（电力电子与电力传动专业论文）基于dspic和ftc技术的pmsm电力推进系统研究.pdf

英文摘要 t h er e s e a r c ho ft h ep m s me l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e mb a s e do n d s p i ca n df t ct e c h n o l o g y a b s t r a c t t h ee l e c t r i cp r o p u l s i o ni sam e c h a n i c a ls y s t e mu s i n ge l e c t r o m o t o ra sp r i m om o v e r , t h r o u g hp r o p e rc o n t r o lo nm o t o r , t oe n a b l et h ea d j u s t m e n to nt h es t a r t , s t o p ，s p e e da n d p o s i t i o no fm a c h i n e , a n dt of u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so fv a r i e sm a n u f a c t u r ep r o c e s s e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lp o w e re l e c t r o n i ct e c h n i q u ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g y e t c ，t h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rd r i v es y s t e m ( p m s m ) h a sn o w b e c o m e t h er e s e a r c hf o c u so ft h ee l e c t r i cp r o p u l s i o nt e c h n o l o g i s t sf r o ma l lo v e rt h ew o r l d ，a n d t h er e q u i r e m e n t so ni t sr e l i a b i l i t ya n df a u l t - t o l e r a n tc a p a b i l i t yi na p p l i c a t i o n s u b s e q u e n t l yi sb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e r t h e r e f o r ei t i ss i g n i f i c a n t l yv a l u a b l et o r e s e a r c ha n dd e v e l o pa l lp m s me l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e mw i t hah i 曲r e l i a b i l i t ya n d f a u l t - t o l e r a n tc a p a b i l i t y t h ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns y s t e mp r o p o s e di nt h i sa r t i c l eu t i l i z e st h ea d v a n t a g e so f p m s ms u c ha ss m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，s m a l lm o m e n to fi n e r t i aa n dh i g h e f f e c t i v e n e s so fo p e r a t i o n ，h i g l lr e l i a b i l i t y , a g a i n s tt h ei ) ce l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m s d e f e c t i v e n e s so ns t r u c t u r ea n da s y n c h r o n o u se l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m sp o w e r d e f e c t i v e n e s sa n di n e f f i c i e n c y f r o mah a r d w a r el e v e l ，b yi m p l e m e n tf a u l t - t o l e r a n td e s i g no np m s ma n di n v e t e r ； a d o p t i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd s p i c 3 0 f 4 0 1 1w h i c hh a sh i 曲p r e c i s i o n , r e l i a b i l i t y a n ds t a b i l i t y ；, a n du s i n gi r 2 1 2 1 & i r 2 1 2 5d r i v ec h i p s e tw h i c hh a se r r o rp r o t e c t i o n & i n s p e c t i o nf e a t u r e s ，t h ep r o p o s e ds y s t e mi sd e s i g n e dt oh a v ea l li m p r o v e df a u l t - t o l e r a n t c a p a b i l i t ya n ds e c u r i t yl e v e l f r o mas o f t w a r el e v e l ，b ya d o p t i n gt h eh y s t e r e s i s - b a n dc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o l a l g o r i t h ma n dp r o p o s i n gt w oe r r o r - r e m e d ym e t h o d s ，t h ep r o p o s e ds y s t e m i se n a b l e dt o m a i n t a i no p e r a t i o na n dk e e pt h es t a b i l i t yo ft o r q u eo u t p u te v e nw i t he r r o r s ，w h i c hc o u l d b ee x p e c t e dt or e d u c et h ei n j u r y d e a t ho fp e o p l e ，t h ed a m a g et ot h ec o m m u n i t ya sw e l l a se c o n o m yl o s s e s t h e s em e t h o d sm o r e o v e ra r ep r o v e dp r a c t i c a la n dw i t h9 0 0 d p e r f o r m a n c eb ym a t l a bs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o n t h ep m s me l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e md e s i g n e di nt h i sa r t i c l ew h i c hi sb a s e do i ! f a u l t t o l e r a n tc o n t r o lt e c h n o l o g y , c o u l db ei m p l e m e n t e di nt h o s ec i r c u m s t a n c e sw i t h 英文摘要 h i g hs e c u r i t y , s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t ss u c ha sv e s s e l se l e c t r i cp r o p u l s i o n s y s t e m ，f i r c r a f l se l e c t r i cd r i v es y s t e ma n dp e t r o li n d u s t r y k e yw o r d s ：e l e c t r i cp r o p u l s i o n ：p m s m ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；f t c ；m a t l a b 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：基王亟塑! 塑至i 堡撞苤数m 墨丛电力推进丕统研究= = 。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名摇鸟虱脚 月腼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名鬃勇霭导师 醐：幽勺月明 基于d s p i c 和f r c 技术的p m s m 电力推进系统研究 第1 章绪论 1 1 课题研究意义和背景 电力推进是以电动机作为原动机的机械系统的总称。其目的是为了通过对电 动机合理的控制，来满足生产机械的起动，停止，速度、位置调节以及各种生产 工艺的要求。作为一种新型的推进系统，电力推进有着一些与众不同的优越性： 1 操作更加灵活。 2 与其它用电设备形成综合全电力系统提高能源利用率。， 3 采用同步电机推进系统还可以提高电网的功率因素。 4 可实现全自动化控制，结构简单，便于维修。 电力推进的存在虽然已经有1 6 0 多年，但是电力推进技术的发展受到电力电 子技术、交流调速技术、控制技术等多方面因素的制约，使得它成为- - f l 既老又 新的学科【l j - 。 在上个世纪8 0 年代以前，由于大功率电子器件的研究停滞不前，制约了电力 推进装置的功率，也限制了电力推进方式的广泛应用。8 0 年代以来，以开关技术 为基础的功率电子技术不断地向更高频率和智能化、模块化方向迅速发展，使得 电力推进技术的前景光明起来。采用现代功率电子变换设备独有的灵活性提高了 系统的可操作性，并带来很多其他优点，如操纵性能好、振动噪声小、工作可靠、 易于实现自动控制等等。 在同一时期，控制技术的发展也产生了质的飞跃，从传统的模拟控制器转向 数字控制器发展。数字控制器经历了8 位微机、1 6 位微机到3 2 位微机和高速数字 信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 四个阶段的发展，实现了系统的全数 字化控制，不但使控制电路大大简化，改善了系统的可靠性、可使用性、可维修 性，而且使交流调速系统的功能更加完善，使用更加方便。 随着电力电子技术、控制技术的进步及社会对环保、节能要求的日渐严格， 电力推进系统在社会各方面的使用越来越广泛。电力推进与国民经济、人民生活 均有密切联系，被广泛应用于冶金、机械、轻工、矿山、港口、石化、航空航天 等各个行业中。如何优化、设计电力推进系统，以实现更低廉的成本、更好的性 能就具有十分重要的意义。 第1 章绪论 在电力推进系统的研究和开发领域中，对电机选择的标准有效率、重量和体 积、噪音和振动、电磁兼容性、动态性能、可靠性、故障排除、维修以及造价等。 由于直流电机调速系统有比较理想的转速调节性能和转矩控锘i 。k 力，而且具 有高效、高可靠性等优点，所以长期以来在电力推进领域中占据统治地位。但直 流电动机存在结构上的固有缺陷：直流电动机的机械换向器结构受到换向器最大 片间电压、机械强度、电机温度和磁负荷等限制，使得其单机容量不能做得很大。 异步电动机结构简单、可靠，但是功率因素低、效率也受影响。普通同步电动机 与异步电动机调速系统相比，它具有功率因素高、转子参数可测、效率高、定转 子气隙大、控制性能好等方面的优势。但是电励磁的同步电机转子结构复杂、可 靠性不高、维修部方便。 因此在电力推进系统的研究和开发领域中，永磁同步电动机( p m s m ) 以其体 积小、重量轻、转动惯量小、效率高和可靠性高等优点使推进系统的性能得到了 很大提高，目前已成为国内外推进技术专家的研究焦点，并已得到成功应用。随 着控制技术的发展，永磁同步电动机的各项技术指标均已达到甚至超过直流电动 机的水平。在高性能驱动方式电力推进系统中永磁同步电机正取代传统直流电机 的核心地位。 然而与美国、德国等发达国家相比，我国在永磁同步电动机的研究和开发上 还存在很大差据、存在许多技术空白： 1 国内对永磁同步电动机的研究工作主要侧重于电动机本体的研究，对其控 制系统的研究工作较少： 2 对于永磁同步电动机的控制系统的理论研究和仿真研究较多，生产实际中 应用的成果较少； 3 由于受到国内的设备、经费等条件的限制，对国际上电机调速领域中的前 沿性课题研究较少。对最新出现的电气推进研究方向，如：故障检测技术、容错控 制技术、人工智能控制技术与应用，同国际先进水平相比还有较大差距。 鉴于以上背景，提出了“基于d s p i c 和f t c 技术的p m s m 电力推进系统研究 这一课题。 随着科学技术的进步，设备结构日趋复杂，功能越来越完善，自动化程度也 越来越高，组成控制系统的各个基本环节都有可能发生故障。由于结构的复杂性 基于d s p i c 和f t c 技术的p m s m 电力推进系统研究 和大功率、高负荷地连续工作，设备在运行过程中，随着时间的增长和内外部各 种条件的变化，迟早会发生故障，轻则降低性能、影响生产，重则造成停机、停 产、设备损坏，甚至机毁人亡。国内外曾经发生的各种空难、海难、爆炸、断裂、 倒塌、泄露等恶性事故，都造成了人员的巨大伤亡和严重的经济损失和社会影响。 因此，本文结合被动容错和主动容错策略，在故障发生后重新调整控制器的 参数和控制算法，分别从硬件本身和软件上设计了具有强容错性能、高可靠性的 永磁同步电机电力推进系统。在保证系统动态性能的同时，把故障产生的危害降 到最小。本系统适合于对可靠性要求较高的航天航空、国防、军事等领域中。本 文研究内容主要包括以下几个方面： 1 详细讨论了永磁同步电动机的数学模型，并对永磁同步电动机推进系统和 控制系统进行容错设计，故障分析。 2 提出了永磁同步电动机的滞环控制策略和两种故障纠错策略，并进行了仿 真，为控制系统的实现提供了理论依据及现实的解决方案。 3 对容错p m s m 电机控制系统进行硬件设计，主要包括以d s p i c 单片机为核心 的数字控制器、主电路、驱动电路和检测电路的设计。 4 对容错p m s m 电机控制系统进行软件设计。d s p i c 数字控制器的软件开发作 为本次设计的核心任务，主要完成了容错p m s m 电机启动和相位初始化程序设计， u a r t 通讯程序设计，电流跟踪滞环控制程序设计，故障判定以及故障补救策略程 序设计，另外还有a d 转换模块，正交编码器模块等的接口程序设计。 1 2 基于容错控制技术的电力推进系统概述 电力推进是- - i 1 涵盖多方面知识和技术的综合性学科，包括电机学知识、交 流调速技术、电力电子技术、控制技术等。本节将简要介绍各领域的发展概况。 1 2 1 永磁同步电机的发展概况 1 9 世纪2 0 年代出现了世界上第一台由永磁体励磁的电机。但由于当时所用的 永磁材料为天然的磁铁矿石，磁能密度非常低，所以用其制造的电机体积庞大， 没有得到广泛应用。随着各种电机的迅速发展和电流充磁器的发明，人们对永磁 材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等 多种永磁材料。特别是2 0 世纪3 0 年代出现的铝镍钴永磁材料和5 0 年代出现的铁 第1 章绪论 氧体永磁材料，磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励 磁。但是，铝镍钴永磁材料的矫顽力偏低，铁氧体永磁材料的剩磁密度不高，阻 碍了它们在电机中的广泛应用。 2 0 世纪6 0 年代和8 0 年代，稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料相继问世，它们 的高剩磁密度、高矫顽力和线性退磁曲线等性能使得它们特别适合于制造电机， 从而使永磁电机的发展进入了一个新的历史时期。 近年来，永磁体的容量提高得很快，材料的价格也下降了很多，大功率永磁 同步电动机的优势逐渐被显现出来： 1 结构简单运行可靠。因为永磁同步电机转子不需要励磁，省去线圈或鼠笼， 简化了结构，减少了故障，维修更加方便简单，维修复杂系数大大降低。 2 永磁同步电机的转速和电源的基波频率之间保持着同步关系。只要精确地 控制变频器的输出频率就能精确地控制电机的转速。 3 永磁同步电动机较异步电动机对转矩的扰动具有较强的承受能力。在同步 电机中，只要电动机的功角作适当变化，而转速始终维持在原来同步转速不变， 转动部分的惯性不会影响同步电动机对转矩的变化做出快速响应。 4 从转速调节范围来看，永磁同步电动机转子有励磁，即使在很低的频率下 也能运行，调速范围比较宽；而异步电动机的转子电流靠电磁感应产生，频率很 低时，转子中就难以产生必要的电流，调速范围比较低。 5 从节能方面和成本上考虑，永磁同步电动机也是优于异步电动机的。 因此，永磁同步电机也得到越来越广泛的应用。当前，永磁电机在军事、航空 航天和国防领域中的应用是占绝对优势的，几乎取代所有电励磁电机。永磁电机 在工、农、商、建筑、医药、旅游、金融业以及日常生活中的应用也越来越广。 可以预料，随着永磁材料和电动机转子制造价格的降低，以及驱动系统理论和实 践应用的不断完善和提高，永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进一步的发展 和应用，在某些场合会逐渐取代现有的普通绕线转子电动机及其驱动系统【3 羽。 1 2 2 电力电子技术的发展概况 电力电子技术的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关和相 互促进的。交流调速系统中，功率主回路中的电力半导体器件是现代电力电子设 基于d s p i c 和f t c 技术的p m s m 电力推进系统研究 备的心脏和灵魂。 电力电子时代是从2 0 世纪5 0 年代末晶闸管( s c r ) 的出现开始的，后来陆续出现 了其他种类的器件，诸如：控制极可关断晶闸管( g t o ) ，双极型大功率晶体管( b j t ) ， 功率场效应晶体管( m o s f e t ) ，绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) ，静态感应晶体管 ( s i t ) ，静态感应晶闸管( s i t h ) ，m o s 控制的晶闸管( m c t ) 等。从发展来看，电力电 子学一般是跟随着电力电子器件的发展前进的，而电力电子器件则是跟随固体电 子学的发展前进的。 功率场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 是一种单极型的电压控制器件，具有驱动 功率小、开关速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点。其不足是功 率m o s f e t 导通压降高，而且随着器件电压和温度的升高导通压降也增加。然而， 功率m o s f e t 开关损耗极小，可补偿导通压降高的缺点，适用于高频工作。现已广 泛应用于开关电源、电机调速、不间断电源、超声波发生器以及高频感应加热电 源等诸多领域。 绝缘门极双极型晶体管i g b t 出现于2 0 世纪8 0 年代。在i g b t 中，用一个m o s f 极 来控制宽基区的高电压双极型晶体管的电流传输，这就产生了一种具有功率 m o s f e t 的高输入阻抗与双极型器件的优越通态特性相结合的器件。实际上，i g b t 的通态特性比高电压的晶体管还好，接近晶闸管的通态特性。 i g b t 、m o s f e t 等全控型器件具有自关断能力，组成逆变器时不需要晶闸管系 统所必需的换相电路，简化了电路结构提高了效率。由于工作频率的大幅度提高， 明显的扩大了电机控制的调速范围，提高了调速精度，改善了系统的动态响应， 效率和功率因素【6 】。 1 2 3 数字控制技术的发展概况 在控制技术方面，初期的交流调速系统均采用模拟控制器，因为要完成矢量 复杂的在线运算，所以电路十分复杂。从2 0 世纪8 0 年代开始，控制器经历了8 位微 机、1 6 位微机到3 2 位微机和高速数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c c s s o r ) 四个 阶段的发展，实现了系统的全数字化控制。随着各类高性能的微处理器和微控制 器的出现，数字控制器代替传统的模拟控制器己经成为必然的发展趋势。它有着 诸多显著的优点： 第1 章绪论 1 精度高：在数字控制系统中，以微处理器作为整个系统的控制核心，将复 杂的控制电路用软件实现。 2 稳定性好：由于控制信号为数字量，不会随时间发生漂移，也很少受温度 和环境的影响而发生变化。 3 可靠性高：数字控制采用大规模集成电路，系统中所用的元件大大减少， 相应的故障率大大降低。 4 灵活性好：系统中硬件向集成化、标准化方向发展，可以在尽可能少的硬 件支持下，由软件去完成复杂的控制功能。适当的修改软件即可改变系统功能或 提高其性能。 5 存储能力强：数字系统存储容量大，可以在存储器中存放大量的数据或表 格，利用查表法简化计算，提高运算速度。 6 。逻辑运算能力强：容易实现自诊断、故障记录等功能，使变频装置可靠性、 使用性大大提高。 在1 6 位数字信号控制器( m c u 和d s p ) 领域，美国微芯科技公司推出的 d s p i c 3 0 f 系列数字信号控制器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 具有很高的性价比，其运算 速度可达2 0 或3 0 m i p s ，配备自编程闪存，并能在工业级温度和扩展级温度范围内 工作。这些卓越的性能使数字信号控制器成为高精确度、高可靠性的电机控制领 域的理想解决方案忉。 1 2 ：4 容错控制技术( f t o ) 发展概况 容错( t o l e r a n c e ) 就是容许错误，是指设备的一个或多个关键部分发生故障时， 能够自动地进行检测与诊断，并采取相应措施，保证设备维持其规定功能，或用 牺牲性能来保证设备在可接受范围内继续工作【8 】o 容错中的“错 ，一般可分为两类：第一类，先天性的固有错，如元器件生产 过程中造成的错，线路与程序在设计过程中产生的错。这一类错误需对其拆除、 更换或改正，它是不能容忍的。第二类，后天性的错，它是由于设备在运行中产 生了缺陷所导致的故障。这种故障有瞬时性、间歇性和永久性区别。对瞬时性及 间歇性故障，不能采取检测定位等措施( 因为检测时可能不见了，过一段时间可能 又会出现) ，但可以考虑随机地消除其作用，使其不影响设备的正常工作。对于永 基于d s p i c 和f t c 技术的p m s m 电力推进系统研究 久性故障，可先诊断出它存在的范围和部件，然后将有关零部件或分系统切换或 修理。 容错控s j j f t c ( f a u l t - t o l e r a n tc o n t r 0 1 ) 技术是提高系统可靠性的重要途径，也是 设计高可靠性系统必不可少的技术。它的基本思想是由冯诺依曼( j v n e n m a n n ) 在1 9 6 2 年提出的，并在近2 0 年发展很快。首先，在先进的计算机中实现，例如航 天飞行控制、人造卫星、潜艇导航、银行业务管理等领域，都要求计算机成年累 月连续无故障地工作，从而促进了容错计算机的迅速发展。其平均故障间隔时间 ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) m t b f 可达15 年一2 0 年。 1 9 8 5 年，e t c m o 等人将容错控制分为主动容错控制( a c t i v ef t c ，需要系统的故 障信息来重组系统的控制行为) 和被动容错控制( p a s s i v ef t c ，系统可能发生的故障 情况在系统设计之初就作为先验知识被考虑进去了，不需要在线获知故障信息， 容错能力有限) ，如今己成为现代容错控制研究方法分类的依据f 9 l o 】。1 9 8 6 年9 月， 美国国家科学基金委员会和i e e e 控制系统学会联合举办的一次专题讨论会上，国 际控制界5 2 位著名专家汇聚于美国s a n t ac l a r a 大学，讨论控制科学的发展及当前面 临的挑战，容错控制被列为当今和未来的七个挑战性课题之一。k o r 嘲和m o o r e 等 首先将其应用于v l s i 与w s i 的容错控制【l 。同年，张翰英教授发表论文，提出在 我国“必须加速发展实用性容错系统 【1 2 j 。此后，周东华、程一、葛建华等又将 容错技术应用于动态系统及传感器失效的研究f 1 3 以5 】。1 9 9 7 年，i f a c 故障诊断与安 全性委员会主席p a t t o n 教授撰写了容错控制的综述文章。 目前，容错技术的研究已经有了很大的发展，并取得了许多重要研究成果。 把f t c 策略应用于工业设备的故障处理，将对延长设备的使用寿命、提高设备运行 的安全性和可靠性产生重大的影响。尤其对航空、航天、石油、化工、核发电站、 自动化生产线等重要设备，将会带来巨大的社会效益和经济效益。 容错控制技术和状态监测、故障诊断技术密切相关。状态监测可以及时发现 故障，故障诊断可以确定出故障原因、部位、类型及程度，并为容错控制提供必 要的信息。状态监测与故障诊断的准确性和实时性，直接影响对设备故障的容错 能力。故障诊断技术的发展为容错控制的研究提供了必要的基础和前提准备。容 错控制为故障诊断的研究注入了新的活力，这两个方面以其重要的理论、实践上 的意义和由此产生的深远的影响成为了引人入胜的研究热点。 第2 章基于容错控制技术的p m s m 电力推进系统理论分析 第2 章基于容错控制技术的p m s m 电力推进系统理论分析 2 1 基于容错控制技术的p m s m 电力推进系统总体结构 电力推进系统包括：发电、输电、配电、变电、拖动、推进、储能、监控和 电力管理等。基于容错控制技术的电力推进系统主要由电力系统、监控系统、容 错p m s i 拖动系统和容错p m s m 推进控制系统四大系统组成。其总体结构如图2 1 所示。 图2 1 基于容错控制技术的p i 妊s m 电力推进系统总体结构图 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo fp m s m e l e c t r i cp r o p u l t i o ns y s t e mo nf t ct e c h n o l o g y 图2 1 中细虚线框部分为电力系统包括发电、配电、输电和用电四部分。 1 发电部分是将其他形式的能量转换成电能的装置。 2 配电部分的作用是对电源进行保护、监视、分配、转换、控制。 3 输电部分电缆和电线的总称。作用是将电能传送给所有用电设备。 基于d s p i c 和f t c 技术的p m s m 电力推进系统研究 4 用电部分即是指负载。 电力推进监控系统的任务是对原动机、发电机、主配电板、推进电机、变频 装置等设备进行监控。系统自动辨别出被监控对象的运行条件，并在无人工干预 的情况下自动寻找原动机的最佳运行条件与范围，对负载进行动态自动跟踪以决 定动力机械设备投入数量，寻求原动机的最佳功率运行水平。并且监控系统根据 测点清单对被监控的电力推进设备进行集中监侧、显示、报警和打印记录 本文对电力系统和监控系统部分不做研究，因此本文所研究的电力推进系统 是指由容错永磁同步电机拖动系统和容错p m s m 电力推进控制系统组成的容错 p m s m 电力推进系统，如图2 1 中粗虚线框所示。 由图2 jl 可知，容错p m s m 拖动系统由容错逆变器，容错电机，和负载组成： 1 控制每台电机的逆变器由三个独立的逆变器组成，分别控制电机的三相绕 组。通过这种硬件上的独立，提高系统的容错能力。逆变器从整流装置获得直流 电，通过控制系统的调整，给电机提供符合要求的交流电。 2 电动机作为动力装置带动负载运行。系统的动力装置由两台同轴相连的容 错永磁同步组成，这是利用硬件冗余提高电力推进系统的容错能力。 3 负载是指执行机构，如各种机械设备。在本实验中所用的负载为直流电机 和电阻所组成的负载，用于测试电力推进系统的性能。 容错p m s m 推进控制系统由数字控制器( d s p i c 3 0 f 4 0 l l 单片机) 、驱动电路 检测电路和保护电路组成。其中数字控制器是整个电机控制系统的核心，驱动电 路是连接控制系统和电机拖动系统的桥梁，检测和保护电路是系统可靠性、安全 性得以保障的关键，是容错控制技术密不可分的部分。1 号数字控制器通过从参考 电流控制器、传感器、检测电路和2 号控制器获得给定电流信号，反馈的位置信 号、反馈电流信号，1 号电机故障信号和2 号电机故障信号；并对这些信号进行处 理，输出控制信号去控制逆变器。 由于时间和精力有限，又鉴于1 号和2 号电机的控制原理完全相同，本文只 研究基于容错控制技术的单电机推进系统。 第2 章基于容错控制技术的p m s m 电力推进系统理论分析 2 2 普通p m s m 电力推进系统 2 2 1 永磁无刷电机的分类 永磁电机根据磁体位置和磁化方向不同可以分为径向磁路结构和轴向磁路结 构两种。径向磁路结构的气隙沿着电机的半径分布，轴向磁路结构的气隙分布与 转轴平行。径向磁路永磁电机应用比较广泛，然而轴向磁路永磁电机由于其功率 密度大和加速快在少数场合起着重要的作用。 如图2 2 所示，如果永磁体装在转子表面那么就叫做面装式永磁电机，如果永 磁体安装在转子内部那么就叫做内置式永磁电机。基于内置式永磁电机的高磁阻 转矩和转子结构内部特性，与面装式永磁电机相比，内置式永磁电机有很多优点。 比如高转矩密度，气隙衰减领域大。然而内置式永磁电机会产生相当大的转矩波 动【1 6 】。 图2 2 永磁电机的横截面：( a ) 面装式永磁电机，( b ) 内置式永磁电机 f i g 2 2c r o s ss e c t i o no fp mm o t o r s ：( a ) s u r f a c em a g l l e t s ，( b ) i i l t e f i o rm a g l l e t s 根据转子结构，无刷电机又可分为隐极式和凸极式转子结构，如图2 3 所示。 如果在特殊应用场合，如伺服系统中需要快速的加速或减速，转矩和惯量的比值 应该尽可能的高。因此，在这种情况下基于有隐极式转子结构和高能量密度的永 磁体的永磁电机是很好的选择。凸极式转子结构的永磁电机通常用于恒速运行的 系统中，如风机系统等。应用于电脑的主轴电机也属于凸极式永磁电机。凸极式 转子的高转动惯量是保证电机能够恒转速运行的重要因素。 基于d s p i c 和f t c 技术的p m s m 电力推进系统研究 f a lf b ) 图2 3 永磁电机的横截面：( a ) 凸极式转子，( b ) 隐极式转子 f i g 2 3c r o s ss e c t i o no fp mm o t o r s ：( a ) e x t e r i o rr o t o r , ( b ) i n t e r i o rr o t o r 根据反电动势波形，永磁电机可分为梯形波永磁无刷电机( b t p m ) 和正弦波 永磁无刷电机( b s p m ) 。梯形波永磁无刷电机( b t p m ) 和正弦波永磁无刷电机 ( b s p m ) 的典型反反电动势波形如图2 4 所示。 通常，具有梯形波反电动势的永磁无刷电机通过采用与电机转子角位置同步 的方波电流进行驱动，其中方波电流每1 2 0 。进行换向。因此，此类电机也叫直流 无刷电机或梯形波永磁交流电机。同样的，具有正弦波反电动势的永磁无刷电机， 也称正弦波永磁交流电机，采用正弦波电流进行驱动，减小了转矩脉动。由于在 同步电机中，按照转子磁场原理运行，所以也称作永磁同步电机。 价| | 万、2 1 t 0 。7 v 驯3 厂弋冗 2兀。 州6 5 州6u 。c 7 ( a )( b ) 图2 4 永磁无刷电机的典型反电动势波形( a ) 永磁无刷正弦波电机，( b ) 永磁无刷梯形波电机 f i g 2 4t y p i c a lb a c k e m fw a v e f o r m si nb r u s h l e s sp mm o t o r s ：( a ) b s p mm o t o r , ( b ) b t p mm o t o r 方波和正弦波电流的产生与转子位置有关。对以上两种波形的转子位置传感 器的要求是不同的。形成方波电流需要知道每间隔6 0 。电角度的转子位置信息， 第2 章基于容错控制技术的p m s m 电力推进系统理论分析 而形成正弦波电流需要知道转子连续位置信息。因此，梯形波永磁无刷电机结构 简单、造价低，但在低速运行时，b l d c m 的性能较差，主要是受转矩脉动的影响， 转矩脉动比较大，铁心损耗也较大。而正弦波永磁无刷电机虽然控制复杂、造价 高但其具有较好的动态性能，如响应速度快，输出转矩平滑【1 7 2 0 】。 2 2 2p m s m 电机数学模型 ( 一) 电压数学模型 标准的三相永磁同步电机通常是星型连接。假设永磁同步电机的三相定子绕 组相同，并且空间上相差1 2 0 。，那么它的等效电路如图2 5 所示。每相由电阻、 电感和感应反电动势串联组成。各相绕组之间存在互感系数。 图2 5 标准三相永磁同步电机的等效电路 f i g 2 5e q u i 、，a l tc i r c u i to f l l l es t a n d a r d 吐l 他e 1 ) h 勰ep m s m 根据匝链的总磁链原理，三相永磁同步电机的电压方程以矩阵形式表示如下： 尺oo 0 尺0 oo 尺水豳 ( 2 1 ) 其中，j ，和码为三相绕组向电压；f l ，幻和如为三相绕组相电流；，y 2 和少3 为三相绕组匝链的总磁链；尺为每相绕组的电阻。 上述的总磁链包括永磁极产生的磁链和定子电流产生的磁链，以矩阵形式表 11i一1 砜心心 -。l 基于d s p i c 和f t c 技术的p m s m 电力推进系统研究 示如下： i h 萎：纠l 2 2m 2 3 豳i 2 l 刖1 l 怃 ( 2 2 ) 陆)pr02f 蕊c o s 8 别 眨3 ) 式2 式： 斗 尺0o oro 0 0r 其中，e l , e 2 ，和旬为转子永磁极磁链在每相绕组中感应的反电动势。 在三相独立零点的星型连接的电机，三相电流之和为零，因此可得如下表达 m l + m t 之= 一m l 毛 ( 2 5 ) 把表达式( 2 5 ) 代入( 2 4 ) 中，面装式永磁电机的电压方程可简化为如下形 汁 ( 2 6 ) 42 1j q 吃巳 _。l + 1j h匕b j 一出 1j m m 厶m 厶鸠厶鸠m 。l + 1，j h也b q 吃巳 。l + 1j 眨b 。l d 一西 1，j 0 0 l0 0 l o 0 l + 1j hkb 。l1j 0 o 尺 0 r o r o o 第2 章基于容错控制技术的p m s m 电力推进系统理论分析 其中，l = 厶一m ，被称为面装式永磁电机绕组的等效电感。 如公式( 2 6 ) 所示，通过引进等效电感这一术语，我们可以简化电压方程。 这使得对永磁无刷电机拖动系统的静态和动态特性研究变得容易。 感应的反电动势与转子位置包有关。如果定子绕组对称连接，则永磁同步电 机的反电动势的理想波形可以用如下方程表示： q = 已s i n ( 见) 乞= 已s i n ( 见+ 2 z 3 ) ( 2 7 ) 白= 玩s i n ( 见+ 4 z 3 ) 其中，晶是反电动势电压的幅值，它与电机的机械角速度成比例，可用公 式( 2 8 ) 计算；以为转子位置电角度，可用公式( 2 9 ) 计算。 瓦= 屯 ( 2 8 ) 其中，忽是反电动势常数。 见= ，e2 虬j 出 ( 2 9 ) 其中，只是转子位置的机械角度；n p 是电机的极对数。 ( 二) 转矩数学模型 永磁同步电机可以把电能转换为机械能，也可以把机械能转换为电能。永磁 同步电机的电磁转矩可以从与输出机械功率的关系中直接获得。在一个标准的三 相电机中，瞬间输入总功率p 为每相瞬间功率的总和，可以用如下式子表示： 尸= m + 屹之+ 屹毛 ( 2 1 0 ) 从( 2 6 ) 和( 2 1 0 ) 可知，面装式永磁电机的瞬间功率尸可以用如下式子表 示： 尸叫州瑚专曝+ 警+ 参懈峨嘲) 眩 由上述方程可知，瞬间输入功率由三部分组成。第一部分为定子铜耗；第二 部分为磁场能量的变化率；根据能量守恒定律，第三部部分为转化为机械功率的 能量，称为机械输出功率。 在转子机械系统中，机械功率等于电磁转矩死和角速度的乘积，可表示为： 基于d s p i c 和f t c 技术的p m s m 电力推进系统研究 乞耐= q f l + e 2 i 2 + 巳f 3 = 正 ( 2 1 2 ) 这样，面装式永磁同步电机的电磁转矩可以很容易的获得： 1 乏= - = ( 岛+ e 2 i 2 + 吃如) ( 2 1 3 ) 由( 2 1 3 ) 方程可知，电磁转矩与机械角速度成反比，与相电流和反电动势电 压的乘积的和成正比。这个转矩方程不适用于计算零速度运行时的电磁转矩。因 为此时反电动势电压也与转子角速度成比例。 对于p m s m 电机，电流波形函数是转子位置的正弦波函数。通常，可用公式 ( 2 1 4 ) 来表示。 l = ls i n ( 0 , 一矽。) 之= 厶s i n ( o , 一2 ) ( 2 1 4 ) i f 3 = l s i n ( o , 一矽3 ) 其中，k 电流幅值。由公式( 2 1 4 ) 可知瞬时电流是一个转子位置的函数。角 度。，矽：和痧，为电机各相间的相差。 正如其它的电力推进系统，永磁同步电机通常与机械系统连接。这样电力拖 动系统的动态数学模型可以用如下式子表示： 互= j 鲁邶q + 瓦 ( 2 1 5 ) 其中，死为负载转矩；，为电机和连接的负载的转动惯量；b 为阻尼系数。这 个方程通常称为电机运动方程，可以描述拖动系统的动态特性。 2 2 3 普通p m s m 电力推进系统结构 三相永磁同步电机的数学模型是一个多变量、非线性、强耦合系统。为了实 现转矩线性化控制，就必须对转矩的控制参数实现解耦。转子磁场定向控制是一 种常用的解耦控制方法。 转子磁场定向控制时将o d q 同步旋转坐标系放在转子上，随着转子同步旋转。 其d 轴( 直轴) 与转子的磁场方向重合，q 轴( 交轴) 逆时针超前d 轴9 0 0 电角度， 如图2 6 所示。图2 6 表示了转子磁场定向后，定子三相不动坐标系a 、b 、c 与 转子同步旋转坐标系o d q 坐标系的位置关系。定子电流矢量毛在o d q 坐标系上的 投影妇、毛可以通过对i a 、i s 、i c 的c a l a r k e 变换和p a r k 变换求得。白和南是直流 第2 章基于容错控制技术的p m s m 电力推进系统理论分析 分量，分别用于产生磁场和转矩。 a 图2 6p m s m 定子坐标系和转子坐标系的关系 f i g 2 6r e l a t i o n s h i po f p mm o t o rr o t a t o rc o o r d i n a t e sa n ds t a t o rc o o r d i n a t e s 通常，具有位置传感器的永磁同步电机拖动系统采用d q 电流控制策略。普通 p m s m 电力推进系统总体结构如图2 7 所示。 图2 7 所示的系统是由外部位置指令给定、转子位置传感器、电流传感器、电 压源逆变器、三相永磁同步电机以及数字控制器组成。 数字信号控制器完成检测信号的a d 转换，完成位置调节器、速度调节器、 电流调节器以及逆变器驱动s v p w m 信号计算。位置传感器检测实际转子位置信 号0 和给定位置信号0 + 进行比较得到位置误差信号0 。，该位置误差信号经过位置 调节器p i 调节后，输出转子转速给定信号。实际转速信号由实际转子