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无刷直流电机逆变器的故障诊断及容错技术研究

杨家华  
【摘要】:随着无刷直流电机在军事、交通、航空航天等高安全领域的广泛应用,提高其在系统中运行的可靠性变得尤为重要。而功率变换器作为无刷直流电机中最容易发生故障的单元,极大地影响了系统的安全性,为此本文针对无刷直流电机逆变器单管开路故障的故障检测与容错控制进行了深入研究。首先,本文研究了功率变换器故障的诊断方法。针对传统误差电压法设计复杂、成本高的缺点进行了改进,本文采取基于端电压的电压检测误差法进行故障诊断,在仅测量电机端电压的方式下简单快速的诊断出故障位置。结合换相信号和PWM控制信号给出了判断故障的端电压逻辑表达式,通过对比端电压在正常状态下逻辑计算值与故障前后实际测量值的不同,以实现故障的诊断与定位。其次,在诊断出故障位置后需对电机进行容错控制,以保证电机恢复安全的运行状态。本文采取硬件容错拓扑重构与软件控制策略相结合的容错技术,实现了电机的容错运行,并确保故障前后的输出性能与控制方式均不发生任何改变。最后,在MATLAB/SIMULINK仿真环境下对故障诊断方法及其容错控制策略进行了建模。同时,搭建了以ARM控制器STM32F103ZET6为核心的无刷直流电机容错系统硬件平台,完成了硬件电路与软件程序的实现与调试。通过实验波形与仿真结果对比验证了该容错系统对于功率管单管开路、短路及同一桥臂上下两管的开路、短路故障均能够实现故障的诊断与容错运行。


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