双余度无刷直流电动机的建模与余度控制技术

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1、双余度无刷直流电动机的建模与余度控制技术马瑞卿，刘卫国，杨永亮(西北工业大学，陕西西安710072)摘要：文章参考自感和相间互感的关系公式，建立了双余度无刷直流电动机(DR．BLDCM)的数学模型。在Matlab／Simulink环境下，采用正弦波削顶法等效反电势波形，并针对实际电机参数，得到了电机带载起动过程下的转速、母线电流、相电流和反电势的动态性能仿真曲线。仿真结果验证了电机数学模型的有效性。在此基础上，对DR．BLDCM电流均衡和余度降级时的平滑切换技术进行了研究，实验证实了双余度热备份工作性能优于单通道工作。关键词：

2、无刷直流电机；双余度：建模；余度控制0引言稀土永磁(REPM)无刷直流电动机(BLDCM)以其调速性能优越、寿命长、效率高、维护性好、应用广泛等特点得到了电机界的公认⋯，但电机绕组、功率逆变器、转子位置传感器在当今技术条件下仍为系统的薄弱环节，在航空航天等高可靠性领域，采用单通道设计往往不能满足要求。因此，在电机定子中隔槽嵌放两套独立绕组，并采用两套独立的功率逆变器和两套独立的转子位置传感器构成双余度无刷直流电机(DR—BLDCM)控制系统成为航空航天领域的研究热点。双余度系统通常工作在热备份方式，当一个电气通道发生故障，另一

3、个通道仍能继续工作，系统可靠性大为提高‘21。但是，DR—BLDCM在双通道同时工作时，相间互感势必对电机性能产生影响。而通过磁场分析计算只能初步得到电机的基本参数，为了研究系统的动态性能，就需要通过建模、数值分析或试验的手段掌握其内部参数的变化规律【3卅。本文建立了DR．BLDCM的数学模型，根据电机自感与相间互感的公式，得出了相间互感关系，在Matlab／Simulink环境下，得出了电机带载起动过程下的转速、母线电流、相电流和反电势动态仿真曲线。验证了电机数学模型的有效性。同时，通过对DR—BLDCM的电流均衡和余度降级

4、时的平滑切换技术的研究，证明双余度热备份工作性能明显优于单通道工作。1双余度无刷直流电机的数学模型DR—BLDCM定子有12个槽，两套三相集中整距绕组A1、B1、C1和A2、B2、C2在定子槽中隔槽嵌放，采用双Y形接法，两套绕组对应相中心轴线互差300电角度，其空间分布如图1所示。由于BLDCM电压、电势和电流均为非正弦波。假设：磁路不饱和；不计涡流和磁滞损耗；两套三相绕组完全对称；功率开关器件为理想元件。则由文献[5】，可得到．57．图1DR—BLDCM定子绕组空间分布图DR—BLDCM的电压平衡式：其中：【u】=Ⅲ小【Q】

5、昙m【E】【R】_diag[ra屹吃【u】=k1％lUcl％2Ub2Uc2】T【，】=【屯。毛l乇，乞2毛2‘：】T【E】=【％lebl％l屹2eb2％2】TfQ】=式中，【尺】为对角阵，吃为相电阻，【U】、【，】、【E】分别代表电压、电流、电势的相变量阵，元素下标口l、61、c1和口2、62、c2分别代表通道1绕组A1、B1、Cl和通道2绕组A2、B2、C2。乞为相绕组自感，％o，确20，，，1150与，，1270分别为相差30。，120。，150。与270。电角度时两相绕组之间的互感。由于两个通道分别采用三相绕组Y形连接，

6、且没有中线，则有：屯1+咕I+‘l=O，l‘a2+如2+fc2=0于是，式(1)中『Q1阵可简化为[Q】_(2)式中：厶=lo一，，1120。理论上，B相绕组与A相绕组重合时，M=￡，达到最大，当两者相互垂直时，M=0。如果B相滞后A相(1+l，3)900时(即相差1200)，则由(3)式知，其互感为自感的．113。可见，自感与互感在空间随相间位置角秒呈如下线性关系161：膨：f，l一丝1L(3)L万／由于双套绕组采用隔槽嵌放式集中整距绕组，其双余度绕组之间对应相轴线互差300，每一相与另一套绕组的次对应相互差1500，每一相

7、与另一套绕组的第三对应相互差90。(其互感为零)。从而有：．，，，130=2L／3，m120=一L，3，，，1150=一2L／3，rth702=0．58一‰‰‰‰‰乞‰‰‰‰乞ill‰‰‰乞‰‰0O)‰‰乞‰‰‰∞，∞Ⅺ∞‰乞‰‰‰‰，∞加Ⅺ∞册如删舢咖删删‰‰‰oo厶‰‰‰o乞o‰‰‰厶ook‰‰‰oko‰‰‰乞oo‰‰‰所以，【a】可简化为【Q】-iLj40O4020—220—20204_2240O20—2O2_2O20O404(4)同样，DR—BLDCM的电磁转矩为乙=(％l屯l+eblibl4-％lfcl+ea2ia2

8、"t-eb2ib2+ec2ic2)／彩DR．BLDCM的机械运动方程为乙一瓦=Jda)ldt+Bw(5)式中：t——电磁转矩，五——负载转矩，．，——转子转动惯量，召——粘滞摩擦系数，缈一一电机的机械角速度。2仿真分析通过以上得出的DR—BLDCM数学模型，根据图2的系统结构