高可靠性定子永磁型电机驱动系统及其容错控制

克服传统容错电机的诸多缺点，提出一种全新的高可靠性、高性能的容错电机，研究其驱动控制技术。探索电机的分析理论、参数计算、设计方法、控制策略；运用可靠性理论建立可靠性预测模型，分析驱动系统的可靠性，对电机进行可靠性设计，研制以定子永磁型容错电机为核心的高可靠性电机驱动系统；研究无位置传感器控制技术，提高系统可靠性；研究系统故障诊断方法，提出适合于该种电机的容错控制策略，实现高性能和高可靠性的优化结合；研究故障状态下电机驱动系统的分析方法，建立磁场、电路的瞬态联合仿真模型，进行系统级仿真；提炼基础科学问题，探索提高电机驱动系统可靠性的一般性规律。本项目属自动化、电气和机械学科交叉的应用基础领域，内容居于国内外同类研究前列。本项目的完成将使电机驱动系统的可靠性理论和容错技术提升到新水平，为更好地满足航空航天、军事装备等领域的发展需要奠定理论与技术基础。

以定子永磁型电机为研究对象，研究了该类电机系统的可靠性技术相关问题，提出了新型容错式电机结构和容错控制和故障诊断策略，进行了实验分析和验证。研究表明，定子永磁型容错电机不仅具有效率高、功率密度高等传统转子永磁型电机的诸多优点，而且更兼具转子结构简单、坚固以及永磁体易于散热等优点，在航空航天、军事装备、电动汽车等对系统效率和连续运行有较高要求领域具有很好的应用前景。研究了具有单极性永磁磁链的定子永磁型电机——双凸极永磁电机的容错控制策略，基于二相、三相和四相电机结构，考虑其空载反电势特性（梯形波或正弦波），分别提出了容错控制策略。研究了具有双极性永磁磁链的定子永磁型电机——磁通切换永磁电机的容错控制策略，建立了基于转子坐标系的电机数学模型，提出了基于定子磁场定向的容错矢量控制策略。提出了具有模块化结构的新型定子永磁型电机——模块化磁通切换永磁电机，建立了有限元分析模型，研究了该种电机的静态特性。提出了一种新型模块化初级永磁直线电机——直线模块化磁通切换永磁电机，分析了定位力特性，提出了互补性结构，在降低电机推力波形的基础上，提高了容错能力强。提出了具有冗余结构的新型定子永磁型电机——双通道磁通切换永磁电机，分析了绕组结构特点以及电磁特性，基于谐波转矩相互抵消的原则，推导了适用于该种电机结构的容错控制策略。提出了注入谐波电流的定子永磁型电机容错控制策略，在实现电机容错运行的同时，降低损耗。研究了故障诊断策略，运用多回路理论建立电机故障模型，基于小波分解分析故障特征，采用神经网络进行故障诊断。建立了多种定子永磁型电机驱动控制系统的场路耦合仿真模型，为电机驱动系统的故障分析提供了良好的仿真平台。基于DSP和dSPACE的电机数字驱动控制系统，实验验证了多种定子永磁型电机的容错运行，为开发出高可靠性、高效率电机驱动系统提供了实验基础。共发表论文28篇，其中SCI收录14篇（10篇论文发表于IEEE Transactions汇刊），累计SCI影响因子超过36；授权发明专利10项；相关成果获军队科技进步一等奖、教育部技术发明一等奖、全国优秀博士学位论文提名奖等8项奖励。