高可靠性电动作动器的研究和设计

论文摘要

电动作动器系统是飞行自动控制系统不可缺少的关键组成部分,它能否可靠工作直接决定飞行器是否能安全飞行,因此,高可靠性电动作动器的研究受到了航空航天领域的广泛关注。可靠性技术的发展正经历从初级的余度技术发展到高级的容错技术。本论文正是在研究四相永磁容错电机的基础上设计其控制系统,旨在通过容错技术提高电动作动器系统的可靠性。四相永磁容错电机作为一种新颖的电机,目前国内外相关的文献资料较少,因此本文首先对其进行了大量基础性的研究。在分析四相永磁容错电机结构和原理的基础上,建立了四相永磁容错电机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。在此基础上建立了基于电流滞环比较的矢量控制仿真模型,验证了解耦控制效果。不同于传统三相调速系统的空间电压矢量脉宽调制(SVPWM),本文提出了一种新颖的基于H桥驱动的四相永磁容错电机的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DSP的数字实现。为了弥补矢量控制过分依赖数学模型的不足,本文将模糊控制与神经网络有机结合起来设计了神经模糊控制器作为矢量控制的速度调节器,以此来改善控制系统的动静态性能,仿真结果证明了该方法的有效性。在设计容错驱动器的基础上,将电机集成系统中的电机、逆变器和控制算法统筹考虑,提出了一套简单、适用且高效的故障诊断和容错控制方案,并提出了一种基于四相SVPWM控制和容错转矩控制的双模控制策略。最后,设计完成了一套基于TMS320F2812的高可靠电动作动器控制系统的原理样机,编制了系统的软件程序,最终实现了双闭环转速调节。理论分析和试验表明,所设计的基于四相永磁容错电机的电动作动器具有很强的容错能力和很高的可靠性。因此,本课题对高可靠性电动作器的发展具有很大的理论意义和使用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外电动作动器的发展现状与存在的问题
• 1.2.1 电动作动器的发展现状
• 1.2.2 双余度控制系统存在的问题
• 1.3 电动作动器的发展趋势
• 1.4 研究的目标与内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 四相永磁容错电机的基本原理与数学模型研究
• 2.1 永磁容错电机的基本结构与工作原理
• 2.1.1 四相永磁容错电机的基本结构
• 2.1.2 四相永磁容错电机的基本工作原理
• 2.2 基于静止坐标系的四相永磁容错电机数学建模
• 2.3 基于旋转坐标系的永磁容错电机数学建模
• 2.3.1 四相静止坐标系到二相静止坐标系的变换
• 2.3.2 二相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换
• 2.3.3 四相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换
• 2.3.4 四相永磁容错电机在两相旋转坐标系下的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 永磁容错电机伺服系统的矢量控制研究
• 3.1 基于电流滞环的矢量控制
• 3.2 基于MATLAB的电流滞环矢量控制仿真
• 3.2.1 四相永磁容错电机本体模块
• 3.2.2 电压逆变模块
• 3.2.3 电流滞环比较模块
• 3.2.4 坐标变换模块
• 3.2.5 PID控制模块
• 3.2.6 控制系统仿真结果
• 3.3 四相永磁容错电机的空间电压矢量控制研究
• 3.3.1 四相永磁容错电机的SVPWM控制
• 3.3.2 基于电流滞环控制和SVPWM控制的对比仿真研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于神经模糊的永磁容错电机矢量控制研究
• 4.1 神经网络模糊控制简介
• 4.1.1 模糊控制系统简介
• 4.1.2 神经网络控制系统简介
• 4.1.3 神经网络与模糊控制的结合
• 4.2 神经网络的模糊控制器设计
• 4.2.1 永磁容错电机的模糊控制
• 4.2.2 神经模糊控制器的设计
• 4.2.3 神经模糊控制器的学习
• 4.3 自适应神经网络模糊控制的MATLAB仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 永磁容错电机的故障诊断与容错控制研究
• 5.1 基本故障情况介绍及本文中故障诊断方法的选择
• 5.2 永磁容错电机驱动电路的故障检测与诊断
• 5.2.1 单相全桥逆变器的故障模式
• 5.2.2 逆变器任一功率开关管短路故障
• 5.2.3 逆变器任一功率开关管开路故障
• 5.3 永磁容错电机本体的故障检测与诊断
• 5.3.1 永磁容错电机本体的故障模式
• 5.3.2 电机某相绕组断路故障
• 5.4 永磁容错电机在故障条件下的容错控制研究
• 5.4.1 电机正常工作时的磁势
• 5.4.2 缺相运行时的容错转矩控制
• 5.4.3 基于SVPWM和容错转矩控制的双模控制策略
• 5.5 本章小结
• 第六章 作动器伺服系统硬件设计
• 6.1 四相永磁容错电机的容错驱动研究和设计
• 6.1.1 容错驱动策略研究
• 6.1.2 四相全桥驱动的实现
• 6.2 控制策略选择
• 6.2.1 硬件系统的选择
• 6.2.2 DSP芯片的选择
• 6.3 基于TMS320F2812控制系统的硬件设计
• 6.3.1 DSP最小系统设计
• 6.3.2 电流检测电路设计
• 6.3.3 电机位置传感器的设计和安装
• 6.3.4 作动器系统位置检测电路设计
• 6.3.5 作动器的电源系统及上电顺序
• 6.3.6 DSP与上位机的双余度通信设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 作动器伺服系统软件设计及系统试验
• 7.1 控制系统的软件设计
• 7.1.1 系统程序结构
• 7.1.2 数字测速的实现
• 7.1.3 高精度位置估算的实现
• 7.1.4 电流环及速度环控制器的设计
• 7.1.5 位置调节环的设计
• 7.1.6 四相永磁容错电机启动方法研究
• 7.1.7 作动器与上位机的双余度通信实现
• 7.1.8 系统软件可靠性设计
• 7.2 系统试验
• 7.2.1 系统试验的硬件及软件平台
• 7.2.2 试验结果
• 7.3 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 工作总结
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文和参加科研情况