五相永磁同步电机系统故障诊断与容错控制技术研究

摘要

本文以五相PMSM驱动控制系统为研究对象，对电机数学模型的建立、五相逆变器脉宽调制方法的实现、电机匝间短路故障模型的建立、五相逆变器开路故障的诊断及容错控制运行性能的研究等都进行了深入分析。
　　首先，建立五相电机数学模型，分析五相逆变器矢量控制方案及脉宽调制技术。文中以ITH-MMF五相PMSM为例，分析定子电感矩阵和磁链方程的求解过程及电机在自然坐标系下的数学模型，建立五相系统的坐标变换矩阵，推导电机在旋转坐标系下的数学模型；探讨五相PMSM的矢量控制方案，对最大两矢量和最近四矢量两种脉宽调制算法进行理论分析和仿真验证，可得最近四矢量SVPWM算法下电机输出的相电压谐波含量更小，相电流更加接近正弦波。
　　其次，研究电机的匝间短路和逆变器开路故障。针对Sin-MMF五相PMSM，对发生匝间短路的故障相引入故障因子，推导电机匝间短路故障参数模型，搭建电机匝间短路故障仿真模型，仿真表明电机输出端的定子电流与发生匝间短路故障的匝数存在正比关系；提出两种五相逆变器开路故障诊断算法：算法一利用改进平均电流法得到逆变器单管开路和不同相两管开路的故障定位表。算法二对电流进行归一化处理，解决了平均电流法在负载突变时易出现误诊断的问题，利用三次谐波子空间故障电流的相位角实现开关管单管开路故障诊断。
　　然后，探讨五相PMSM发生缺相故障后的容错运行机理。引入镜像对称原理得到正弦电流镜像关系式，减少容错电流未知变量求解个数，增加控制系统求解速度，降低电机病态运行时间。以零转矩脉动、零中性线电流和定子铜耗最小为约束条件，分析电机在一相缺相、不相邻两相缺相和相邻两相缺相三种故障状态下输出的有功和无功功率，得到电机在故障状态下保持低转矩脉动和较高输出力矩的最优容错电流解，并用Ansoft进行仿真验证。
　　最后，以英飞凌32位微控制器TC1767为核心，搭建五相PMSM驱动控制系统实验平台，对本文算法进行实验验证，结果表明：利用最近四矢量SVPWM算法调制控制时电机输出的相电压谐波含量更小，降低电机损耗；本文所提出的改进平均电流法和三次谐波归一化电流法均可对逆变器开关管开路故障进行准确诊断，此外三次谐波归一化电流法解决了平均电流法负载突变时易出现误诊断的问题；利用本文推出的最优容错电流可保证电机在缺相故障后仍能平稳运行，且最大限度地降低转矩脉动。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 电机故障诊断的研究现状

1.3 电机容错控制的研究现状

1.4 永磁同步电机控制系统故障关键技术分析

1.5 课题的主要研究内容

第2章 五相PMSM数学模型和矢量控制方案

2.1 引言

2.2 ITH-MMF的五相PMSM建模分析

2.3 五相系统矢量控制方案及脉宽调制算法

2.4 五相PMSM矢量控制仿真分析

2.5 本章小结

第3章 五相PMSM匝间短路和逆变器故障诊断研究

3.1 引言

3.2 定子绕组匝间短路故障参数模型

3.3 改进平均电流法逆变器开路故障诊断

3.4 三次谐波归一化电流法逆变器开路故障诊断

3.5 本章小结

第4章 五相PMSM缺相故障容错控制技术研究

4.1 引言

4.2 基于镜像对称原理的定子电流关系式

4.3 五相PMSM缺相容错控制

4.4 五相PMSM缺相故障仿真分析

4.5 本章小结

第5章 五相PMSM驱动系统设计与实验验证

5.1 引言

5.2 五相PMSM驱动系统设计

5.3 五相逆变器SVPWM模块设计

5.4 五相PMSM实验验证及结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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