專利名稱：雙電機(jī)冗余控制系統(tǒng)的角度補(bǔ)償方法
雙電機(jī)冗余控制系統(tǒng)的角度補(bǔ)償方法一、 技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及交流變頻和余度傳動(dòng)領(lǐng)域的控制方法二、 背景技術(shù)全電/多電飛機(jī)是下一代軍機(jī)和民機(jī)的發(fā)展趨勢,其重要特征是電力作動(dòng)系統(tǒng)取代傳 統(tǒng)的液壓作動(dòng)系統(tǒng)，隨之帶來的是全機(jī)性能及飛機(jī)生存率的大幅度提高。同時(shí)由于電力 作動(dòng)系統(tǒng)與飛機(jī)的操控性能密切相關(guān)，這要求其應(yīng)有容錯(cuò)運(yùn)行能力。余度技術(shù)是獲得高 可靠性的有效方法之一，其在電動(dòng)車輛、艦船全電力推進(jìn)及航空航天等重要場合的應(yīng)用 優(yōu)勢正逐步得到顯現(xiàn)。目前電機(jī)冗余技術(shù)的研究主要集中在多繞組余度電機(jī)系統(tǒng)方面。然而在多繞組余度 電機(jī)系統(tǒng)中，由于單余度間無法完全實(shí)現(xiàn)磁場隔離和熱隔離，使得余度電機(jī)的設(shè)計(jì)成為 一個(gè)難點(diǎn)，同時(shí)其控制技術(shù)也較為復(fù)雜。近年來， 一種多機(jī)共軸結(jié)構(gòu)的余度電機(jī)系統(tǒng)逐 漸引起了研究人員的重視。該類型余度系統(tǒng)在功率密度上略低于多繞組余度系統(tǒng)，但它 可完全保證單余度電機(jī)間的熱隔離、磁場隔離和電氣隔離，其可靠性更高且控制較為簡 單。綜合己有文獻(xiàn)來看，國內(nèi)外對多機(jī)共軸余度系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，其研究成 果也主要體現(xiàn)在余度系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的分析和穩(wěn)態(tài)特性的研究方面，如何在保證共軸余度 電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，切實(shí)提高其運(yùn)行效率，是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)，已有的解決 方案多集中在電機(jī)設(shè)計(jì)方面，而從控制技術(shù)角度出發(fā)的解決方案較少。三、 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的旨在提出了一種雙電機(jī)冗余控制系統(tǒng)的角度補(bǔ)償方法，用以提高余度 系統(tǒng)的運(yùn)行效率。該實(shí)現(xiàn)方案的特征在于利用一定的初始定位方法，測量出余度電機(jī)系統(tǒng)前后轉(zhuǎn)動(dòng)的角度沖與"，并有產(chǎn)w—沖，再將rE入余度系統(tǒng)的初始位置角，保證雙余 度電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制中電流解耦關(guān)系成立，從而有效地提髙余度電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率。此 角度補(bǔ)償方法的具體步驟是① 在雙余度電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)I中通入直流電流& = —2 'M = —2i'cl，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到電機(jī)i 的J相軸線位置靜止，測得轉(zhuǎn)角沖；② 在雙余度電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)II中通入直流電流!'o2=—2l'M=—2fc2，使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)到電 機(jī)II的J相軸線位置靜止，得到轉(zhuǎn)角"；③ 求出雙余度電機(jī)系統(tǒng)前后兩次轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角差值產(chǎn)"一沖，為得到準(zhǔn)確的難，重復(fù) 步驟①與②，反復(fù)測量雙余度電機(jī)系統(tǒng)前后轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角沖與"，取其^平均值；④ 將步驟③的平均值/E入雙余度電機(jī)系統(tǒng)的初始位置角，使得&4, —y,保證余度電機(jī) 系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制中電流解耦關(guān)系成立，此時(shí)，雙余度系統(tǒng)中電機(jī)I和電機(jī)II均運(yùn)行在直軸 電流為0 (^Hc-0)的磁場定向控制方式下，確保共軸余度電機(jī)系統(tǒng)輸出力矩最大，并有？;尸7;2關(guān)系成立，上述式中&為電機(jī)i的直軸(A軸)與其j相繞組軸線之闌的夾 角，^為電機(jī)n的直軸(A軸)與其j相繞組軸線之間的夾角，7^為電機(jī)i的輸出轉(zhuǎn)矩，？;2為電機(jī)11的輸出轉(zhuǎn)矩。四

圖i轉(zhuǎn)子磁鋼軸向不對稱平面示意圖。圖2轉(zhuǎn)子磁鋼互錯(cuò)角度Y的三維示意圖。圖3故障切換后余度電機(jī)II的交、直軸電流。圖4雙電機(jī)冗余系統(tǒng)控制原理框圖。圖5傳統(tǒng)控制算法下系統(tǒng)故障切換波形。圖6新型角度補(bǔ)償控制算法下系統(tǒng)故障切換波形。五具體實(shí)施方式
5.1雙電機(jī)冗余控制系統(tǒng)不對稱現(xiàn)象的分析以轉(zhuǎn)子一對極情況為例，在定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完全對稱情況下，(&和&分別為 雙余度電機(jī)系統(tǒng)中電機(jī)I和II轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的直軸(d軸)與其^相繞組軸線之間的夾角)。 然而由于聯(lián)軸器安裝誤差等因素的影響，共軸余度電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁鋼在軸向并不一定 完全對稱，可能存在一定的角度差^如圖l、圖2所示(圖中A-^、 5r^、dA與J2-Z2、丑2-;T2、 C2-Z2分別為雙余度電機(jī)系統(tǒng)中兩臺(tái)電機(jī)的三相繞組；iV2-&分別為兩電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼)。共軸余度電機(jī)系統(tǒng)中兩臺(tái)電機(jī)同軸運(yùn)行，因此雙余度系統(tǒng)可由一個(gè)位置傳感器來確 定其轉(zhuǎn)子位置(另一傳感器作為余度備份)，于是整個(gè)余度電機(jī)系統(tǒng)的矢量控制也可集 中在一個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)系下進(jìn)行(將余度電機(jī)I的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系直軸A、交軸^、原點(diǎn)0與余 度電機(jī)U的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系直軸A、交軸必、原點(diǎn)0重合)，本系統(tǒng)采用光電碼盤作為傳感 測量機(jī)構(gòu)。而角度差^J存在也將對雙余度電機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成一定的影響，以單 機(jī)運(yùn)行模式為例，當(dāng)電機(jī)I發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí)，電機(jī)II需在短時(shí)間內(nèi)取代電機(jī)I,并 承擔(dān)系統(tǒng)的全部負(fù)載。此時(shí)若不考慮對角度差灘行補(bǔ)償，那么測量得到的轉(zhuǎn)子位置角 (電機(jī)II)仍默認(rèn)為&，而在直軸電流f/K)的磁場定向控制策略下，滿足<formula>formula see original document page 4</formula>(1)<formula>formula see original document page 4</formula> (2 )式中42、 ^假設(shè)為余度電機(jī)II工作時(shí)的交、直軸電流分量；&、 ~2為4、 ^在基準(zhǔn)坐標(biāo)系上的投影；^余度電機(jī)I和II轉(zhuǎn)子磁鋼間的角度差，如圖3所示。故障切換前后，欲維持余度電機(jī)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速不變，則電機(jī)I的輸出轉(zhuǎn)矩7k和電機(jī)n的輸出轉(zhuǎn)矩？;2應(yīng)滿足<formula>formula see original document page 4</formula> (3)則相應(yīng)余度電機(jī)I的力矩電流幅值 一 與余度電機(jī)II的力矩電流幅值&為<formula>formula see original document page 4</formula>此時(shí)電機(jī)II的電流綜合矢量為<formula>formula see original document page 5</formula>比較式(4)與式(5)可知，在要求產(chǎn)生相同輸出力矩的條件下，電機(jī)II (故障切換后 投入工作)所需的力矩電流較大。 由綜合矢量的合成原理有<formula>formula see original document page 5</formula>(8)式中Z'al、 /w、 ^分別為余度電機(jī)I運(yùn)行時(shí)的三相繞組電流(幅值相等)；i。2、 fM、 fc2 分別為余度電機(jī)II運(yùn)行時(shí)的三相繞組電流(幅值相等)。由式(5) 式(8)可知，當(dāng)余度電機(jī)I和II的轉(zhuǎn)子磁鋼間存在角度差辦，為保證余度系統(tǒng)故障切換前后輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速不變，余度電機(jī)II (故障切換后投入運(yùn)行)的 繞組電流相對于余度電機(jī)I (故障切換前投入運(yùn)行)將有所增大，且其幅值隨角度差^] 增大而增加。繞組電流的增大將導(dǎo)致電機(jī)銅損增加，對系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響。5.2角度補(bǔ)償控制策略通過上述分析可知，角度差^J存在將對余度電機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響， 需釆用一定的措施對其進(jìn)行補(bǔ)償，主要步驟有① 在雙余度電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)I中通入直流電流& = —2i'M = —2i'cl,使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到電機(jī)I 的j相軸線位置靜止，測得轉(zhuǎn)角沖② 在雙余度電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)II中通入直流電流^=—2^=—2/c2，使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)到電 機(jī)II的X相軸線位置靜止，得到轉(zhuǎn)角"；③ 求出雙余度電機(jī)系統(tǒng)前后兩次轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角差值產(chǎn)n— t，為得到準(zhǔn)確的HS，重復(fù)步驟①與②，反復(fù)測量雙余度電機(jī)系統(tǒng)前后轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角沖與"，取其^J平均值；④ 將步驟③的平均值ria入雙余度電機(jī)系統(tǒng)的初始位置角，使得&=01—"保證余度電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制中電流解耦關(guān)系成立，此時(shí)，雙余度系統(tǒng)中電機(jī)I和電機(jī)II均運(yùn)行在直軸 電流為0 (&=&=0)的磁場定向控制方式下，確保共軸余度電機(jī)系統(tǒng)輸出力矩最大，并有y;尸:z;2關(guān)系成立。5. 3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為進(jìn)一步驗(yàn)證控制策略的有效性，構(gòu)建了以TMS320LF2407ADSP及EMP3256ATC CPLD為核心的雙電機(jī)冗余控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其控制原理框圖如圖4所示。其中單臺(tái) 永磁同步電機(jī)參數(shù)為額定功率為7,5it『，極對數(shù)為3，定子電阻為0.0132^，交、直軸 電感約為0.05w/f，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為35.32^c/ 2，反電勢系數(shù)為16.2。本發(fā)明的算法與傳統(tǒng)算法相比并未增加軟硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，兩種算法的實(shí)驗(yàn)波形如圖5~6所示。兩者比較，新型角度補(bǔ)償控制算法下余度電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率較傳統(tǒng)算 法有顯著的提高。
權(quán)利要求
1、一種雙電機(jī)冗余控制系統(tǒng)的角度補(bǔ)償方法，其特征在于①在雙余度電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)I中通入直流電流ia1＝-2ib1＝-2ic1，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到電機(jī)I的A相軸線位置靜止，測得轉(zhuǎn)角γ0；②在雙余度電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)II中通入直流電流ia2＝-2ib2＝-2ic2，使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)到電機(jī)II的A相軸線位置靜止，得到轉(zhuǎn)角γ1；③求出雙余度電機(jī)系統(tǒng)前后兩次轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角差值γ＝γ1-γ0，為得到準(zhǔn)確的γ值，重復(fù)步驟①與②，反復(fù)測量雙余度電機(jī)系統(tǒng)前后轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角γ0與γ1，取其γ的平均值；④將步驟③的平均值γ記入雙余度電機(jī)系統(tǒng)的初始位置角，使得θ2＝θ1-γ，保證余度電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制中電流解耦關(guān)系成立，此時(shí)，雙余度系統(tǒng)中電機(jī)I和電機(jī)II均運(yùn)行在直軸電流為0的磁場定向控制方式下，確保共軸余度電機(jī)系統(tǒng)輸出力矩最大，并有Te1＝Te2關(guān)系成立，上述式中θ1為電機(jī)I的直軸與其A相繞組軸線之間的夾角，θ2為電機(jī)II的直軸與其A相繞組軸線之間的夾角，Te1為電機(jī)I的輸出轉(zhuǎn)矩，Te2為電機(jī)II的輸出轉(zhuǎn)矩。
全文摘要
一種雙電機(jī)冗余控制系統(tǒng)的角度補(bǔ)償方法，屬余度傳動(dòng)領(lǐng)域的控制方案。該方法針對共軸余度電機(jī)系統(tǒng)可能存在的轉(zhuǎn)子磁鋼不對稱現(xiàn)象，運(yùn)用角度補(bǔ)償策略，有效地提高了余度電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。該方法是測量出余度電機(jī)系統(tǒng)前后轉(zhuǎn)動(dòng)的角度γ₀與γ₁，并有γ＝γ₁-γ₀，再將γ記入余度電機(jī)系統(tǒng)的初始位置角，保證雙余度電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制中電流解耦關(guān)系成立，有效地提高余度電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率。該方法數(shù)字實(shí)現(xiàn)簡單，通用性較好，對余度傳動(dòng)系統(tǒng)具有實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G05D3/12GK101256414SQ20081002035
公開日2008年9月3日 申請日期2008年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月3日
發(fā)明者波 周, 方斯琛, 駱薇薇 申請人:南京航空航天大學(xué)