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基于半桥变换器永磁容错电机控制系统的研究

作　者: 许顺
导　师: 黄文新
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电机与电器
关键词: 电力作动器永磁容错电机半桥逆变器智能功率模块故障诊断全数字控制系统数字信号处理器
分类号: TM351
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,以功率变换器和驱动电机为核心的电力作动器被广泛应用于替代传统液压系统,这使飞机系统结构更加小巧、响应速度更快、作动控制效率提高、能耗降低,因此设计一套具有容错功能的电机本体及其控制系统日益成为多电飞机系统的关键技术。冗余技术和容错技术是其发展的两个阶段,与目前普遍应用的余度技术相比,永磁容错电机具有利用率高,体积小,不存在电流均衡问题等特性,代表着当前国际发展的方向,拥有着无比强大的生命力。本文首先对永磁容错电机的故障隔离特性和容错能力进行了分析与介绍,并首次提出了一种新型的半桥控制拓扑,该拓扑与传统H桥控制拓扑相比,在不失容错特性的情况下,大大降低了功率开关器件的数目,进一步提高了系统的可靠性。本文推导了永磁容错电机的数学模型,分析了最优转矩控制策略的原理。在此基础上,利用MATLAB/Simulink建立了基于半桥结构逆变器永磁容错电机控制系统的模型,并进行了短路、断路故障的仿真。本文设计了一套半桥逆变器结构六相永磁容错电机全数字控制系统,该系统基于TI公司的TMS320LF2407 DSP为控制核心,CPLD-M4A5为故障综合单元以及智能功率模块(IPM)为主功率单元。在该硬件基础上,以汇编语言编写了该系统的控制软件,并成功的在该系统上实现了在给定转速1000rpm ,给定转矩1N ? m时功率管短路及断路、绕组端部短路及断路故障后的永磁容错电机系统容错运行。实验证明了半桥结构逆变器永磁容错电机系统的可行性和有效性。最后对半桥逆变器永磁容错电机系统短路和断路故障表现形式及其辨识方法进行了研究,给出了基于此系统的短路及断路故障诊断方法,并在给定转速1000rpm ,给定转矩1N ? m的情况下进行了实验验证,实验结果验证了诊断方法的准确性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-15
第一章绪论  15-22
  1.1 引言  15
  1.2 双余度永磁电机控制系统  15-18
  1.3 永磁容错电机控制系统  18-20
    1.3.1 国外研究现状  18-20
    1.3.2 国内研究现状  20
  1.4 双余度永磁电机控制系统和永磁容错电机控制系统的特性比较  20-21
  1.5 本文主要研究内容  21-22
第二章六相十极永磁容错电机基本理论及其控制系统仿真  22-43
  2.1 引言  22
  2.2 六相十极永磁容错电机系统  22-27
    2.2.1 六相十极永磁容错电机  22-25
    2.2.2 传统H 桥控制逆变器  25-26
    2.2.3 新型半桥结构变换器  26-27
  2.3 六相十极永磁容错电机数学模型  27-29
  2.4 六相十极永磁容错电机最优转矩控制策略  29-33
    2.4.1 电机正常运行  30-31
    2.4.2 一相绕组故障  31-33
  2.5 六相十极永磁容错电机控制系统建模与仿真  33-42
    2.5.1 基于Matlab 的六相十极永磁容错电机系统建模  33-37
      2.5.1.1 六相十极永磁容错电机模型  34-36
      2.5.1.2 半桥逆变器模型  36-37
      2.5.1.3 最优转矩控制算法模型  37
    2.5.2 六相十极永磁容错电机系统仿真研究  37-42
      2.5.2.1 功率管短路故障  37-39
      2.5.2.2 功率管断路故障  39-40
      2.5.2.3 绕组短路故障  40-41
      2.5.2.4 绕组断路故障  41-42
  2.6 本章小结  42-43
第三章半桥结构六相十极永磁容错电机全数字控制系统设计  43-72
  3.1 引言  43
  3.2 系统构成  43-45
  3.3 六相十极永磁容错电机系统控制单元硬件设计  45-53
    3.3.1 微处理器选型及外围电路设计  45-53
      3.3.1.1 TMS320LF2407A 时钟电路  46-47
      3.3.1.2 外部扩展存储器SRAM  47-48
      3.3.1.3 A/D 采样调理电路  48-49
      3.3.1.4 D/A 转换电路  49-50
      3.3.1.5 CPLD 外围电路及与DSP 接口电路  50-51
      3.3.1.6 PWM 输出电路  51
      3.3.1.7 位置检测电路  51-53
  3.4 六相十极永磁容错电机系统主功率电路及外围辅助电路硬件设计  53-63
    3.4.1 六相半桥逆变器电路设计  53-59
      3.4.1.1 母线分压电容电阻的选取  55-58
      3.4.1.2 自举电路设计  58-59
      3.4.1.3 PWM 信号隔离驱动电路  59
    3.4.2 采样与保护电路设计  59-63
  3.5 六相十极永磁容错电机系统软件设计  63-66
    3.5.1 DSP 控制软件设计  63-64
    3.5.2 CPLD 程序设计  64-65
    3.5.3 速度计算  65-66
  3.6 硬件设计实验验证  66-70
    3.6.1 功率管断路故障  67
    3.6.2 绕组断路故障  67-69
    3.6.3 功率管短路故障  69
    3.6.4 绕组短路故障  69-70
  3.7 本章小结  70-72
第四章半桥结构六相十极永磁容错电机系统的故障辨识研究  72-82
  4.1 引言  72
  4.2 半桥结构六相十极永磁容错电机系统故障分类  72-73
  4.3 半桥结构六相十极永磁容错电机系统断路故障辨识  73-78
    4.3.1 功率开关管断路故障表现  73-74
    4.3.2 电机绕组断路故障表现  74
    4.3.3 开路故障辨识  74-76
      4.3.3.1 用快速傅里叶分析方法进行开路故障辨识  74-75
      4.3.3.2 用采样求平均值法进行开路故障辨识  75-76
    4.3.4 软件设计  76-78
    4.3.5 开路故障辨识实验验证  78
  4.4 半桥结构六相十极永磁容错电机系统短路故障辨识  78-81
    4.4.1 功率开关管短路故障表现  79
    4.4.2 电机绕组端部短路故障表现  79-80
    4.4.3 短路故障辨识  80
    4.4.4 短路故障辨识实验验证  80-81
  4.5 本章小结  81-82
第五章总结与展望  82-84
  5.1 全文工作总结  82
  5.2 后续工作展望  82-84
参考文献  84-88
致谢  88-89
在学期间研究成果及发表的学术论文  89

基于半桥变换器永磁容错电机控制系统的研究

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