永磁容错电机电磁转矩脉动抑制及故障运行时的无传感器控制方法研究

In order to improve the fault tolerant performance and the reliability of permanent magnet synchronous motor system in aerospace electric-servo/ electric-drive application, this project focuses on the basic scientific research of electromagnetic torque ripple suppression and sensorless control under fault condition for fault tolerant permanent magnet synchronous motor (FTPMSM). The main innovations of this project are threefold. First, we reveal the analytical mapping relationship between fault modes and extreme fault tolerant performance of FTPMSM system. After that, the fault tolerant control with thermal constraints is proposed, which is able to guarantee the continual operation with the ripple-free electromagnetic torque and long operating time for the FTPMSM under fault condition. Second, the influence mechanism of different fault transient on FTPMSM system performance is analyzed, and the adaptive robust control is proposed to improve the system performance in fault transient. Third, the sensorless detection mechanism of the FTPMSM under fault condition is revealed, and the sensorless control based on two phase asymmetric winding is proposed to achieve the position and speed detection of the FTPMSM under fault condition. In addition, the experimental platform of the FTPMSM system is developed to verify the effectiveness of the proposed control methods. This project can lay a foundation of theory and technology for the application of the FTPMSM system in aerospace electric-servo/ electric-drive field.

为满足航空航天电伺服/驱动领域用永磁同步电机系统在容错性能和可靠性等方面日益提高的需求，开展永磁容错电机电磁转矩脉动抑制及故障运行时的无传感器控制方法的基础科学研究，通过考虑热效应的容错驱动方法、抑制故障暂态的主动控制方法及电机故障运行时的位置/速度无传感器检测方法等方面的创新性研究工作，旨在揭示永磁容错电机系统不同故障模式与极限容错性能的映射关系，明晰不同故障模式引起的暂态对系统性能的影响机理及电机故障运行时的位置/速度无传感器检测机理。提出基于热量约束的容错驱动方法和抑制故障暂态的自适应鲁棒控制方法，改善系统故障后的电磁转矩脉动和故障暂态时的系统性能。提出基于非对称两相绕组的电机位置和速度无传感器检测方法，实现与机械式传感器的非相似冗余，提高系统的可靠性。构建系统实验平台，通过实验验证所提出方法的有效性。本项目研究可为永磁容错电机系统在航空航天电伺服/驱动领域的应用奠定理论和技术基础。

为满足航空航天电伺服/驱动领域用永磁同步电机系统在容错运行性能和可靠性等方面日益提高的需求，解决目前永磁容错电机系统故障暂态和故障后电磁转矩脉动大、系统长时运行性能难以保证、无法实现非故障绕组处于不对称运行状态时的位置/速度无传感器检测等问题，开展了永磁容错电机电磁转矩脉动抑制及故障运行时的无传感器控制方法研究工作。. 通过建立的永磁容错电机系统级联合仿真计算模型，明确了不同故障模式与电机系统极限容错性能的非线性映射关系，提出了基于热量约束的容错驱动方法，保证了系统故障后电磁转矩的平稳输出和长时运行性能。. 揭示了不同相开路/短路故障暂态对电机系统性能的影响机理，明确了不同故障模式引起的暂态对电机系统电磁转矩脉动的影响规律，提出了抑制故障暂态的鲁棒控制方法，提升了系统对各种扰动的鲁棒性，改善了故障暂态时的系统性能。. 阐明了基于非故障两相绕组反电动势的无传感器检测机理，提出了基于鲁棒观测器和非正交锁相环的中高速段无传感器控制方法，保证了永磁容错电机系统正常情况和故障运行时的无位置/速度传感器控制性能。. 明确了基于非故障两相绕组高频信号注入的无传感器检测机理，提出了基于实时电感观测器和非正交锁相环的低速段无传感器控制方法，保证了永磁容错电机系统正常情况和故障运行时的低速段无位置/速度传感器控制性能。. 开展了永磁容错电机系统容错性能的实验验证研究，验证了所提出的基于热量约束的去容错驱动方法、抑制故障暂态的鲁棒控制方法和电机故障运行时的无传感器控制方法的有效性。. 本项目的研究是对现有永磁容错电机系统设计理论和方法的补充和丰富，具有重要的学术价值，相关研究成果可为永磁容错电机系统在航空航天电伺服/驱动领域的应用奠定理论与技术基础。