开关磁阻电机驱动系统故障诊断技术的研究

论文摘要

本文的研究内容是太原市科技局大学生创新创业项目“刮板输送机驱动系统”(项目编号：110148032)的重要组成部分,是为了进一步提高开关磁阻电机驱动系统(SRD)可靠性及稳定性,突出其容错性能优势而提出的。本文结合SRD应用现场的实际需要,制定了一套基于DSP的SRD系统故障诊断技术的实施方案,开发了一套SRD故障诊断系统,并对其进行了实验验证。主要研究内容如下：在查阅大量相关资料并进行多次现场实地调研的基础上,认真分析了当前SRD系统的故障诊断技术的发展趋势,综合了SRD不同控制方式和控制策略,确定了所研究的SRD系统的故障诊断方案。通过参考相关文献,运用建模和仿真技术研究了开关磁阻电机(SRM)的故障容错能力。用二维有限元分析软件仿真了SRM定子绕组内部故障,包括绕组开路故障、线圈开路故障、绕组短路故障、线圈短路故障、匝间短路故障和相间短路故障；分析了定子绕组不同故障对SRD平均转矩、转矩脉动和相绕组电流的影响,将系统输出转矩和相绕组电流作为定子绕组故障特征量,对定子绕组故障诊断技术进行了探索,为SRM定子绕组的故障诊断奠定了基础。以12/8极SRD三相不对称半桥型功率变换器为研究对象,分析了功率变换器故障类型,推导出正常状态和故障状态下相绕组电流的解析解；讨论了不同故障状态下直流母线电流的变化规律及其数字化分析结果；结合功率开关器件的PWM驱动信号和直流母线电流,确定了一种功率变换器主开关器件短路和开路故障检测方案；最后利用Matlab对功率变换器进行了故障仿真和故障判别,仿真结果验证了方案的可行性。针对位置信号故障导致的冲击电流、制动转矩以及缺相运行等问题,分析位置信号的故障类型,研究了位置信号不同状态对系统的影响。结合位置信号组合的顺序特征以及相邻组合的角度间隔,针对一路或两路位置信号故障给出了位置信号统一检测与诊断方案。通过引入转子位置角重构失效的换相动作,进行故障容错与恢复控制,实现故障后电机的继续运行以及故障恢复时位置信号的正确切入。最后对位置信号进行故障模拟实验,验证了位置信号故障容错与恢复控制的可行性。充分考虑SRD应用场合对系统所提的要求,制定了基于DSP和人机界面的SRD通讯方案,设计了通讯接口电路,制定了适用于本系统的通讯协议,采用模块化程序设计方法,编写了通讯程序,实现了SRD状态参数的实时显示和系统控制参数在线修改的功能。在实验室对SRD通讯子系统进行了软硬件联合调试,调试结果表明：软件设计合理,可移植性强,能实现既定功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 SRD性能特点及研究热点
• 1.2.1 SRD性能特点
• 1.2.2 SRD研究热点
• 1.3 国内外SRD的研究现状
• 1.3.1 国外SRD研究现状
• 1.3.2 国内SRD研究现状
• 1.4 国内外SRD故障诊断技术的研究现状
• 1.5 本文研究目标及研究内容
• 第二章 SRD及其故障类型
• 2.1 SRD的结构与电流分析
• 2.1.1 SRD的系统组成
• 2.1.2 SRD电流分析
• 2.2 SRD的故障类型及分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 SRM定子绕组故障的有限元分析
• 3.1 电磁场及有限元分析概述
• 3.2 SRM定子绕组故障类型
• 3.3 有限元模型的建立
• 3.3.1 电机模型的建立
• 3.3.2 功率电路和驱动电路模型的建立
• 3.4 有限元仿真与分析
• 3.4.1 正常运行状态仿真
• 3.4.2 绕组开路故障仿真
• 3.4.3 绕组短路故障仿真
• 3.4.4 定子绕组故障仿真结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 功率变换器及其故障诊断技术
• 4.1 功率变换器主电路结构
• 4.2 功率变换器的故障类型
• 4.3 相绕组电流的解析分析
• 4.3.1 常状态电流的解析分析
• 4.3.2 故障状态电流的解析分析
• 4.4 功率变换器故障诊断技术
• 4.4.1 功率变换器故障诊断技术方案的制定
• 4.4.2 仿真模型的搭建
• 4.4.3 正常运行状态电流波形
• 4.4.4 故障状态电流波形
• 4.5 本章小结
• 第五章 位置信号的故障诊断与容错控制
• 5.1 位置信号故障诊断概述
• 5.2 位置信号的采集及其故障类型
• 5.2.1 位置信号的采集
• 5.2.2 位置信号的故障类型
• 5.3 位置信号的故障检测与诊断
• 5.3.1 位置信号故障状态分析
• 5.3.2 位置信号故障检测方法
• 5.3.3 位置信号故障诊断方法
• 5.4 位置信号的故障容错与恢复控制
• 5.4.1 位置信号的故障容错控制
• 5.4.2 位置信号的故障恢复控制
• 5.5 实验验证
• 5.5.1 一路位置信号故障容错控制
• 5.5.2 两路位置信号故障容错控制
• 5.5.3 位置信号的故障恢复控制
• 5.6 本章小结
• 第六章 SRD人机界面设计
• 6.1 人机界面硬件电路设计
• 6.1.1 数码管显示电路的设计
• 6.1.2 触摸屏接口电路的设计
• 6.2 人机界面软件开发
• 6.2.1 软件开发环境
• 6.2.2 数码管显示程序设计
• 6.2.3 触摸屏通讯程序设计
• 6.3 人机界面的软硬件联合调试
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间的研究成果
• 附录