高系统可靠性和安全性的一个重要途径。 本文将具有容错功能的逆变器单元与无位置传感器控制技术相结合，提出了新型容错逆变器-永磁 同步电动机无位置传
8、感器控制系统结构，从整体上提高了永磁同步电动机系统的可靠性。 1 容错 VSI-PMSM 无位置控制系统构成 容错逆变器-永磁同步电动机无位置控制系统结构如图 1 所示。逆变器部分采用容错拓扑结构，根 据诊断出的故障，结合相应的控制策略实现逆变器的容错。同时，无论在正常的三相六开关和故障容 错的三相四开关状态下，基于滑模观测器的无位置传感器控制算法都能有效估算出电机的转子位置和 转速，实现无位置传感器控制。 图 1 容错 VSI-PMSM 无位置控制系统构成 Fig.1 The structure of fault-tolerant VSI-PMSM position sensorless c
9、ontrol system 2 容错逆变器拓扑和三相四开关容错控制 2.1 容错逆变器拓扑与故障诊断 容错逆变器拓扑如图 2（a）所示。母线串联电容的中点通过三个双向晶闸管分别连接到绕组输入 端，这种结构简单，需要的功率器件少，且无需电机绕组中性点。 o 1 VT 2 VT 3 VT 4 VT 5 VT 6 VT a b c 2 d u 2 d u n 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D TRa TRb TRc a i b i c i o 2 VT 3 VT 5 VT 6 VT a b c 2 d u 2 d u 2 D 3 D 5 D 6 D 1 C 2 C n a i b i
10、c i 1 C 2 C （a）容错逆变器拓扑 （b）三相四开关逆变器 （a）Fault-tolerant inverter topology （b）Three-phase four-switch inverter 图 2 容错逆变器拓扑和三相四开关逆变器 Fig.2 The fault-tolerant inverter topology and three-phase four-switch inverter 电机与电器 1775 要实现逆变器的容错控制，首先应诊断出故障的位置，这里采用电压检测法7：当功率开关发生断 路故障时，逆变器相电压（图 2a）中a、b、c点与0点之间的电压） 、电机
11、相电压、电机线电压或电机 中性点电压与正常工作时相比均有偏差，根据这些电压偏差即可诊断故障位置。根据故障开关位置 （假设a相桥臂故障） ，触发相应的双向晶闸管导通TRa，将电容中点与a相绕组短接，就构成了三相四 开关逆变器，如图 2b）所示。 2.2 三相四开关逆变器的 SVPWM 控制 空间矢量脉宽调制（SVPWM）以三相对称正弦波电压供电时交流电动机产生的理想圆形磁链轨迹 为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁链圆，从而达到较高的控制性能8。传 统的六开关逆变器可提供6个有效电压矢量和2个零矢量，而四 开关逆变器只有4个开关状态，对应4个基本电压矢量，且没有 零矢量。对于
12、图 2b）所示的四开关逆变器，用开关函数sb、sc表 示b、c两相桥臂功率开关管的通断状态：1 代表上管导通，下 管关断；0代表上管关断，下管导通。三相四开关逆变器的基本 电压矢量如图 3 所示，4 个基本电压矢量，将矢量空间划为4个 扇区。 则电机相电压可以用开关函数表示为 (1) 3 1 (2) 32 1 (2) 32 d abc d bbc d ccb u uss u uss u uss = = = （1） 其中， a u、 b u、 c u分别为电机相电压； d u为直流母线电压。 定义电压矢量U为 2 2 () 3 abc uaua u=+U （2） 利用Clarke变换，得到电压在
13、两相静止坐标系下的两个分量 (1) 3 () 3 d bc d bc u uss u uss = = （3） 则有 j =+UUU （4） 四开关逆变器的4个基本电压矢量轴上的分量，如表1所示。 表 1 四开关逆变器的基本电压矢量 Tab.1 The basic voltage vectors of three-phase four-switch inverter () b c s sU u u 0(00) U /3 d u 0 1(01) U 0 /3 d u 2(10) U 0 /3 d u 3(11) U /3 d u 0 0(00) U 2(10) U 1(01) U 3(11) U
14、U U U 图 3 三相四开关逆变器电压矢量 Fig.3 Voltage vectors of three-phase four-switch inverter 1776 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 如图 3 所示，在任一扇区内，参考电压矢量U可以由互差90的相邻两电压矢量主矢量来合成。定 义参考电压矢量与其旋转方向上落后电压矢量间的位置角为。以扇区为例， 0 U、 2 U为用于合成参 考电压矢量的两个相邻主矢量。 0 U、 2 U的作用时间可以表示为 0 sin/ x TUTU= （5） 2 cos/ y TUTU= （6） 通常 x T与 y T之和并不一定等于采样周期T，
15、差值为 0 - xy TT TT=。在传统六开关系统中，由于存 在零矢量，时间 0 T可通过施加零矢量来补足。但四开关系统中不存在零矢量，因此可考虑在相同时间 内施加2个相反方向电压矢量来等效零矢量的作用9。 3 PMSM 转子位置和转速的自适应滑模观测器 考虑永磁同步电动机在坐标系下的电流状态方程 ()=+ ? iAiB ue （7） 式中，系数矩阵 0 0 R L R L A =， 10 01 L L B =，其中R、L分别为电机绕组电阻和电感； T ii = i和 T ii = ? i分 别 为 定 子 电 流 矢 量 及 其 导 数 ； T uu = u为 定 子 电 压 矢 量 ； TT sincos ff ee = e为反电势
