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《南京航空航天大学》 2017年
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高可靠性双绕组永磁容错电机及其控制系统研究

蒋雪峰  
【摘要】:随着多电飞机的飞速发展,对飞机电作动系统的要求也越来越高,除了要满足特定功能外,还必须具备高可靠性和强容错性,因此容错电机驱动系统得到了越来越多的关注。本文针对现有容错电机驱动系统及其控制策略存在的不足之处,从高可靠性双绕组永磁容错电机及其驱动系统的设计与容错控制等方面进行研究,提出了一些改善电驱动系统容错性能的新方法,主要包含以下内容:针对现有永磁容错电机及其驱动系统在容错能力、所需独立电源数量、所需功率开关管数量、整体容量功率比以及容错控制策略方面的不足,经对比分析后,针对飞机电作动系统应用,深入研究了一种高可靠性双绕组永磁容错(DFPM)电机及其驱动系统,并根据航空用某飞机电作动系统提出的电机设计要求,对DFPM电机进行了设计与性能优化、电机运行状态分析、有限元分析验证和样机实验验证。本文深入研究的高可靠性DFPM电机具有磁隔离、物理隔离、热隔离、齿槽转矩脉动小、抑制短路电流、高容错性等优点,研究的DFPM电机驱动系统是现有永磁容错电机驱动系统中所需独立电源个数最少、所需功率开关管数量最少、所具有的整体容量功率比最大、最适合应用于飞机电作动的容错电机驱动系统。针对当前传统永磁容错电机驱动系统容错控制策略存在控制策略过于复杂、开关频率不固定、电流波动大等问题,提出了高可靠性DFPM电机驱动系统基于矢量控制的热备份余度容错控制策略。在建立了DFPM电机驱动系统数学模型的基础上,分别从系统余度容错控制原理、余度容错控制中的绕组开路故障诊断及其故障处理、绕组短路故障诊断及其故障处理以及余度通信策略方面进行了深入分析与详细介绍,并通过系统建模仿真和搭建硬件实验平台进行了DFPM电机绕组开路和短路故障的仿真和实验验证。提出的高可靠性DFPM电机驱动系统的余度容错控制策略简单易行、具有故障诊断与余度通信功能,每个余度都能提供平滑的转矩、电流波动小,即使一个余度故障时也不会引入纹波或阻力矩进入系统,能够实现绕组开路或短路的故障容错,使系统在故障态时仍可正常运行,具备高可靠性和强容错性。针对直升机绞车应用,分析了DFPM电机驱动系统的四象限容错运行原理,提出了DFPM电机驱动系统的四象限容错运行控制策略,且对DFPM电机驱动系统的四象限正常运行、四象限条件下开路故障运行以及四相象条件下短路故障运行进行了实验验证。实验验证结果表明,当系统处于四象限运行条件下发生绕组开路或短路故障后,系统输出性能仍可保持不变,且实现了DFPM电机驱动系统的四象限开路故障和短路故障容错运行。针对目前电机驱动系统开路故障诊断技术一直存在的受负载和转速突变而出现误判断的问题,对DFPM电机驱动系统开路故障诊断鲁棒性进行了优化研究,提出了DFPM电机驱动系统强鲁棒性开路故障诊断策略。通过理论分析、仿真分析和实验研究表明,提出的DFPM电机驱动系统强鲁棒性开路故障诊断策略能够有效地提高故障诊断的鲁棒性,克服了传统开路故障诊断方法在负载突变或转速突变情况下出现误判断的问题,且防止了系统在空载或轻载情况下出现误判断的问题,该诊断策略能有效地诊断出系统单个功率开关管的开路故障和单相绕组的开路故障。为了适应飞机单电源供电体制,克服多相永磁容错电机H桥驱动系统采用的功率开关管和独立电源数过多,以及控制策略过于复杂的不足,改善高可靠性DFPM电机驱动系统供电电源不满足单电源供电体制,且在故障后利用率上不够高的问题,在原有高可靠性DFPM电机驱动系统的基础上,提出了基于桥臂冗余的DFPM电机驱动系统及其基于新型空间矢量脉宽调制的桥臂冗余容错控制策略。通过进行DFPM电机驱动系统桥臂冗余容错控制原理分析、系统桥臂冗余容错控制中绕组开路故障和短路故障诊断及故障处理、系统仿真分析和实验研究,表明了基于桥臂冗余的DFPM电机驱动系统适用于飞机单电源供电体制,不仅能减少功率开关管和独立电源的数量,节省系统成本,而且能提高系统功率密度、系统可靠性以及故障后系统利用率。DFPM电机驱动系统桥臂冗余容错控制策略具有很好的容错能力,能实现对DFPM电机中一相绕组或多相绕组故障的容错控制。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM351

【参考文献】
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