● 摘要
多电/全电飞机减少或取消了集中式液压油源和遍布机身的液压管路，简化了飞机次级能源系统结构，使飞机具有更高的可靠性、更强的生存能力、更好的维修性等优势，已成为未来飞机的主要发展方向。
机载电力作动器是多电/全电飞机的核心关键技术之一，其性能优劣直接影响整个飞机的飞行品质，而伺服电动机系统作为机载电力作动器的核心部件，其性能和可靠性对机载电力作动系统具有决定性的影响。因此，对机载电力作动器用高可靠伺服电动机系统进行详细深入的研究具有十分重要的理论意义和实用价值。本论文以机载电力作动器用高可靠永磁同步电动机系统为研究对象，重点开展了高可靠永磁同步电动机设计、容错驱动策略、鲁棒控制策略等三个方面的研究工作。论文的主要研究内容和研究成果如下：
（1）提出了一种同轴两段式十相永磁容错电动机结构形式。两段定、转子采用共壳体同轴安装，每段定、转子采用8极10槽五相绕组的结构形式，相绕组采用隔齿嵌放的集中单层绕组结构，显著地提高了电动机相绕组之间的故障隔离能力和磁场重构能力。同时，通过采用不等厚永磁体，优化电机反电动势波形的正弦度，改善了电机的伺服性能。两段转子采用错极 的结构形式，有效地减小了永磁容错电动机的齿槽转矩。与传统的单段式永磁容错电动机相比，本文所提出的同轴两段式十相永磁容错电动机结构形式具有更强的容错能力。
（2）系统地研究了永磁同步电动机的抗短路机理，揭示了定子槽形尺寸，转子永磁体剩磁、极弧系数、厚度以及有效气隙长度等电机关键设计参数，对电机抗短路性能的影响规律。在此基础上，提出了一种合理设计定子槽形尺寸，增大相绕组漏感，有效抑制同轴两段式十相永磁容错电动机绕组短路电流的方法。采用磁路法与二维电磁场有限元分析相结合的方法完成了同轴两段式十相永磁容错电动机的电磁设计和性能校核，并制造了原理样机。样机的实验结果验证了设计和分析的正确性。
（3）系统地分析了同轴两段式十相永磁容错电机系统在不同故障模式下的容错性能。在此基础上，提出了一种基于故障模式转矩限幅的同轴两段式十相永磁容错电机最优转矩控制策略，实现了相绕组开路故障和短路故障后电机电磁转矩的平稳输出和电机的长时可靠运行。仿真与实验结果验证了本文所提出基于故障模式转矩限幅的最优转矩控制策略的有效性。
（4）针对电动静液作动器用永磁容错电动机速度伺服系统和机电作动器用永磁容错电动机位置伺服系统，分别提出了基于Lyapunov理论的速度环鲁棒控制策略和基于Lyapunov理论及Back-stepping方法的位置环鲁棒控制策略，提高了系统对电机参数变化和未知负载扰动的鲁棒性，特别是显著地改善了故障暂态时的系统性能。仿真与实验结果验证了本文所提出的鲁棒控制策略的有效性。
（5）提出了一种采用DSP和FPGA控制架构、每相绕组全桥独立供电的同轴两段式十相永磁容错电机驱动控制方案，并研制了驱动控制器原理样机。该驱动控制器具有运算能力强、可扩展性好、故障隔离能力强、可靠性高等优点，可有效满足同轴两段式十相永磁容错电机的容错控制需求。
（6）构建了实验平台，对同轴两段式十相永磁容错电机系统的容错性能进行了实验研究。实验结果表明，同轴两段式十相永磁容错电动机系统能够实现二次绕组短路故障或三次绕组开路故障时的不降额容错运行，且对负载扰动和故障暂态具有较强的鲁棒性。