六相永磁容错电机的暂态控制研究

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电力作动系统代替传统的液压作动系统是多电飞机的发展趋势。作为下一代战机的关键技术之一,电力作动系统是飞行器完成各功能任务操作的最后环节,其健康程度直接影响整个飞机的安全。因此,作动电机必须具有高容错性和可靠性,容错电机便应运而生。目前对容错电动机的研究主要针对电机的稳态和故障态的简单隔离,而对作动电机故障后控制重构这一暂态过程研究甚少,难以确保作动电机重构过程的平稳过渡,虽然其持续的时间很短,但对电机的运行却是至关重要的,尤其是对运行性能要求很高的战斗机电力作动系统,暂态可能会引起较大的转速变化、转矩脉动和机械振动,而作动系统的脉动对飞机的操控有很大影响,直接关系到飞行安全。因此,开展电机容错重构暂态过程控制研究具有十分重要的理论与实际应用价值。  六相永磁容错电机以其高功率密度、高可靠性、较高的容错性以及良好的调速性能等优点,成为飞机电力作动系统驱动电机的首选。本文致力于提高六相永磁容错电机暂态运行的可靠性和平稳性,重点开展了电机的典型故障诊断研究,并设计了对应的容错控制策略,保证电机故障后良好的运行能力,采用基于加权灰靶理论的方法对电机健康状态进行评估,为进一步开展主动容错控制奠定了基础。  本文详细分析了六相永磁容错电机的结构、特点及其故障隔离能力,建立了电机的数学模型,利用矢量变换实现了电机的解耦控制,采用磁场定向控制和电流迟滞环跟踪控制策略,搭建电机及其控制系统仿真模型,通过大范围的调速对电机模型稳、暂态特性进行仿真分析,结果验证了所建模型的合理性。  电机作为电力作动系统的关键部件,其故障将直接影响飞机安全。本文针对电机最常见的四类故障(定子绕组匝间短路、开路、变换器功率管短路以及轴承磨损)进行机理分析,建立了各故障的数学模型及仿真模型,仿真结果表明六相永磁容错电机的电流、电磁转矩、转速在故障过程中具有明显特征,为开展电机故障诊断工作奠定了基础。  如何快速有效地对电机已发生的故障进行模式识别和诊断,是本文的一个研究重点。为了提取故障特征,基于冗余第二代小波分析算法,实例仿真验证该算法在消除频率混叠方面的优越性。运用该算法对六相永磁容错电机典型故障的电磁转矩信号进行分解和重构,提取每个频带内的能量作为故障特征向量,建立“特征向量—故障状态”的映射关系,并利用最小二乘支持向量机分类算法建立电机典型故障分类器,从训练样本比例、不同分类算法效果、编码方式三个方面验证了LS-SVM模型的分类效果,识别精度都在90%以上,成功实现了对电机的故障诊断。  电机故障会引起较大的转速变化、转矩脉动和机械振动,导致电力作动系统不能稳定运行。针对这一问题设计了一种具有鲁棒性的模糊动态Terminal滑模控制器对电机进行控制,仿真验证了该方法可以使电机快速准确的到达指定运行状态,缩短了暂态的调整时间,削弱了暂态畸变程度,较传统的PI控制优势明显。在此基础上研究了故障前后电磁功率恒定的容错控制方法,提出故障后的电流容错控制算法,形成了完整的故障容错控制系统。通过对匝间短路、开路和变换器功率管短路进行故障后的容错控制仿真,结果表明该控制系统可以使电机在故障后0.03s内平稳地恢复到正常(或规定)工作状态,提高了电力作动系统的可靠性和容错性。  永磁容错电机的暂态容错控制最理想的目标是变被动容错控制为主动容错控制,为此,本文提出了基于改进型灰靶理论健康状态评估算法,通过建立标准故障模式序列、对待识别模式进行灰靶变换、对靶心度进行分级、求取灰色贡献度等步骤,解决了在没有标准模式的情况下,对永磁容错电机的健康状态进行量化分级的问题。并基于灰贡献度对灰靶算法进行改进,确定了评估过程中不同频带的权重,为电机暂态的主动容错控制研究奠定基础。
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