电力作动器用高可靠性永磁容错电机控制系统的设计及其试验分析

针对电力作动器的高可靠性要求,结合转子磁钢采用离心结构的六相十极永磁容错电机(FTPMM),提出一种基于电流直接控制法的容错控制系统。当电机绕组或功率管发生断路及短路故障时,系统无需硬件故障辨识信号及软件算法切换就可实现系统的强容错功能,即故障后电机输出转速不变,输出功率与发生故障的相数有关,当电机系统出现一相、两相、三相故障时,电机分别可输出100%、80%、60%的额定功率;设计了一台750 W六相十极永磁容错电机的原理样机及其全数字化控制器,证明了该容错控制策略的正确性及整个电机控制系统的强容错性及可行性。     

电力作动器中永磁容错电机的电感和谐波分析

 针对永磁容错电机大漏感的特点,利用磁矢量有限元法对六相十极永磁容错电机进行分析,得出其绕组自感的组成成分,尤其是电机内漏感分布;同时建立六相十极永磁容错电机的磁路模型,利用磁路法推导出较高精度的绕组自感及其组成部分的解析式,通过有限元验证,该解析式的计算精度在5.6%以内。此解析式可推广到一般的永磁容错电机中去,进而为永磁容错电机的初始设计和性能分析提供了理论依据。最后,对永磁容错电机内谐波漏感进行了量化分析,为后续的电机控制及其热分析打下基础。     

电力作动器中永磁容错电机及其控制系统的发展

 详细分析了电力作动器中永磁电机及其控制系统的不同容错方案,并进行了总结比较,指出了各个方案的优缺点。同时建立了六相十极永磁容错电机的有限元仿真模型,利用有限元矢量磁位法对该模型进行了静态和瞬态电磁场的仿真分析。通过有限元计算表明,发生断路或短路相的电枢绕组对其他相绕组几乎没有电磁影响,因此,六相十极永磁容错电机具有很强的磁隔离和故障隔离能力。     

永磁容错电机最优转矩控制策略实验

 永磁容错(FTPM)电机不仅具有容错和故障隔离能力,还继承了一般永磁电机功率密度大、转矩脉动小的优点,故在航空用电力作动系统中得到大力发展。最优转矩控制(OTC)算法可以实现电机在正常和故障时(一相断路或短路)输出电磁转矩脉动最小化。本文设计了750 W六相十极FTPM电机最优转矩控制系统平台,提出了两种简单实用的绕组故障诊断方法,对最优转矩控制算法进行了实验研究。实验结果表明,该算法能够实现故障前后转矩转速性能基本不变,且转矩脉动均小于20%,故障时动态响应快。     

三相永磁容错电机单相故障的容错控制

为了使三相永磁容错电机在单相故障后仍能输出满足要求的转矩,提出了容错电流优化控制方法。针对开路故障,利用故障前后磁动势不变的原则,得到了故障时的容错补偿电流,实现对转矩脉动的补偿。针对短路故障,利用分开补偿的策略,对由短路电流引起的转矩脉动和缺相不对称转矩脉动进行分开补偿,进行了电流矢量合成,实现了电机在短路时输出转矩脉动的最小化。通过MATLAB/Simulink进行仿真,验证了所提出容错控制方法的有效性。     

具有高精度的永磁容错电机非线性电感分析及其解析式求取

 以六相十极永磁容错电机（FTPMM）为例,通过对电机中磁力线分布的分析,得出FTPMM绕组自感的各个主要组成部分,即激磁感、谐波漏感、槽口漏感和槽内漏感,并分析出FTPMM的大电感是通过增加槽口漏感和谐波漏感来实现的。为提高电机优化设计的正确性,提出了新的磁路模型,并引入槽口磁压降参数和槽口计算厚度参数,得出了具有高精度的非线性绕组自感及其组成部分的解析式。最后通过有限元法(FEM)及实验验证,该解析式的精度在13%以内,并且电机具有很强的容错能力,对永磁容错电机的优化设计和性能分析有理论指导意义。     

四相永磁容错电机的SVPWM控制

为了提高四相永磁容错电机(FTPMM)在系统正常工作时的控制性能,在分析其结构和原理的基础上,建立了其在旋转坐标系下的数学模型,为实现电流、磁链、转矩的解耦控制创造了条件,设计了基于H桥的容错驱动,提出了一种新颖的四相永磁容错电机的电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）策略,并巧妙设计了零矢量的插入顺序和重合矢量的选择顺序,方便了数字信号处理器(DSP)的实现。仿真和试验结果证明了在系统正常工作时该方法的正确性和优越性。     

五相双转子永磁容错电机故障运行能力仿真分析

提出了一种新型五相双转子永磁容错电机, 它包括两个转子和一个定子, 其中内外转子永磁体均采用径向充磁且充磁方向相同,定子铁心内外开槽,可以安放两 套绕组,这两套绕组可以串联连接, 也可以并联连接。针对这两种连接方式, 对开路 （一相开路、两相邻相开路和两不相邻相开路）和短路故障进行仿真,有限元仿真结果 证明： 绕组并联连接优于串联连接。为了提高绕组串联连接时电机的故障运行能力, 采取了电流优化控制策略,仿真结果表明该方法在一定程度上可以改善电机的力矩性能。     

船舶电力推进永磁容错电机模糊自适应PI控制

永磁容错电机(FTPMM)综合了永磁同步电机和开关磁阻电机的优点,可作为电推船的推进电机。在研究船用FTPMM结构及数学模型的基础上,对电机采用模糊自适应PI控制。误差大时,增加误差控制作用的权重,提高系统响应速度;误差小时,增加误差变化量控制作用的权重,使系统尽快进入稳态。通过仿真对比分析了模糊自适应PI控制策略相较于普通PI控制的优越性,并验证了其在船舶电力推进系统中应用的可行性。     

五相永磁同步电机缺两相容错型直接转矩控制

为了增强五相永磁同步电机(PMSM)驱动系统的可靠性,以永磁体磁通中含有3次谐波分量的五相凸极式PMSM为研究对象,在无故障数学模型的基础上,针对五相绕组缺两相故障情况,提出了相应的缺两相容错型直接转矩控制(PTC)策略。该策略通过构建五相电机缺两相后的α1β1空间电压矢量分布图,基于当前周期的基波磁链信息和基波转矩信息,挑选出下一周期逆变器输出的最优电压矢量。为了实现平滑转矩,基波转矩采用总转矩给定值前馈补偿的方式以抵消电机缺相后3次谐波磁链耦合至α1β1空间而产生的转矩脉动。最后通过试验验证了所提控制方案能够在互相电机缺两相故障情况下平稳运行,且能实现正常运行到容错运行的快速切换。     

基于自动代码生成技术的永磁同步电机控制

为缩短电机控制系统软件开发周期,减少手写代码人力消耗,将自动代码生成技术应用于机载燃油泵用电机控制系统的软件开发中,介绍了自动代码生成技术的特点及开发流程,在MATLABSimulink环境下搭建了基于矢量控制算法的永磁同步电机系统控制模型,通过实验将模型自动生成为嵌入式代码,成功的实现了电机的闭环控制,极大地提高了开发效率,达到了预期成果。     

逆变器并联驱动永磁同步电机容错控制研究

为了提高逆变器并联驱动永磁同步电机(PMSM)系统的运行可靠性,基于对比研究方式设计了两种逆变器并联驱动PMSM的容错控制方案,分别为正常通路电流补偿方案和等效电流补偿方案。两种容错控制方案均不同于传统方案,后者将故障逆变器整体隔离,前者则充分利用了所有逆变器非故障桥臂,以降低故障条件下的铜耗,并输出平稳转矩。此外,两种新型容错控制方案均结合了比例谐振电流控制器以实现对不对称参考电流的跟踪,避免了并联逆变器之间可能出现的环流。最后,通过PMSM并联驱动系统的容错控制试验,验证了新型容错控制策略的效果。     

高速无轴承永磁电机设计与分析

高速电机具有高功率密度、能够减小设备体积与重量,可以直接驱动负载、提高传动效率,在航空航天、新能源、精密制造等领域具有广阔的应用前景。将无轴承永磁电机应用于高速驱动系统,在推导无轴承永磁电机数学模型基础上,提出了高速无轴承永磁电机设计方法。通过对一台额定功率2 300 W、额定转速8 000 r/min、调速范围0~60 000 r/min的高速无轴承永磁电机进行电磁和机械一体化设计,并采用有限元法对样机的电磁性能和动力学性能进行优化。仿真试验结果验证了所采用的设计方法的正确性。     

新型永磁复合电机的设计与优化

基于同心式永磁齿轮的运行机理,设计了一种新型的低速大转矩永磁复合电机模型,给出了模型参数化设计的计算方法。通过控制变量法,逐一改变调磁极块的长度、厚度,定子冲片轭铁厚度以及内转子轭铁的厚度等参数,再通过Ansoft有限元仿真软件对这些参数进行优化仿真。结果表明,可以有效提高电机的转矩密度,降低转速波动。     

基于双变量预测控制的表贴式永磁同步电机直接转矩控制系统

基于电压矢量幅值和相角为变量的表贴式永磁同步电机(SPMSM)定子磁链幅值和转矩表达式,给出了9个不同幅值和相角的备选电压矢量,采用预测控制计算得出施加不同电压矢量下一时刻的定子磁链幅值和转矩值,建立了基于磁链和转矩误差的目标函数,并选择使目标函数最小的电压矢量为作为下一时刻施加的最优电压矢量。仿真结果表明:在双变量预测控制下,SPMSM直接转矩控制系统运行良好,定子磁链轨迹为理想圆,磁链和转矩均符合控制要求,转速跟踪良好,定子电流波形正弦。进一步对比分析表明:与开关表和固定电压矢量选择策略相比,双变量预测控制能显著减小转矩和磁链脉动。与开关表相比,转矩脉动均方根误差降低了62.92%,磁链脉动均方根误差降低了45.05%,评价函数均值降低了60.30%;与固定电压矢量选择策略相比,转矩脉动均方根误差降低了22.40%,磁链脉动均方根误差降低了3.85%,评价函数均值降低了15.93%。     

基于二阶滑模的永磁同步电机SVMDTC

针对永磁同步电机空间矢量直接转矩控制中存在的磁链脉动大、转速超调大和转速动态响应速度慢等问题,提出基于Supertwisting二阶滑模控制理论将转速环、磁链环和转矩上的控制器全部换成Supertwisting滑模控制器。对所提出的控制理论利用MATLAB/Simulink仿真软件进行仿真验证。仿真结果表明所提出的控制理论能够成功抑制转速超调,实现提高转速、磁链和转矩的动态响应速度、抑制转矩和磁链脉动。