五相永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)及容錯(cuò)控制技術(shù)研究.pdf

1、電力電子變換技術(shù)的高速發(fā)展，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)擺脫了三相供電網(wǎng)絡(luò)的制約，相數(shù)的增加提高了系統(tǒng)的控制自由度和設(shè)計(jì)靈活性。多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因其具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、輸出功率大、容錯(cuò)能力強(qiáng)、可靠性能高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在艦船電力推進(jìn)、城市軌道交通、航空航天以及武器裝備等領(lǐng)域，引起了科研人員的廣泛關(guān)注。論文以五相永磁同步電機(jī)(PMSM)為研究對(duì)象，對(duì)繞組磁動(dòng)勢(shì)(MMF)的諧波分析方法、精確數(shù)學(xué)模型的建立、高性能脈寬調(diào)制(PWM)算法的實(shí)現(xiàn)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障診

2、斷以及故障后容錯(cuò)控制策略的實(shí)施等方面進(jìn)行了深入的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　首先，論文基于繞組函數(shù)理論和傅立葉變換的方法，分析了具有集中整距繞組結(jié)構(gòu)的五相PMSM產(chǎn)生的氣隙磁動(dòng)勢(shì)在時(shí)間和空間上的分布規(guī)律，研究了各次諧波磁動(dòng)勢(shì)在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起到的不同作用。通過(guò)坐標(biāo)系之間的等效變換，建立了五相PMSM在正常運(yùn)行狀態(tài)下和繞組開路故障狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩方程可知，正常運(yùn)行狀態(tài)下通過(guò)注入三次諧波電流可以提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；繞組

3、開路故障狀態(tài)下通過(guò)注入三次諧波電流可以消除電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基波電流和三次諧波電流的獨(dú)立控制。
　　其次，對(duì)五相電壓源逆變器(VSI)的脈寬調(diào)制算法進(jìn)行了深入研究。將傳統(tǒng)的兩矢量SVPWM算法直接擴(kuò)展到五相VSI中，可以獲得較高的直流電壓利用率，但同時(shí)也在輸出相電壓中引入了低次諧波分量，不利于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行。四矢量SVPWM算法可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波相電壓，但調(diào)制系數(shù)卻有所減小，且運(yùn)算

4、過(guò)程比較復(fù)雜。本文通過(guò)重新構(gòu)造基本的空間電壓矢量，對(duì)現(xiàn)有的四矢量SVPWM算法進(jìn)行改進(jìn)，該方法具有與兩矢量SVPWM算法相同的線性調(diào)制范圍，并可最大限度地抑制諧波電壓的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了輸出相電壓從標(biāo)準(zhǔn)正弦波到非正弦波的平滑過(guò)渡。通過(guò)對(duì)調(diào)制函數(shù)及諧波頻譜進(jìn)行比較分析，探討了注入零序分量的載波型PWM算法與各種SVPWM算法的等效關(guān)系。
　　再次，研究了五相電壓源逆變器功率管開路故障的診斷方法。對(duì)逆變器發(fā)生的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的診斷與隔離，

5、進(jìn)而采取相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，是提高多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性的有效途徑。通過(guò)比較不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)逆變器輸出電壓和電流變量產(chǎn)生的影響，可知基于電流的故障診斷方法容易受到負(fù)載擾動(dòng)和控制策略等因素的影響，且診斷時(shí)間至少需要一個(gè)基波周期。分析了逆變器極電壓誤差的產(chǎn)生原理和表現(xiàn)形式，將經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的極電壓誤差值作為診斷變量，根據(jù)邏輯電平的變化來(lái)獲取故障特征信息，實(shí)現(xiàn)了功率管開路故障的快速診斷和定位。采用將診斷變量與設(shè)定好的閥值相比

6、較的方法，消除了測(cè)量誤差產(chǎn)生的影響；通過(guò)設(shè)置診斷變量的最小持續(xù)時(shí)間，避免了死區(qū)時(shí)間和開關(guān)延時(shí)引起的誤診斷，提高了診斷方法的魯棒性。該方法獨(dú)立于負(fù)載電流和母線電壓，適用于各種控制策略，且診斷時(shí)間限定在開關(guān)周期的量級(jí)。
　　最后，研究了五相PMSM定子繞組發(fā)生開路故障時(shí)的容錯(cuò)控制策略。依據(jù)故障前后繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)保持不變的原則，通過(guò)求解非線性方程組計(jì)算得到容錯(cuò)電流的幅值和相位。根據(jù)一相定子繞組開路故障狀態(tài)下五相PMSM的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合