無刷直流電機（Brushless Direct Current Motor,BLDCM）以其結(jié)構(gòu)簡單、功率與轉(zhuǎn)矩密度大、重量輕、效率高等優(yōu)點，已成為航空航天領(lǐng)域功率電傳系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的首選。BLDCM作為電傳系統(tǒng)關(guān)鍵執(zhí)行元件，一旦出現(xiàn)故障，將會威脅飛行安全。為提高其可靠性，國內(nèi)外正廣泛開展BLDCM系統(tǒng)冗余與容錯技術(shù)的研究[3-12]，主要包括驅(qū)動電路、電機結(jié)構(gòu)和控制策略三個方面。

目前對于三相繞組容錯控制的研究大多數(shù)是針對三相逆變器的故障情況，而對于電機繞組的故障分析也集中在繞組開路路障，對繞組相間短路故障研究較少。文獻(xiàn)[3-6]提出了兩種BLDCM調(diào)速系統(tǒng)三相容錯逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)逆變橋發(fā)生短路故障時，通過熔斷器進(jìn)行故障支路切除，將短路故障轉(zhuǎn)換為開路故障進(jìn)行處理，同時啟用備用橋臂進(jìn)行容錯控制，能夠?qū)崿F(xiàn)短路容錯控制，但增加了驅(qū)動器成本，并且熔斷器響應(yīng)時間在毫秒級，難以及時保護(hù)。

文獻(xiàn)[7-12]提出了四相、五相或雙繞組BLDCM冗余容錯控制方法，故障后啟用備用繞組容錯運行，在電機匝間或繞組發(fā)生短路情況下能夠容錯運行，但增加了電機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

在BLDCM長期帶載運行過程中，繞組引線過熱、絕緣層老化或機械損壞等原因可能造成相間短路。繞組相間短路后，短路相的電流急速上升，電流變化率或電流絕對值過大都會造成逆變器功率管損壞等二次故障，導(dǎo)致電機控制系統(tǒng)功能喪失。

本文提出一種BLDCM兩相短路容錯控制策略。該策略通過在電機繞組設(shè)置電流檢測元件，對電機三相電流進(jìn)行檢測，將連續(xù)兩次檢測值的差值作為特征量進(jìn)行故障定位；根據(jù)定位結(jié)果，改變逆變橋功率管導(dǎo)通次序、導(dǎo)通時間，實現(xiàn)四步換相容錯運行。

該策略無需改變常規(guī)BLDCM驅(qū)動器硬件結(jié)構(gòu)或增加電機繞組數(shù)，可以實現(xiàn)BLDCM在繞組兩相短路故障后系統(tǒng)仍穩(wěn)定可靠工作。針對兩相短路容錯控制時轉(zhuǎn)矩脈動較大的情況，本文通過改變調(diào)制方式進(jìn)行轉(zhuǎn)矩脈動的抑制。

圖1 三相BLDCM容錯系統(tǒng)等效電路

圖12 實驗平臺

結(jié)論

本文提出了BLDCM兩相短路的四步換相容錯運行方法，該策略可以在1~2個PWM周期內(nèi)完成故障定位并有效地控制電機在發(fā)生兩相短路故障后穩(wěn)定運行，容錯運行時非故障相相電流峰值接近正常運行時的1.5倍，故障相相電流峰值接近正常運行時的1.25倍，轉(zhuǎn)矩脈動增加20%，轉(zhuǎn)速波動在5%以內(nèi)。對本文提出的容錯控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，并進(jìn)行了仿真和實驗，所得結(jié)果與理論分析有較好的一致性。

該控制策略具有以下優(yōu)點：①無需增加逆變橋臂數(shù)量與熔斷保護(hù)電路；②沒有增加電機繞組余度數(shù)目；③有效提高了BLDCM系統(tǒng)可靠性。