负载模拟系统中双定子永磁电机控制策略的研究

论文摘要

负载模拟系统是地面半实物仿真实验中的一种重要设备,用来模拟飞行器舵面所受的空气铰链力矩。负载模拟系统中,承载电机与加载电机同轴连接,承载电机的转动会使负载模拟系统产生多余力矩,此多余力矩影响加载系统对承载系统的转矩加载精度。传统的负载模拟系统中,使用单定子电机作为加载执行电机,要想抑制多余力矩,或者必须知道负载模拟系统的精确数学模型,或者应用较为复杂的算法,这给多余力矩的抑制带来了困难。为了使系统具有良好的转矩跟踪性能,简单有效的抑制多余力矩,本文设计了双定子电机作为电机执行元件的负载模拟系统结构,双定子电机的两个定子分别完成了转矩的加载和多余力矩的抑制。其中加载主定子采用开环的三相双极性SPWM控制策略,此策略与HALL位置信号结合共同控制加载主定子逆变器开关管的通断;补偿定子采用加载电机与承载电机转角差的滞环控制的策略,实现两者的位置同步运动,对承载电机侧运动引起的多余力矩进行限制。利用无刷直流电机的磁路耦合的有限元分析方法,推导了双定子电机主定子加载系统的转矩的传递函数,并利用MATLAB软件搭建了主定子加载系统的仿真模型,两者的输出转矩取得了一致的结果,证明了仿真模型的有效性。本文对多余力矩的产生原因作了较为详细的分析,并由此得出的补偿定子的转角差滞环控制策略,最后搭建了负载模拟系统的仿真模型。给出了无扰加载和有扰加载的情况下输出转矩的仿真结果,其结果表明将双定子电机应用于负载模拟系统能很好的抑制多余力矩对转矩加载的不利影响,保证了系统良好的跟踪精度和较强的鲁棒性,建立的负载模拟系统的仿真模型为后续的研究提供了一个仿真平台,其中双定子电机作为加载执行电机为电动负载模拟系统提供了一个新的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 负载模拟系统概述
• 1.3 电动负载模拟系统的多余力矩分析
• 1.3.1 多余力矩产生机理
• 1.3.2 多余力矩抑制方法
• 1.4 电动负载模拟系统加载电机的结构
• 1.4.1 带有减速器的电机结构
• 1.4.2 直流力矩电机的直接驱动结构
• 1.4.3 双定子电机直接驱动结构
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 双定子电机主定子加载系统控制策略
• 2.1 电动负载模拟系统的性能指标
• 2.1.1 力矩载荷频谱分析
• 2.1.2 转矩加载性能指标要求
• 2.2 双定子电机运行原理
• 2.3 双定子电机主定子的功率驱动方式
• 2.3.1 双定子电机转矩加载原理
• 2.3.2 转矩加载的SPWM控制策略
• 2.3.3 双定子电机主定子导通相的控制
• 2.4 主定子功率驱动仿真
• 2.4.1 功率驱动仿真模型
• 2.4.2 功率驱动仿真结果
• 2.5 本章小结
• 第3章 双定子电机主定子加载系统理论分析与仿真
• 3.1 主定子加载系统模型的建立
• 3.1.1 转矩传感器原理与建模
• 3.1.2 双定子电机本体的动态数学模型
• 3.2 主定子加载系统的数学模型
• 3.2.1 加载主定子等效电路结构
• 3.2.2 主定子加载系统的数学表达式
• 3.3 双定子电机主定子加载系统性能分析
• 3.3.1 加载系统稳定性的分析
• 3.3.2 加载系统时间常数的分析
• 3.4 双定子电机主定子加载系统仿真
• 3.4.1 主定子加载系统仿真模型
• 3.4.2 主定子加载系统仿真结果
• 3.5 小结
• 第4章 电动负载模拟系统的位置同步补偿策略
• 4.1 多余力矩理论分析
• 4.2 双定子电机补偿定子位置同步控制
• 4.2.1 位置同步控制原理
• 4.2.2 位置同步转角差滞环控制
• 4.2.3 位置同步控制仿真
• 4.3 电动负载模拟系统仿真分析
• 4.3.1 电动负载模拟系统的仿真结构
• 4.3.2 电动负载模拟系统的仿真结果
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢