一种永磁同步电机容错控制方法的研究

摘要

永磁同步电机具有高能量密度、高转矩/电流比、高功率因数等特点。采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)逆变器控制永磁同步电机(PMSM),不仅使整个驱动控制系统的控制方式灵活、主电路结构简单,而且也使整个驱动控制系统节能效果显著,运动性能优良,所以广泛地应用于工业,商业,航空航天,军事等领域。随着其应用领域的扩展,系统的安全可靠性也越来越被重视,特别是在一些重要场合。虽然电机本身故障的可能性小,但由于电力电子器件长时间运行的不稳定性及本身的脆弱性,逆变器故障经常发生。再加上某些原因导致的定子绕组断路故障,这都严重地限制了永磁同步电机在高可靠性驱动领域的应用。
　　本文提出了一种针对发生逆变器一桥臂故障或者一相定子绕组断路故障具有容错功能的驱动控制系统。在三相三桥臂逆变器的基础上,新增加一个桥臂,使之在故障发生后与星型连接的永磁同步电机的中性线相连,使得在电机内部仍能形成圆形旋转磁场,输出稳定转矩,并且尽可能地减少硬件系统。
　　文章建立了抽出中线的永磁同步电机的数学模型。对新提出的容错拓扑结构,进行了容错控制理论分析。运用空间矢量的调制技术,推导出容错控制系统的空间矢量调制的具体实现方法。运用MATLAB仿真软件,本文对PMSM矢量容错控制系统进行仿真研究,仿真结果表明与理论分析基本一致。在此基础上设计了性能优化方案。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 永磁同步电机控制方法和课题背景及意义

1.1.1 永磁同步电机及控制方法简介

1.1.2 课题背景及意义

1.2 三相变频控制系统中逆变器故障及诊断技术

1.2.1 逆变器常见故障

1.2.2 逆变器故障检测与诊断

1.3 逆变器故障容错拓扑研究

1.3.1 软件容错

1.3.2 三相转两相容错

1.3.3 三相四桥臂容错

1.4 本文主要研究内容

2 永磁同步电机模型

2.1 引言

2.2 永磁同步电机的基本结构

2.3 三相定子坐标系下抽出中线的永磁同步电机数学模型

2.4 坐标变换原理

2.4.1 三相定子坐标系A-B-C与d-q-0坐标系之间的变换

2.4.2 三相定子坐标系A-B-C与α-β-0坐标系之间的变换

2.4.3 α-β-0坐标系与d-q-0坐标系之间的变换

2.5 永磁同步电机在d-q-0坐标系下的空间矢量

2.6 d-q-0坐标系下的永磁同步电机的数学模型

2.7 永磁同步电机的仿真模型及仿真

2.7.1 MATLAB简介

2.7.2 永磁同步电机的仿真模型及仿真

3 永磁同步电机逆变器电压空间矢量

3.1 引言

3.2 空间矢量脉宽调制原理

3.3 空间矢量脉宽调制控制

3.3.1 开关电压矢量作用时间的计算

3.3.2 参考适量所在扇区的判断

3.3.3 不同扇区下三个比较器导通时间的确定

3.3.4 开关适量的排列方式

4 永磁同步电矢量控制系统容错控制方法

4.1 引言

4.2 永磁同步电机容错控制的拓扑结构及控制理论

4.2.1 永磁同步电机容错控制的拓扑结构

4.2.2 永磁同步电机容错控制的故障检测与诊断

4.2.3 永磁同步电机容错控制理论

4.2.4 永磁同步电机故前后的电压矢量

4.3 三相对称负载故障前后的空间矢量脉宽调制

4.4 永磁同步电机容错控制系统的设计

5 永磁同步电机容错控制系统的MATLAB仿真及性能优化

5.1 引言

5.2 矢量容错控制系统的MATLAB开环仿真

5.2.1 开环仿真模型

5.2.2 仿真环境的设置

5.2.3 开环仿真结果分析

5.3 矢量控制系统的MATLAB电流闭环和电压前馈补偿闭环仿真

5.3.1 永磁同步电机容错控制系统的电流闭环控制方法

5.3.2 永磁同步电机容错控制系统的电压前馈补偿闭环方法

5.3.3 永磁同步电机容错控制系统的双环控制结构及MATLAB仿真

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录:攻读硕士学位期间完成的学术论文