一种四相电励磁双凸极电机容错驱动系统及其动态模型建立方法技术方案

本发明专利技术公开了一种四相电励磁双凸极电机容错驱动系统及其动态模型建立方法，该系统由四相电励磁双凸极电机和容错变换器两个主体构成，容错变换器为带有两个双向晶闸管的四相全桥变换器，且变换器带有分裂电容；该方法包括列出四相DSEM一相绕组的电压方程；列出系统运行时通道U和通道V的电压方程；将电压方程中的参数使用等效参数代替，并且简化电压方程；根据电机转矩方程和运动方程，得到一个与电流有关的方程；将电压方程与电流有关的方程结合，得到系统模型。

【技术实现步骤摘要】
一种四相电励磁双凸极电机容错驱动系统及其动态模型建立方法
本专利技术涉及电机驱动系统容错控制系统及方法，尤其涉及一种四相电励磁双凸极电机容错驱动系统及其动态模型建立方法。
技术介绍
在航空航天等对可靠性要求高的场合，要求电机系统在发生一定故障后能持续稳定运行，容错控制技术的研究具有重要意义。电励磁双凸极电机结构简单、控制灵活、可靠性高，易于实现电动运行时的弱磁控制和发电运行时的调压控制，在航空起动/发电系统中具有广阔的应用前景。DSEM定转子均为凸极结构，转子上没有绕组或永磁体，定子极上绕制集中绕组，各相之间在电路和磁路上相互独立，当一相故障时，其余相能够继续工作，具有较好的容错性能。与传统三相电机相比，多相电机具有输出转矩脉动小，容错性能好的特点，因此在构建容错型驱动系统中更具优势，多相双凸极电机的在起动发电系统中的应用得到了广泛关注，在本体结构方面，已经授权的中国专利技术专利201410007947.5：一种五相双凸极电机，公开了一种各相电动势幅值相等，能实现均流输出的容错型五相双凸极发电机；已经公开的专利技术专利201710165533.9：一种四相永磁双凸极电机，公开了一种具有更高效率和可靠性的脉动噪声小的四相用磁性双凸极电机；在容错控制方面，已经授权的中国专利技术专利201510012802.9：电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统及其控制方法，利用电励磁双凸极电机的三相四桥臂变换器，可使电机在励磁故障的情况下继续发电，已经授权的中国专利技术专利201510127335.4：一种四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制方法，提供了一种简单易行的容错控制算法，在求解过程中无需对电机自身参数进行离线查询或者在线辨识，有利于数字控制器的实现。现有的关于使用双凸极电机构建高可靠性的起动发电系统的专利技术中，在电机本体拓扑结构和控制电路拓扑均有一定的成果，但是对于容错系统的模型建立还较少，本专利技术主要基于一种四相电励磁双凸极电机容错型驱动系统，计算了正常运行和单相开路故障容错运行时的电压和运动方程，在此基础上给出了系统的动态结构模型。
技术实现思路
专利技术目的：为解决现有技术的不足，提出一种四相电励磁双凸极电机容错驱动系统及其动态模型建立方法。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种四相电励磁双凸极电机容错驱动系统动态模型建立方法，该方法包括以下步骤：(1)列出四相DSEM一相绕组的电压方程；(2)列出系统运行时通道U和通道V的电压方程；(3)将电压方程中的参数使用等效参数代替，并且简化电压方程；(4)根据电机转矩方程和运动方程，得到一个与电流有关的方程；(5)将电压方程与电流有关的方程结合，得到系统模型。进一步的，电机正常运行时动态模型建立方法为：(1)DSEM的p相电压方程为：其中，Up，ip，Rp，Lp分别表示p(p＝a，b，c，d)相的相电压，相电流，相电阻，相绕组自感；epr和epe分别表示相磁阻反电势和励磁反电势，且其中，Lpf，if分别表示p相的相绕组与励磁绕组的互感和励磁电流；(2)由状态一切换到状态二后的动态过程中，U通道的电压方程为：其中，Udc、Ua、Uc、ia、Ra、Laf、Lcf分别表示变换器的直流母线电压、A相绕组的相电压、C相绕组相电压、A相绕组电流、A相绕组电阻、A相绕组与励磁绕组互感、C相绕组与励磁绕组互感，且令Lac＝La+Lc，La、Lc分别表示A相绕组自感、C相绕组自感，所以上式中第三项iadLac/dt＝0，根据四相电励磁双凸极电机电感的变化规律，Lac为常数；并且四相电励磁双凸极电机相绕组自感随位置角的变化率k和相绕组与励磁绕组互感随位置角的变化率g分别为Lpmax、Lpmin、Lpfmax、Lpfmin分别表示p(p＝a，b，c，d)相的相绕组自感最大值、相绕组自感最小值、相绕组与励磁绕组互感最大值、相绕组与励磁绕组互感最小值；△θ＝θoff+-θon+＝θoff--θon-，θoff+、θon+分别为电感上升区间开始和结束时的电机转子位置角，θoff-、θon-分别为电感下降区间开始和结束时的电机转子位置角，上式中第四项：其中，ω表示电机的机械角速度；由状态三切换到状态四后的动态过程中，U通道的电压方程为：其中，ic表示C相绕组的电流；(3)使用iu代替步骤(2)中的通道U电压方程中的ia和ic，得到式中，ω＝dθ/dt为电机的机械角速度，令Rl＝2Ra，Ll＝Lac，进一步简化电压方程得到：通道V正常运行时的动态电压方程也与此式相同；(4)通道U的输出转矩为：将结果写作Tu＝2Cmiu，其中，Cm＝ifg为转矩系数，通道V的输出转矩为Tv＝2Cmiv，整体的平均输出转矩T＝2Cm(iu+iv)，为了方便计算，将负载转矩记为TL＝4CmiL；忽略摩擦，运动方程等效为：(5)结合步骤(3)中的和步骤(4)中的得到正常运行的系统动态结构模型。进一步的，单相开路故障后容错运行时的建模过程为：若C相开路故障，其容错运行为：(1)DSEM的p相电压方程为：其中，Up，ip，Rp，Lp分别表示p(p＝a，b，c，d)相的相电压，相电流，相电阻，相绕组自感；epr和epe分别表示相磁阻反电势和励磁反电势，且其中，Lpf，if分别表示p相的相绕组与励磁绕组的互感和励磁电流；(2)当C相开路故障容错运行时，A相绕组接到分裂电容的中点，由状态一切换到状态二后的动态过程中，可以得到通道U的电压方程：其中，Udc，Ua，ia，Ra，La，if，Laf分别表示变换器的直流母线电压，A相绕组的相电压，A相绕组的相电流，A相绕组电阻，A相绕组自感，励磁电流，A相绕组与励磁绕组互感；由状态三切换到状态四后的动态过程中，得到通道U的电压方程为：此时处于状态四中，ia是负值，dLaf/dt＝-g，上式中第四项写作：(3)使用统一的iu表示步骤(2)中第一个公式的ia，表示第二个公式的-ia，此时iu的值始终为正，通道U电压方程，得到：其中，Rl＝2Ra，Ll＝Lac，2ia(dLa/dt)写作通道V的电压方程与正常时相同，为：(4)忽略磁阻转矩部分，通道U的输出转矩为Tu1＝Cmiu1，通道V的输出转矩为Tv1＝2Cmiv1，整体的平均输出转矩T1＝Cm(iu1+2iv1)，负载转矩为TL＝4CmiL；运动方程等效为：其中，iu1，iv1，iL分别表示容错运行时通道U电流、通道V电流和每相负载电流；J表示转动惯量，Cm表示转矩系数，ω表示电机的机械角速度，epe表示励磁电势；(5)结合步骤(3)中的和步骤(4)中的得到C相开路故障后容错运行的系统动态结构模型。进一步的，四相电励磁双凸极电机容错驱动系统包括四相电励磁双凸极电机和容错变换器，容错变换器为带有两个双向晶闸管的四相全桥变换器，且变换器有分裂电容C1、C2，分裂电容的中点为O；四相全桥变换器的桥臂中点分别为a、b、c、d，电机的A、B、C、D相电枢绕组输入端接到四相全桥变换器的桥臂中点a、b、c、d；电机的A、C相绕组输出端相连成为点M，此时A、C相成为通道U；B、D相绕组输出端相连得到点N，此时A、C相成为通道V；M通过双向晶闸管TR1接到分裂电容中点O，N通过双向晶闸管TR2接到分裂电容中点O；正常运行时，TR1和TR2均关断；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四相电励磁双凸极电机容错驱动系统动态模型建立方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)列出四相DSEM一相绕组的电压方程；(2)列出系统运行时通道U和通道V的电压方程；(3)将电压方程中的参数使用等效参数代替，并且简化电压方程；(4)根据电机转矩方程和运动方程，得到一个与电流有关的方程；(5)将电压方程与电流有关的方程结合，得到系统模型。

【技术特征摘要】
1.一种四相电励磁双凸极电机容错驱动系统动态模型建立方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)列出四相DSEM一相绕组的电压方程；(2)列出系统运行时通道U和通道V的电压方程；(3)将电压方程中的参数使用等效参数代替，并且简化电压方程；(4)根据电机转矩方程和运动方程，得到一个与电流有关的方程；(5)将电压方程与电流有关的方程结合，得到系统模型。2.根据权利要求1所述的一种四相电励磁双凸极电机容错驱动系统动态模型建立方法，其特征在于：电机正常运行时动态模型建立方法为：(1)DSEM的p相电压方程为：其中，Up，ip，Rp，Lp分别表示p(p＝a，b，c，d)相的相电压，相电流，相电阻，相绕组自感；epr和epe分别表示相磁阻反电势和励磁反电势，且其中，Lpf，if分别表示p相的相绕组与励磁绕组的互感和励磁电流；(2)由状态一切换到状态二后的动态过程中，U通道的电压方程为：其中，Udc、Ua、Uc、ia、Ra、Laf、Lcf分别表示变换器的直流母线电压、A相绕组的相电压、C相绕组相电压、A相绕组电流、A相绕组电阻、A相绕组与励磁绕组互感、C相绕组与励磁绕组互感，且令Lac＝La+Lc，La、Lc分别表示A相绕组自感、C相绕组自感，所以上式中第三项iadLac/dt＝0，根据四相电励磁双凸极电机电感的变化规律，Lac为常数；并且四相电励磁双凸极电机相绕组自感随位置角的变化率k和相绕组与励磁绕组互感随位置角的变化率g分别为Lpmax、Lpmin、Lpfmax、Lpfmin分别表示p(p＝a，b，c，d)相的相绕组自感最大值、相绕组自感最小值、相绕组与励磁绕组互感最大值、相绕组与励磁绕组互感最小值；△θ＝θoff+-θon+＝θoff--θon-，θoff+、θon+分别为电感上升区间开始和结束时的电机转子位置角，θoff-、θon-分别为电感下降区间开始和结束时的电机转子位置角，上式中第四项：其中，ω表示电机的机械角速度；由状态三切换到状态四后的动态过程中，U通道的电压方程为：其中，ic表示C相绕组的电流；(3)使用iu代替步骤(2)中的通道U电压方程中的ia和ic，得到式中，ω＝dθ/dt为电机的机械角速度，令Rl＝2Ra，Ll＝Lac，进一步简化电压方程得到：通道V正常运行时的动态电压方程也与此式相同；(4)通道U的输出转矩为：将结果写作Tu＝2Cmiu，其中，Cm＝ifg为转矩系数，通道V的输出转矩为Tv＝2Cmiv，整体的平均输出转矩T＝2Cm(iu+iv)，为了方便计算，将负载转矩记为TL＝4CmiL；忽略摩擦，运动方程等效为：(5)结合步骤(3)中的和步骤(4)中的得到正常运行的系统动态结构模型。3.根据权利要求1所述的一种四相电励磁双凸极电机容错驱动系统动态模型建立方法，其特征在于：单相开路故障后容错运行时的建模过程为：若C相开路故障，其容错运行为：(1)DSEM的p相电压方程为：其中，Up，ip，Rp，Lp分别表示p(p＝a，b，c，d)相的相电压，相电流，相电阻，相绕组自感；epr和epe分别表示相磁阻反电势和励磁反电势，且其中，Lpf，if分别表示p相的相绕组与励磁绕组的互感和励磁电流；(2)当C相开路故障容错运行时，A相绕组接到分裂电容的中点，由状态一切换到状态二后的动态过程中，可以得到通道U的电压方程：其中，Udc，Ua，ia，Ra，La，if，Laf分别表示变换器的直流母线电压，A相绕组的相电压，A相绕组的相电流，A相绕组电阻，A相绕组自感，励磁电流，A相绕组与励磁绕组互感；由状态三切换到状态四后的动态过程中，得到通道U的电压方程为：此时处于状态四中，ia是负值，dLaf/dt＝-g，上式中第四项写作：(3)使用统一的iu表示步骤(2)中第一个公式的ia，表示第二个公式的-ia，此时iu的值始终为正，通道U电压方程，得到：其中，Rl＝2Ra，Ll＝Lac，写作通道V的电压方程与正常时相同，为：(4)忽略磁阻转矩部分，通道U的输出转矩为Tu1＝Cmiu1，通道V的输出转矩为Tv1＝2Cmiv1，整体的平均输出转矩T1＝Cm(iu1+2iv1)，负载转矩为TL＝4CmiL；运动方程等效为：其中，iu1，iv1，iL分别表示容错运行时通道U电流、通道V电流和每相负载电流；J表示转动惯量，Cm表示转矩系数，ω表示电机的机械角速度，epe表示励磁电势；(5)结合步骤(3)中的和步骤(4)中的得到C相开路故障后容错运行的系统动态结构模型。4.根据权利要求1至3任一项所述的一种四相电励磁双凸极电机容错驱动系统动态模型建立方法，其特征在于：四相电励磁双凸极电机容错驱动系统包括四相电励磁双凸极电机和容错变换器，容错变换器为带有两个双向晶闸管的四相全桥变换器，且变换器有分裂电容C1、C2，分裂电容的中点为O；四相全桥变换器的桥臂中点分别为a、b、c、d，电机的A、B、C、D相电枢绕组输入端接到四相全桥变换器的桥臂中点a、b、c、d；电机的A、C相绕组输出端相连成为点M，此时A、C相成为通道U；B、D相绕组输出端相连得到点N，此时A、C相成为通道V；M通过双向晶闸管TR1接到分裂电容中点O，N通过双向晶闸管TR2接到分裂电容中点O；正常运行时，TR1和TR2均关断；当发生X相开路故障后，通过开通X相所在通道的双向晶闸管，将该通道的剩余相接到分裂电容中点O，该通道剩余一相所在桥臂两个功率管、分裂电容C1、C2及该相绕组组成了半桥...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡豆豆，周波，王开淼，葛文璟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32