多电机冗余系统整体建模及容错控制策略的研究

提出一种含有多通道多余度起动／发电机、功率变换单元、集成电作动器的多电机系统。从系统的层面研究多通道发电系统冗余供电、多余度功率变换器和逆变器智能配电及多通道集成电作动器冗余用电中的关键技术问题。建立该多电机系统的数学模型，构建系统半实物仿真平台，研究各种工作模式和运行状态下的系统特性和控制策略，并确定实际系统控制所需要的各种参量；建立多电机系统场路耦合的故障分析模型，研究系统中各种典型故障状态，获得多电机系统的各种故障特性，为系统容错运行策略的选择提供依据；研究多电机系统故障检测、故障隔离和系统重构技术，解决多余度发电故障状态下的电流均衡和多余度用电故障状态下的负载均衡问题；提出多电机系统的冗余管理及容错运行综合控制策略；搭建多电机系统实验台，对多电机系统的冗余运行、各类故障状态、系统负载变化等进行试验研究，以验证理论研究的正确性和有效性，为进一步研究多电航空电气系统奠定基础。

本项目的研究对象为包含多通道多余度起动/发电机、功率变换单元、集成电作动器的多电机系统。首先对多电机系统包含的电机进行设计和电磁分析，针对永磁双凸极发电机进行优化设计，分析了电机内部的空间磁场分布特点静态特性参数，针对双余度永磁同步电动机对样机的磁场分布和气隙磁密进行了仿真分析，并计算了电机的磁链与电感特性；进而建立了永磁双凸极电机考虑相间、通道间互感的非线性数学模型，建立了基于坐标变换理论考虑互感耦合的双余度永磁同步电机的数学模型，依据数学模型建立具有余度切换功能的仿真模型，对不同工况进行了仿真分析，并对开关磁阻电机和永磁双凸极电机的容错性能进行了对比，为系统容错运行策略的选择提供依据；提出了一种电容储能型功率变换电路，使用新型的控制策略用于驱动永磁双凸极电机，可以在一个很宽的速度范围内使发电系统具有更高的发电能力；采用一种冗余结构的DC-DC变换拓扑，可以实现270VDC到28VDC的变换，通过对可能出现的各种典型故障下的工作性能进行分析，证实可以实现容错变换的要求；基于磁网络理论利用磁路分割法从磁路分析的角度建立双余度永磁同步电机的等效磁路模型，考虑电机定转子齿部、轭部磁路和材料非线性磁饱和的影响，不仅可以计算每相绕组的自感特性，而且还可以计算各相之间的互感特性，大大提高了模型的实用性；以张量电网络理论为基础，并结合双余度永磁同步电机的等效磁路模型，提出了双余度永磁同步电机及电力电子驱动电路的张量法仿真，此方法侧重对双余度永磁同步电机总体性能的模拟，比较适合对控制系统动态性能的快速分析，简化了计算过程，缩短了仿真时间；在传统控制策略的基础上，提出了双余度永磁同步电机的双余度运行控制策略，构架了双余度机电作动系统并完整地对其进行了工作模态分析，提出了工作模态与故障模态之间的转换机制，并在不同的工作模态进行了控制率设计和模态之间的控制率重构，并通过仿真验证了方法的有效性；建立多电机系统的实验平台和半实物仿真平台，包括dSPACE仿真器、RT_LAB仿真器、两套起动发电机，两套功率变换电路，两套电作动器，对系统各组件的正常工作状态、故障状态进行实验研究，并对容错控制策略进行实验验证，为进一步研究多电航空电气系统提供了理论和实践基础。