（电机与电器专业论文）单绕组无轴承薄片电机缺相容错控制的研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s 砀eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nf a u l t t o l e r a n tc o n t r o lo f s i n g l ew i n d i n gb e a r i n g l e s s s l i c em o t o r a tp h a s e l a c k a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y y u es h e n g z o u a d v i s e d b y a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gx i a o l i n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 承诺书 | i | | l | | | l i i i l | | 01 1 1 1 | i i i l l l y 18112 2 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：瑶蒸查 日期：塑! 翌互兰璺曾国 jj， t 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要+ 无轴承薄片电机利用无轴承技术实现转子的旋转和悬浮，具有集成度高、轴向利用率高、定 转子可完全分离等优点。无轴承薄片电机采用了一种高密封性、超洁净性、无交叉污染的绿色环 保驱动技术，在航空航天、国防、工农业生产和日常生活领域具有广泛的应用前景。 单绕组无轴承薄片电机，摒弃了传统无轴承薄片电机采用的双绕组结构，利用一套定子绕 组同时实现该电机的悬浮和旋转控制。在结构简单的同时，提高了无轴承薄片电机运行的可靠 性及容错性能。 本文以六相单绕组无轴承薄片电机为研究对象，以其缺相故障容错运行为研究内容，主要 完成了以下研究工作： 首先，深入研究了单绕组无轴承薄片电机的悬浮力和转矩的数学模型，从理论上分析悬浮 力脉动的产生原因。在此基础上，分析了满足该电机稳定悬浮运行的定子电流约束条件，为缺 相容错控制的实现奠定了基础。 其次，针对单绕组无轴承薄片电机各相定子电流独立控制，以及缺相后通过剩余定子相电 流的重构可以实现容错运行的特性，分别研究了基于旋转坐标和基于定子电流解耦模型的缺相 故障容错控制策略。前者利用电机结构的对称性，采用旋转坐标法，解决了该电机由于相绕组 位置不同导致缺相故障容错控制数学模型多、系统复杂等问题；后者利用现有控制器的高速计 算能力，提出缺相故障定子电流解耦控制模型，通过对解耦矩阵的变换，实现不同相绕组缺相 时的定子电流容错控制模型的统一。文中还分别对这两种控制策略进行了a n s y s 仿真分析和实 验验证，结果表明该两种控制策略均能实现该电机缺相故障的容错控制。 最后在基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的数字控制系统上，编写了电机缺相故障诊断程序、旋 转坐标法缺相故障容错控制程序、定子电流解耦模型缺相故障容错控制程序。 关键词：无轴承，单绕组，薄片电机，缺相故障，容错控制 本课题受国家自然科学基础基金( 5 0 9 7 7 0 4 3 ) 资助。 单绕组无轴承薄片电机缺相故障容错控制的研究 a b s t r a c t * b yu s i n gb e a r i n g l e s st e c h n o l o g y , b e a r i n g l e s ss l i c em o t o ra c h i e v e st h er o t a t i o na n ds u s p e n s i o no f r o t o r m e a n w h i l e ，i th a sc h a r a c t e r sl i k eh i g hi n t e g r a t i o n , h i g ha x i a l - u t i l i z a t i o n ，c o m p l e t es e p a r a t i o n b e t w e e ns t a t o ra n dr o t o ra n do t h e ra d v a n t a g e s a sah i g hs e a l e d ，u l t r a c l e a n ，n oc r o s s - c o n t a m i n a t i o n g r e e nd r i v et e c h n o l o g y , b e a r i n g l e s ss l i c em o t o rh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t si na e r o s p a c e ， 7d e f e n s e ，i n d u s t r i a l ，a g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o na n dd a i l yl i f ef i e l d s a b a n d o n i n gd o u b l e - w i n d i n gs t r u c t u r ei nt r a d i t i o n a lb e a r i n g l e s ss l i c em o t o r , s i n g l e - w i n d i n g b e a r i n g l e s ss l i c em o t o ra c h i e v e st h em o t o rs u s p e n s i o na n dr o t a t i o nc o n t r o ls i m u l t a n e o u s l yb yu s i n ga s e to fs t a t o rw i n d i n g s t h i si n c r e a s e st h er e l i a b i l i t ya n df a u l t - t o l e r a n c ep e r f o r m a n c e so fb e a r i n g l e s s s l i c em o t o rw i t l lt h ea d v a n t a g eo fs i m p l es t r u c t u r e t h i sp a p e rd e a l s 埘ms i x - p h a s es i n g l e - w i n d i n gb e a r i n g l e s ss l i c em o t o ra st h er e s e a r c ho b j e c t ， w i t hp h a s e l a c kf a u l t - t o l e r a n to p e r a t i o n 豁t h er e s e a r c hc o n t e n t a n di tm a i n l yh a sc o m p l e t e dt h e f o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k ： f i r s t l y , t h i sp a p e rd e e p l ys t u d i e st h es u s p e n s i o nf o r c ea n dt o r q u em a t h e m a t i c a lm o d e l so f s i n g l e - w i n d i n gb e a r i n g l e s ss l i c em o t o ra n da n a l y z e st h ec a u s e so fl e v i t a t i o np u l s et h e o r e t i c a l l y o n t h i sb a s i s ，i ta n a l y s e st h es t a t o rc u r r e n tc o n s t r a i n tc o n d i t i o n st om e e tt h em o t o r ss t a b l es u s p e n d i n g o p e r a t i o n ，w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o r r e a l i z a t i o no f p h a s e l a c kf a u l t t o l e r a n tc o n t r 0 1 s e c o n d l y , a i m i n ga ts i n g l e - w i n d i n gb e a r i n g l e s ss l i c em o t o r sc h a r a c t e r s o fs t a t o rc u r r e n t i n d e p e n d e n tc o n t r o li ne a c hp h a s ea n dt h er e c o n s t r u c t i o no fr e m a i n d e rs t a t o rp h a s ec u r r e n t st oa c h i e v e f a u l t - t o l e r a n to p e r a t i o nw h i l ep h a s e sl a c k i n g ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sp h a s e - l a c kf a u l t - t o l e r a n tc o n t r o l s t r a t e g i e sb a s e do nr o t a t i n gc o o r d i n a t e sa n db a s e do ns t a t o rc u r r e n td e c o u p l i n gm o d e lr e s p e c t i v e l y t h ef o r m e rm a k e su s eo fm o t o r s s t r u c t u r es y m m e t r ya n dc i t e st h er o t a t i n g - c o o r d i n a t em e t h o dt o s o l v et h ei s s u e si n c l u d i n ge x c e s s i v em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp h a s e - l a c kf a u l t - t o l e r a n tc o n t r o l ，s y s t e m c o m p l e x , w h i c ha r ea l ld u et op h a s e - w i n d i n g s d i f f e r e n tp o s i t i o n s t h el a t t e rt a k e sa d v a n t a g eo f e x i s t i n gc o n t r o l l e r sh i g h - s p e e dc o m p u t i n gc a p a b i l i t ya n dp r o p o s e sp h a s e l a c kf a u l ts t a t o rc u r r e n t d e c o u p l i n gc o n t r o lm o d e l i ta c h i e v e st h er e u n i f i c a t i o no fs t a t o rc u r r e n tf a u l t - t o l e r a n tc o n t r o lm o d e l s u n d e rp h a s e - l a c kc o n d i t i o n s a m o n gd i f f e r e n tp h a s ew i n d i n g s a n s y ss i m u l a t i o na n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n sh a v eb e e nd o n er e s p e c t i v e l ya b o u tt h e s et w oc o n t r o ls t r a t e g i e si nt h i sp a p e r a n dr e s u l t ss h o wt h a tt h et w oc o n t r o ls t r a t e g i e sc a nb o t hr e a l i z et h ef a u l t - t o l e r a n tc o n t r o lf o rm o t o r s p h a s e - l a c kf a u l t i 、 南京航空航天大学硕士学位论文 t h e s et w oc o n t r o ls t r a t e g i e si nt h i sp a p e r a n dr e s u l t ss h o wt h a tt h et w oc o n t r o ls t r a t e g i e sc a l lb o m r e a l i z et h ef a u l t - t o l e r a n tc o n t r o lf o rm o t o r sp h a s e - l a c kf a u l t f i n a l l y ，p h a s e - l a c k f a u l td i a g n o s t i c p r o g r a m , r o t a t i n g - c o o r d i n a t e m e t h o d p h a s e l a c k f a u l t - t o l e r a n tc o n t r o lp r o g r a m , s t a t o rc u r r e n td e c o u p l i n gm o d e lp h a s e - l a c kf a u l t - t o l e r a n tc o n t r o l p r o g r a m a l ew r i t t e nf o r t h ed i s i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a st h ec o r e k e y w o r d s ：b e a r i n g l e s s ，s i n g i e - w i n d i n g ，s l i c em o t o r , p h a s e q a c kf a u l t ，f a u l t - t o l e r a n tc o n t r o l 单绕组无轴承薄片电机缺相故障容错控制的研究 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 无轴承薄片电机的简介。l 1 2 1 提出背景l 1 2 2 基本结构与原理2 1 2 3 研究概况及发展趋势3 1 3 单绕组无轴承薄片电机容错控制的研究背景。4 1 3 1 单绕组无轴承薄片电机的优点4 1 3 2 容错控制技术及其研究现状5 1 4 课题的研究意义和本文的研究内容6 1 4 1 课题的研究意义6 1 4 2 本文的研究内容7 第二章单绕组无轴承薄片电机的基本实现原理9 2 1j ；l 言9 2 2 单绕组无轴承薄片电机的结构9 2 3 单绕组无轴承薄片电机的悬浮力及转矩模型l o 2 4 单绕组无轴承薄片电机控制系统的实现1 2 2 4 1 定子电流控制模型1 2 2 4 2 系统控制原理图。1 4 2 5 小结1 4 第三章基于旋转坐标的缺相故障容错控制的研究1 5 3 1 引言1 5 3 2 基于旋转坐标法的缺相故障容错控制1 5 3 2 1 坐标旋转变换原理1 5 3 2 2 基于旋转坐标的容错控制1 7 3 2 3 缺相故障定子电流控制模型1 8 3 2 4 基于旋转坐标的缺相故障判定方式2 l 3 3 有限元仿真分析2 3 3 4 实验2 6 ，1r1户 t 南京航空航天大学硕士学位论文 3 4 1 容错控制系统原理框图2 6 3 4 2 实验结果分析2 8 3 5 小结31 第四章基于定子电流解耦模型的缺相故障的研究3 2 4 1 引言3 2 4 2 基于解耦矩阵的缺相故障容错控制3 2 4 2 1 定子电流解耦控制模型3 2 4 2 2 基于解耦矩阵的缺相故障判定方式。3 4 4 3 有限元仿真分析3 6 4 4 实验3 8 4 4 1 容错控制系统原理框图3 9 4 4 2 实验结果分析3 9 4 5 ，j 、结4 2 第五章单绕组无轴承薄片电机容错控制系统的实现4 3 5 1 引言4 3 5 2 硬件控制系统一4 3 5 2 1 数字控制器4 3 5 2 2 检测电路4 4 5 2 3 模拟电压调理电路。4 5 5 2 4h 桥功率电路4 6 5 3 控制系统软件设计4 7 5 3 1 主程序4 7 5 3 2 缺相故障检测程序4 8 5 3 3 容错控制算法程序。5 0 5 4 小结5 3 第六章总结与展望5 4 6 1 本课题主要工作和创新点5 4 6 2 需要进一步研究的工作5 4 参考文献：5 6 致谢6 1 攻读硕士学位期间发表论文及获奖情况6 2 一、发表论文6 2 单绕组无轴承薄片电机缺相故障容错控制的研究 二、发表专利6 2 三、获奖情况6 2 l - ， 咖 - 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 磁悬浮电机、无轴承电机和无轴承薄片电机1 图1 2 无轴承薄片电机结构图2 图1 3 被动悬浮原理图2 图1 4 径向悬浮力产生示意图3 图2 1 单绕组无轴承薄片电机结构简图。9 图2 2 单绕组无轴承薄片电机控制系统框图1 4 图3 1 转子偏心图1 6 图3 2 各种相绕组故障模式下的电流2 3 图3 3 相绕组l 故障的仿真结果2 4 图3 4 相绕组1 和2 故障的仿真结果2 4 图3 5 相绕组1 和4 故障的仿真结果2 4 图3 6 缺一相故障的仿真结果2 6 图3 7 旋转坐标法容错控制系统原理框图2 8 图3 8 相绕组l 缺相后径向位移及各相电流波形2 8 图3 9 相绕组2 缺相后径向位移及各相电流波形2 9 图3 1 0 相绕组4 缺相后径向位移及各相电流波形2 9 图3 1 l 相绕组1 、2 缺相后径向位移及各相电流波形3 0 图3 1 2 相绕组l 、4 缺相后径向位移及各相电流波形3 0 图4 1 电机各种绕故障模式时仿真结果3 8 图4 2 定子电流解耦模型法容错控制系统原理框图3 9 图4 3 相绕组l 缺相后径向位移及各相电流波形3 9 图4 4 相绕组2 缺相后径向位移及各相电流波形4 0 图4 5 相绕组4 缺相后径向位移及各相电流波形4 0 图4 6 相绕组1 、2 缺相后径向位移及各相电流波形4 1 图4 7 相绕组1 、4 缺相后径向位移及各相电流波形4 1 图5 1d s p 功能框图4 3 图5 2 电涡流位移传感4 4 图5 3 霍尔3 5 0 3 输出特性曲线4 4 图5 4 电流传感器4 5 单绕组无轴承薄片电机缺相故障容错控制的研究 图5 5 模拟电压调理电路原理图4 6 图5 6 电机功率系统拓扑4 6 图5 7 功率元件4 7 图5 8 主程序4 7 图5 9 开机自检程序4 8 图5 1 0 相绕组工作状态检测功能图。4 8 图5 1 l 滑动求和流程图4 9 图5 1 2 旋转坐标法容错控制流程5 0 图5 1 3 定予电流解耦模型法容错控制流程5 1 图5 1 4 悬浮力、转矩计算流程图5 2 j 一 ， 一 南京航空航天大学硕士学位论文 一、基本符号与说明 基本符号 k a 彳c 彳p m 0 f a 奸 h 乓 凡 x ( y ) c d r e f x y d q 翔( 拍) 6 二、缩略词 略写 b s m a d c p p i d s p p w m 注释表 说明 气隙长度 定子齿弧宽 定子绕组磁势 转子等效磁势 珂坐标系下的转子转角 定转子磁压差 转子厚度 气隙磁场总能量 第栉相定子绕组电阻 x ) r 坐标系下径向位移偏移量 角速度给定值 定子静止坐标系 d q 旋转坐标系 d q 坐标系下径向位移偏移量 x 轴与d 轴的夹角 英文全称 b e a r i n g l e s ss l i c em o t o r a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r p r o p o r t i o n 妣舯ld i f f e r e n t i a l p r o p o r t i o ni n t e g r a l d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s p u l s ew i 拙m o d u l a t i o n 说明 定子弧度 定子绕组匝数 第甩相定子电流 转子磁势幅值 气隙磁密 转子半径 x 、y 方向上的径向悬浮力 电磁转矩 径向位移偏移量给定值 角速度 相电流反馈 x y 坐标系下的悬浮力合力 d q 坐标系下的转子转角 d q 坐标系下的悬浮力合力 定子绕组工作状态矩阵 中文名称 无轴承薄片电机 模拟数字转换器 比例积分微分 比例积分 数字信号处理 脉宽调制 栅口阢厶咖，r樯岛矿 基 j 砌 j ， 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 本章首先通过介绍磁轴承电机和无轴承电机的结构特点，从而引出无轴承薄片电机概 念及基本结构和实现原理，并介绍了无轴承薄片电机的研究概况及发展趋势。在此基础上， 阐述了单绕组无轴承薄片电机的优点，以及无轴承电机容错技术的研究现状。最后简要介 绍了本课题的研究意义和研究内容。 1 2 无轴承薄片电机的简介 1 2 1 提出背景 随着现代科学技术的进步，在高速机床、离心机、压缩机、飞轮储能、涡轮分子泵、 航空航天器等诸多领域对高速电机的性能要求也越来越高。传统机械轴承技术因发热、易 损等问题而导致电机故障越来越突出。因此，一系列无接触的悬浮轴承技术应运而生，其 中包括气浮、液浮和磁悬浮轴承技术等。而磁悬浮轴承技术以其无摩擦、无磨损、不需要 密封和润滑、高速度、高精度、长寿命等一系列优点得到广泛应用。 径向磁轴承轴向磁轴承电机径向磁轴承无轴承电机轴向磁轴承无轴承电机 c a ) 磁轴承电机( b ) 无轴承电机( c ) 无轴承薄片电机 图1 1 磁悬浮电机、无轴承电机和无轴承薄片电机 传统的磁悬浮电机系统如图1 1c a ) 所示，包括左右两侧的径向磁轴承、轴向磁轴承 以及一台驱动电机，传统磁轴承电机存在着轴向空间利用率低且轴向长度难以缩短的缺点。 为克服以上轴向利用率低的缺点，上世纪八十年代提出一种集驱动和悬浮于一体的新 型磁悬浮电机( 将径向磁轴承的功能集成到电机中) ，即无轴承电机n q 。如图1 - 1 ( b ) 所 示，包括左右两侧的无轴承电机、中间的轴向磁轴承。可以看出结构得到了简化，同时电 晋圈母 单绕组无轴承薄片电机缺相故障容错控制的研究 机的轴向利用率得到了提高。 为进一步简化结构，提高电机轴承的利用率，对无轴承电机的结构按图1 1 ( c ) 所示 的结构进行集成，则系统的结构更为简化，电机的轴向利用率可接近1 0 0 ，这就是无轴承 薄片电机。 1 2 2 基本结构与原理 无轴承薄片电机( b e a r i n g l e s ss l i c em o t o r ，简称b s m ) ，因其轴向长度相对于径向长度较 短呈薄片状且采用无轴承技术实现转子径向悬浮而得名，其基本结构如图1 2 所示。其区别 - 于一般电机的特点是：( 1 ) 定子上有集中式绕组，提供电机控制磁场；( 2 ) 电机转子轴向 长度相对于径向长度比较短，呈薄片状n 2 。1 叮，提供电机的驱动磁场。 图1 2 无轴承薄片电机结构图 无轴承薄片电机的旋转原理与普通电机一样，而径向悬浮采用的是无轴承技术7 1 ，分 为被动悬浮和主动悬浮。 图1 3 被动悬浮原理图 无轴承薄片电机的被动悬浮是利用电机转子的轴向长度较直径小得多的结构特点和磁 阻力总是有使磁路磁阻最小的趋势的性质n 3 1 。被动悬浮原理如图1 3 所示，其中左图为转子 发生轴向偏移时，将产生一个磁拉力，使转子回到平衡位置；而右图为当转子发生角度偏 移时，同理也会产生相应的磁拉力迫使转子回到平衡位置。 无轴承薄片电机的径向主动悬浮与普通无轴承电机悬浮机理相同，即以电机本身的驱 2 、 南京航空航天大学硕士学位论文 动磁场为基础，外加一个控制磁场打破原有磁场的平衡分布，从而产生可控的麦克斯韦力 来达到使转子悬浮的目的，如图1 4 所示为无轴承电机径向悬浮力的产生原理。 图1 4 径向悬浮力产生示意图 图中实线所示为电机驱动磁场，虚线所示为控制磁场。当电机驱动磁场叠加上控制磁 场后，驱动磁场的对称分布被打破，在左图中磁场叠加后，左侧磁场减弱，右侧磁场增强， 从而产生向右的径向力；而在右图中磁场叠加后，上部磁场增强，下部磁场减弱，产生了 向上的径向力n 引。 。 1 2 3 研究概况及发展趋势 无轴承薄片电机因体积小、集成度高、轴向利用率高、定转子可完全分离等优点，可 作为一种高密封性、超洁净性、无交叉污染的绿色环保驱动技术。因此，国内外学者给予 了广泛关注，分别有多家科研单位和高校从事无轴承薄片电机技术的研究。国外有瑞士联 邦工业学院( e 1 h ) i 东京理工大学( s c i e n c eu n i v e r s i t yo f t o k y o ) 、奥地利l i n z 大学、德国、 美国等；国内有浙江大学、江苏大学、沈阳工业大学、南京航空航天大学等科研院。 从已发表的文献可以看出，目前对无轴承薄片电机的研究主要集中在电机的理论模型、 电机总体设计、电机的控制算法、控制器的设计、电机的应用、电机的结构、电机系统的 可靠性等方面。 ( 1 ) 在电机的理论模型方面，主要集中在电机被动悬浮特性以及径向悬浮力数学模型 的研究。其中南京航空航天大学研究了集中式绕组表贴式无轴承薄片电机的被动悬浮和转 子长径比的关系以及推导了电机转子有无偏心情况下的径向悬浮力数学模型n 。 ( 2 ) 在电机总体设计方面，主要集中在集中式绕组表贴式无轴承薄片电机的整体定性 分析。其中文献【1 4 】对该结构的电机设计到功率系统部分均都进行了分析，确定了该结构电 机的总体设计原则。 3 单绕组无轴承薄片电机缺相故障容错控制的研究 ( 3 ) 在电机的控制算法方面，主要与电机的结构类型有关。对于普通无轴承永磁电机 而言，主要研究悬浮和转矩系统的解耦算法位，而对于悬浮性能，主要研究了非线性控制 系统的优化乜引；对于交替极无轴承永磁电机而言，其悬浮系统与转矩系统存在固有的解耦 特性，因此其控制算法比较简单；另外也有些学者将非传统的控制器( 如：h o c 空制器、智 能控制器) 引入到无轴承电机的控制中恤刊。 ( 4 ) 在控制器的设计方面，主要集中在控制器核心器件和功率系统的设计。然而大多 数文献采用了d s p 作为核心控制器：功率系统的选择主要由电机定子绕组结构决定，对于 三相绕组通常采用三相全桥，对于多相单绕组通常采用多通道功放、单相全桥、单相半桥 或者三相四桥臂等驱动方案n 引。 ( 5 ) 在应用方面，主要集中于泵类，如医疗血泵、超纯泵、密封泵以及高速风泵等 n 辅拍1 。美国学者将基于无轴承薄片电机的医疗血泵应用于临床实验取得了较好的效果 2 7 - 2 a 。另外瑞士学者还研究基于无轴承薄片电机的液体粘度计、生物反应器等啪1 ，日本学者 研究了基于该电机的飞轮啪1 。 ( 6 ) 在无轴承薄片电机的结构方面，主要集中于集中式绕组表贴式无轴承薄片电机和 交替极无轴承薄片电机。目前，无轴承薄片电机根据定子槽内嵌有的绕组数分为：双绕组 ( 转矩和悬浮绕组) 结构、单绕组结构。其中，文献 1 6 ，2 3 ，2 4 ，3 1 分别利用一套绕组实现的 无轴承薄片电机。 ( 7 ) 在电机系统的可靠性方面，主要集中于电机本体和控制器的可靠性研究。可靠性 主要包括冗余和容错，目前对于无轴承薄片电机可靠性方面的研究仅局限于单绕组结构和 冗余控制n 毛3 。 无轴承薄片电机因其转子成薄片状，易实现定转子的真正隔离，且密封性好。采用这 种电机制造的泵，广泛应用于现代工业、医疗卫生等对纯净性要求极高的领域。然而，由 于此类电机应用场合的特殊性，通常要求电机驱动系统具有高可靠、免维护的特性，并具 备很强的容错功能。 奥地利l i n z 大学的s i e g f r i e ds i l b e r 等学者于2 0 0 0 年率先提出无轴承薄片电机的单绕组 驱动，即利用一套绕组同时实现该电机的转矩和悬浮口。单绕组结构的无轴承薄片电机由 于结构的优越性为该电机实现容错控制奠定了基础，也成为了研究热点。 1 3 单绕组无轴承薄片电机容错控制的研究背景 1 3 1 单绕组无轴承薄片电机的优点 研究发现，无轴承永磁薄片电机采用单绕组结构，不仅结构上比双绕组无轴承薄片电 4 南京航空航天大学硕士学位论文 机简单，而且还具有以下特点： ( 1 ) 结构简单、可靠性高。双绕组无轴承电机两套绕组叠绕在一起，长时间运行或突 然遇到大电流等故障时，可能会造成绕组的匝间短路断路，导致电机瘫痪。单绕组无轴承 永磁电机可采用集中式绕组，每个定子齿上只有一相绕组，且由独立的单相功率电路供电， 易于实现热隔离和电气隔离。 ( 2 ) 电机设计难度降低。由于悬浮绕组与转矩绕组合为一体，不再受绕组分布和叠绕 位置的严格限制，且单绕组结构与普通电机基本类似，其电磁设计和参数优化均可借鉴以 往经验，有利于提高了电机设计性能。 ( 3 ) 槽满率高，漏磁系数小。定子槽内只有一套绕组，无需多余的绝缘材料，而且相 对于双绕组无轴承电机中的任意一套绕组而言，槽满率都有所提高，且漏磁系数降低。尤 其是对于匝数较少的悬浮绕组，双绕组结构的悬浮绕组槽满率更不可能达到较高标准，这 必然会影响电机的整体性能。 ( 4 ) 成本低。单绕组电机加工工艺要求降低，制造难度减小，材料成本和加工成本也 有所下降。另外，容错控制只需要通过软件系统的切换，控制对应的各相绕组电流，便可 实现不同的容错控制方案。不需要任何附加的硬件备份，不仅节约了成本，而且减小了装 置的体积和重量。 1 3 2 容错控制技术及其研究现状 所谓容错控制技术，是指系统出现故障后通过系统重构仍能保持被控对象持续稳定运 行的技术。 电机容错技术是在数字控制技术及电机的设计和控制技术发展到一个很高的境地后出 现的，特别的对于相与相之间相互独立的多相电机，完全可以把多相电机的各相和相对应 的逆变器之路看做积木结构，根据系统故障的情况，有数字控制器发出命令，实现系统的 重构，国内外学者在电机容错技术方面进行了深入的研究。 在普通永磁电机容错方面，1 9 9 3 年英国n e w s e a s t l e 大学的b c m e e r o w 教授提出永磁 容错电机的概念n 2 删。永磁容错电机将传统的永磁同步电机分布式绕组改为集中式绕组，且 每个定子槽中只有一套绕组。没有绕组的电枢齿作为磁通回路，同时也起着隔离作用，实 现了相与相之间电路、磁路以及热的相对独立。 在此基础上，英国谢菲尔德大学z q z h u 教授和d h o w e 教授对该种电机结构进行进 一步研究，并应用于飞机的机电作动系统陆嘲。在国内，西北工业大学对永磁容错电机及其 容错驱动控制的拓扑结构、电机数学模型及其容错解耦控制方法等进行了分析睁钔1 。浙江大 5 单绕组无轴承薄片电机缺相故障容错控制的研究 学对采用容错逆变器的永磁同步电机直接转矩控制系统进行了深入研究，并进行了仿真研 究和实验验证。“1 。南京航空航天大学分析了电力作动器中永磁电机及其控制系统的不同容 错方案，并对六相十极永磁容错电机进行了仿真分析h 射。江苏科技大学根据多相永磁同步 电机缺相故障后绕组的非对称分布的特点，研究了一种基于综合矢量的容错控制方法1 。 江苏大学对永磁容错电机结构作了改进，并以一台四相8 1 0 极电机为例进行了有限元仿真 分析h 。 目前国内外无轴承电机容错控制方面的研究成果并不多见。在国内，文献 4 8 1 q j 浙江大 学黄进教授研究了单绕组六相感应无轴承电机的工作原理、控制策略以及数学模型，并进 行了仿真分析，但没有涉及容错控制的研究内容；针对无轴承薄片电机，奥地利l i n z 大学 的s i e g f r i e ds i l b e r 等学者提出了利用一套绕组同时产生悬浮和旋转磁场的无轴承薄片电 机，其中分别分析了四齿、五齿集中式单绕组结构，并通过改变其它齿上的线圈电流来补 偿悬浮力脉动达到电机运行的稳定性h h l 。此外，文献 4 9 1 中提到通过设置备份绕组的方法 解决绕组故障问题。文献 5 0 】、【5 1 1 q ，南京航空航天大学于2 0 0 7 年对现有的六齿集中式两 套定子绕组的无轴承电机进行改造，将两套绕组相应串联为六相电机，且采用h 桥功率系 统单独驱动各相绕组实现了电机的稳定运行。随后，顺利实现了该电机在相绕组l 缺相后 的稳定运行恤1 。 电机系统故障主要包括电气故障和控制系统故障，其中电气故障有电机本体故障和功 率变换器故障。电机本体故障可以分为：( a ) 轴承类故障；( b ) 绕组类故障；功率变换器 故障归纳为：( a ) 功率管开路；( b ) 功率管短路。由于单绕组无轴承薄片电机采用了无轴 承技术，因此，对于电机本体故障只针对绕组类故障而言。 一般情况下，绕组故障包括绕组开路、绕组短路、匝间短路、绕组出线端短路、接地 短路等故障。解决绕组故障的方法通常为缺相运行，即将故障相切除，合理地控制其它绕 组电流，实现电机的缺相运行。另外，功率变换器或驱动电路故障也可以转化为缺相运行 控制的方式来解决。 1 4 课题的研究意义和本文的研究内容 1 4 1 课题的研究意义 无轴承电机具有无磨损、无污染、长寿命、高转速等优点，通常作为一种高密封性、 超洁净性、无交叉污染的绿色环保驱动技术，应用于生物制药、化工、现代工业等重要领 域。同时，由于某些工业运行环境的特殊性，电机出现某些局部故障时不可能立刻停止系 统运行进行检修，否则可能会造成巨大财产损失，甚至重大安全事故，因此这些领域往往 6 _ ， 南京航空航天大学硕士学位论文 要求驱动系统具有高可靠性、免维护的特性，且具备较强的冗