无刷直流电机驱动系统故障诊断与容错控制

作     者：姬淼鑫 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：白国长

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：无刷直流电机 故障诊断 准Z源网络 三相四开关 容错拓扑 转矩脉动 

摘      要：钻井工艺对石油工业的发展起着关键作用。传统的螺杆钻具和地面驱动的电动钻具存在工作效率低,能耗大等缺陷。本文研制一种全新的完全不同于现在钻井技术的特殊钻井工艺,即遁甲钻井技术。遁甲钻井设备中所有环节一旦启动工作就不能更换,故对可靠性要求极高。电机作为遁甲技术中的钻井执行机构,其性能和可靠性直接决定能否钻到指定位置。采用高效的变频驱动+高效的无刷直流电机是执行机构的最佳选择。逆变器中的功率半导体元器件及其控制电路是最易发生故障的薄弱环节。所以对遁甲电机中的逆变器故障诊断和容错后的工作性能研究很有必要。本文以遁甲钻井电机为对象,建立无刷直流电机的数学模型。针对无刷直流电机最易发生故障的逆变器环节,分析各种故障类型以及各故障状态下工作特性的变化,建立故障诊断表,并结合实际工程中的条件,对故障诊断表实现优化。在诊断出驱动系统发生故障后,对故障位置实现隔离并进行容错运行是关键环节。通过对故障相诊断后的容错研究,提出传统容错状态存在转矩脉动大的不足,并建立了基于准Z源网络三相四开关逆变器的容错拓扑结构。该拓扑根据换相时刻转子位置信息,通过开关选择电路决定电源电压或者准Z源网络输出电压作为电机逆变器直流母线的输入电压,使准Z源直流变换器调整容错逆变器换相时刻的直流母线电压。从而有效抑制转矩脉动,并减小了电机的振动和噪声。最后文章运用matlab/simulink软件搭建无刷直流电机驱动系统故障状态和容错状态的仿真模型,并以TMS320F28335为主控芯片搭建了遁甲钻井电机驱动系统的实验平台,编写了遁甲钻井电机运行时的软件程序,对遁甲电机驱动系统的故障诊断和容错控制进行了仿真研究和实验验证。通过仿真与实验结果中相关参数波形的分析,验证了在容错状态下,准Z源网络三相四开关容错逆变器在抑制转矩脉动上的可行性和有效性。