题目：直接驱动作动器用电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机系统

直接驱动作动器（Direct Drive Actuator，DDA）是一种性能优越的机载作动器，相对于传统的液压作动器，具有结构简单、抗污染能力强、可靠性高等优点，在B-2、F-22、YF-23A、JAS-39、X-29、EFA2000、IDF等飞机中被广泛采用。目前，DDA已经成为新一代战斗机的首选机载作动器。用于驱动伺服阀的伺服电动机系统对保证DDA的性能和可靠性具有至关重要的作用，是DDA系统中的核心部件。本文以DDA用电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机系统为研究对象，在电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机设计、驱动控制算法、电机绕组短路故障分析等方面开展了研究工作。论文的主要工作内容和研究成果如下：(1) 提出了一种新型的DDA用电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机的结构形式。该电机采用同轴两段式结构，两段定、转子同轴共机壳构成了机械余度，每一段定子中隔槽嵌放两套绕组，构成电气双余度，从而整体上构成了电气/机械混合四余度。(2) 采用磁路法和有限元分析相结合的方法设计了电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机，并对其性能进行了全面的分析。依据设计结果制造了工程样机，样机测试结果验证了设计和分析的正确性。(3) 在综合分析转子极弧系数对非理想反电动势波形引起的转矩波动、换相时的转矩波动以及定位转矩的影响的基础上，基于电机整体转矩波动最小的原则，对转子极弧系数进行了优化设计，并且采用两段转子错磁极的结构形式进一步减小了电机整体的定位转矩。(4) 针对DDA用无刷直流力矩电动机驱动控制中的小角度响应和系统稳定性这两个关键问题，提出了在位置环加电流环的双闭环结构中引入基于转速调节的电流限幅、位置环采用适应小偏差输入的变结构PID的控制算法。基于转速调节的电流限幅有效的提高了系统的稳定性，位置环变结构PID保证了小角度响应的精度。同时，采用该控制算法后，系统具有较高的频响特性，在运行过程中能够实现余度平稳切换。(5) 以DSP TMS320F2407A为核心设计了四余度无刷直流力矩电动机驱动控制器，并制造了工程样机。(6) 利用电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机及其驱动控制器的工程样机，在DDA实验平台上进行了系统实验研究。实验结果表明，所设计的DDA用电气/机械混合四余度速刷直流力矩电动机系统具有良好的小角度响应能力和稳动态性能，能够在运行过程中实现余度平稳切换。(7) 建立了电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机同余度绕组匝间短路和同余度绕组相间短路时的等效电路模型，并分析了这两种短路故障对电机性能的影响。同时，对电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机不同余度绕组间单点短路故障进行了分析。