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五相永磁同步电机驱动及容错控制技术研究

高宏伟  
【摘要】:电力电子变换技术的高速发展,使电机驱动系统摆脱了三相供电网络的制约,相数的增加提高了系统的控制自由度和设计灵活性。多相电机驱动系统因其具有转矩脉动小、输出功率大、容错能力强、可靠性能高等诸多优点,在舰船电力推进、城市轨道交通、航空航天以及武器装备等领域,引起了科研人员的广泛关注。论文以五相永磁同步电机(PMSM)为研究对象,对绕组磁动势(MMF)的谐波分析方法、精确数学模型的建立、高性能脉宽调制(PWM)算法的实现、电机驱动系统的故障诊断以及故障后容错控制策略的实施等方面进行了深入的理论研究和实验验证。首先,论文基于绕组函数理论和傅立叶变换的方法,分析了具有集中整距绕组结构的五相PMSM产生的气隙磁动势在时间和空间上的分布规律,研究了各次谐波磁动势在机电能量转换过程中起到的不同作用。通过坐标系之间的等效变换,建立了五相PMSM在正常运行状态下和绕组开路故障状态下的数学模型。根据电磁转矩方程可知,正常运行状态下通过注入三次谐波电流可以提高电机的输出转矩;绕组开路故障状态下通过注入三次谐波电流可以消除电机的转矩脉动。采用基于转子磁场定向的矢量控制方法,可以实现对基波电流和三次谐波电流的独立控制。其次,对五相电压源逆变器(VSI)的脉宽调制算法进行了深入研究。将传统的两矢量SVPWM算法直接扩展到五相VSI中,可以获得较高的直流电压利用率,但同时也在输出相电压中引入了低次谐波分量,不利于驱动系统的长期运行。四矢量SVPWM算法可以输出标准的正弦波相电压,但调制系数却有所减小,且运算过程比较复杂。本文通过重新构造基本的空间电压矢量,对现有的四矢量SVPWM算法进行改进,该方法具有与两矢量SVPWM算法相同的线性调制范围,并可最大限度地抑制谐波电压的产生,实现了输出相电压从标准正弦波到非正弦波的平滑过渡。通过对调制函数及谐波频谱进行比较分析,探讨了注入零序分量的载波型PWM算法与各种SVPWM算法的等效关系。再次,研究了五相电压源逆变器功率管开路故障的诊断方法。对逆变器发生的故障进行实时有效的诊断与隔离,进而采取相应的容错控制策略实现系统的安全运行,是提高多相电机驱动系统可靠性的有效途径。通过比较不同的负载转矩对逆变器输出电压和电流变量产生的影响,可知基于电流的故障诊断方法容易受到负载扰动和控制策略等因素的影响,且诊断时间至少需要一个基波周期。分析了逆变器极电压误差的产生原理和表现形式,将经过标准化处理的极电压误差值作为诊断变量,根据逻辑电平的变化来获取故障特征信息,实现了功率管开路故障的快速诊断和定位。采用将诊断变量与设定好的阀值相比较的方法,消除了测量误差产生的影响;通过设置诊断变量的最小持续时间,避免了死区时间和开关延时引起的误诊断,提高了诊断方法的鲁棒性。该方法独立于负载电流和母线电压,适用于各种控制策略,且诊断时间限定在开关周期的量级。最后,研究了五相PMSM定子绕组发生开路故障时的容错控制策略。依据故障前后绕组产生的磁动势保持不变的原则,通过求解非线性方程组计算得到容错电流的幅值和相位。根据一相定子绕组开路故障状态下五相PMSM的数学模型,结合转矩方程和铜耗方程,在平均转矩保持不变和脉动转矩保持为零的两种约束条件下,通过对广义零序子空间中的电流分量进行优化设计,提出了相应的容错电流生成方法。利用二次旋转坐标变换,实现了交直轴电流的解耦控制,采用前馈补偿的方法,改善了故障状态下的输出性能。


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