容錯高功率電機控制：ST解決方案的算法和架構.pdf

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1、容錯電機控制ST解決方案的算法和架構Gianluigi Forte議程1容錯系統介紹2STEVAL-FTD01KCB容錯六相電機驅動3故障隔離4故障檢測5故障補償6結論問答2容錯系統介紹容錯電機控制系統4定義：即使在故障期間也能提供連續服務的系統 MC系統中的服務連續性是指電機產生所需扭矩的能力。無降額：即使在故障條件下，電機也能產生相同的扭矩（速度）。降額：電機在故障狀態下產生降低的扭矩（速度）。它必須能被應用所接受。電機控制系統由電機、逆變器和算法組成。電機控制系統的故障條件5可能導致系統無法工作的原因電機故障（斷相、短路、連接缺失等）傳感器故障（傳感器損壞、連接缺失等）逆變器故障（功率晶

2、體管短路、柵極驅動器故障、電源問題等）問題6 在三相系統中，當一個相位因故障而無法使用時，另外兩個相位的電流將會發生變化。=在這種情況下，無論施加在電機上的電壓是多少，都無法產生旋轉的定子磁場。=0產生通量的方向解決方案=0=0增加系統冗余：完全冗余，復制三相系統（雙3相）。多相(3)，當一相不再可用時，剩余的相用于產生旋轉場和扭矩。雙3相多相6相與3相（帶并聯設備）兩種情況下都使用雙組件失去1臺設備，故障支路無法使用：剩余8/12個合適的設備，但只有2個相位設備通常并聯使用以獲得高功率例如3支路的設備總數，Ndev=12UVVW設備數量相同，但方式巧妙！6支路的設備總數，Ndev=12 UV

3、W失去1臺設備，故障支路無法使用：剩余10/12個合適的設備，但有5個相位當前無法控制?。ǚ罩袛啵╇娏骺刂凭邆淇赡苄裕ǚ者B續性）XYZSTEVAL-FTD01KCB容錯六相電機驅動主要產品關鍵特性定制web版本：適用于工業應用的容錯六相電機驅動器10具有6相輸出的逆變器250-400 V直流鏈路，功率高達1.5 kW高達14 Arms的電機相電流符合FOC標準能夠承受多達3次并發故障模塊化和可擴展與感應電機(IM)、永磁同步電機(PMSM)、同步磁阻電機(SynRM)兼容MC連接器v2.0STM32G473QB：Arm Cortex-M4 MCU 170 MHz，具有128 KB Flas

4、h存儲器STGB20M65DF2：TGFS IGBT M系列，650 V 20 A低損耗STGAP2D：電隔離4 A半橋柵極驅動器2024STEVAL-FTD01KCB 主板（1個）：是所有其他板的集合，包含繼電器、保險絲以及電流電壓檢測?？刂瓢澹?個）：包含STM32G4微控制器。支路板（6個）：包含柵極驅動器、功率晶體管器件和散熱器。在發生破壞性故障后易于更換。模塊化方法11散熱器電源設備主板支路模塊系統框圖 啟用/禁用門驅動功能 嵌入式模擬OPAMP/COMP的專用輸入，用于電流檢測/保護 BEMF感測（如六步）單獨的BRK/BRK2輸入 允許同一驅動器使用多個位置和速度傳感器 支持解算

5、器傳感器 支持交錯式PFC 支持Sigma/Delta調制器 支持數字編碼器MC連接器v290 mm10 mm18 mm故障隔離短路故障15通常，功率晶體管的故障模式是漏極和源極之間短路。如果一個功率晶體管發生故障，例如Q2，那么互補晶體管Q1很快也會因短路而發生故障。這會使整個支路處于永久短路狀態。Q1Q2CDCVDCVDC分割16為了隔離故障支路，我們增加了一個專用的快速熔斷器。正確選擇直流電容器CDC和保險絲對于保證保險絲熔斷和盡量減少短路引起的VDC壓降非常重要*。當保險絲熔斷時，直流總線將被隔離。Q1Q2CDCVDCFuse protection*本文進行了詳細的研究：容錯電壓饋電P

6、WM電機驅動器故障隔離系統的性能分析電機相位分割在正常運行期間，一個“常閉”繼電器會將連接支路輸出與電機相位。保險絲熔斷后，繼電器被迫斷開，將電機相位與故障支路斷開。如此一來，逆變器便能繼續使用剩余的支路運行。故障檢測故障檢測該解決方案管理的故障是支路短路和斷相。Q1Q2VDC支路短路Q1Q2VDC斷相可靠的故障檢測對于執行斷開繼電器和管理故障補償等操作至關重要支路短路故障檢測*專利已申請：脈寬調制變換器故障檢測方法及裝置20+VDCGNDOUTgategateHigh Side PWM logical gate signalHigh side deviceLow side deviceLow

7、 Side PWM logical gate signalonoffoffonNormal OperationOUTVDC15V15Vonoffoffon3.3V3.3VonoffoffonMCU output(gate driver input)Gate driver output(power switches gate input)ttHigh Side PWM gate signalOUTGNDLow Side PWM gate signal15V15VonoffoffonHigh Side PWM logic signalLow Side PWM logic signal3.3V3.3

8、VonoffoffonMCU output(gate driver input)Gate driver output(power switches gate input)ttGNDFault triggeredFFuse openGate DriverHigh Side gate-emitter voltageonoffLow Side gate-emitter voltageoffon3.3V3.3V15V15VHigh Side gate-emitter voltageLow Side gate-emitter voltageHigh Side PWM logical gate signa

9、lLow Side PWM logical gate signalGate DriverFaulty Operation專利已申請*當輸出測量電壓不符合高邊PWM指令信號時，即可檢測到故障斷相故障檢測斷相故障檢測算法基于計算電機相電流的均方根值。在測量RMS值之后，執行統計分析以建立閾值。如果任何RMS值低于閾值，則認為相應的相位存在故障RMS相位電流故障檢測故障補償健康條件 在健康運行中，所有六個相位都有助于產生合成磁通量。如圖所示，U和Y相位的貢獻方向相同，其他對VZ和WX也是如此。綠色、紅色和藍色矢量表示每對矢量的貢獻。為了產生振幅恒定的旋轉通量，所有六個相位必須具有相同的振幅，并且相位

10、偏移60。111111060120180240300故障條件在故障條件下，缺失相位的貢獻必須由其他相位補償。剩余電流的幅度和/或相位被調整，以保持m.m.f.正弦曲線并優化效率。例如，如果故障相位為U，則剩余相位設置如下：01.2961.2961.2961.2961.296025114180246335故障補償健康條件A相故障后補償補償和控制算法wrm,refwrm,fbkIq,refId,refIqIdPIPIPIVqVddqabq qeVbVaTsINV+RelaysRelays CommandsIababIabcxyzdqababIdIqVabcxyzIabcxyzFault event

11、 triggerENC TIMwrm,fbkppwre,fbkIM6or HALLTIM1TIM8Pos/Speed SensingHaHbHcHxHyHzPWMSpeed,Torque and Flux Control LoopsGPIO outputsTs-1V*abcxyzADC1 ADC2 ADC3Voltage Conditioning and IsolationCurrent FilteringCurrent and Voltage SensingweRotor Flux position and speed estimatorq qePR*PR*weVz1z2V0102Iz1z2

12、I010200Fault DetectionIz1z2,refI0102,refIz1z2I0102dqabIdq,refIabab,refLook-UpTableK matrix gains selectionFaulty PhasesFaulty PhasesKq qeFault Compensation loopEncoder固件開發X-CUBE-MCSDK 5.X的定制276相電機速度FOC（同步/異步）脈沖寬度調制(PWM)實現Sin-Tri-PWM（需要使用常規轉換進行總線電壓測量）TIM1、TIM8高級PWM定時器（3+3通道）電流檢測通過絕緣電流傳感器(ICS)進行6相電流測量

13、：Iu,Iv,Iw,Ix,Iy,Iz逆變器輸出電壓測量（可選，故障檢測）6次模擬測量：Vu,Vv,Vw,Vx,Vy,Vz 速度/位置感應增量編碼器：與MCDSK相同中繼指令6個輸出GPIO，用于控制相位端子繼電器可根據需要提供存儲器類型大小ROM40kRAM31.5kCCM RAM9k演示代碼的內存占用結論實驗結果：IFOC速度為700 rpm，5 Nm，故障補償已激活Fault eventSpeed Post-fault Normal OperationPhase currents速度恢復并保持不變，無振蕩單相故障驗證問答31工業峰會資料下載中心能以致勵子網站 STMicroelectronics-保留所有權利。ST徽標是STMicroelectronics International NV或其附屬公司在歐盟和/或其他國家的商標或注冊商標。若需意法半導體商標的更多信息，請參考