五相永磁同步电动机驱动控制系统关键技术研究

摘要

电力电子变换技术的广泛应用使得电机驱动系统摆脱了传统三相供电网络的相数约束，多相(相数n>3)逆变器供电的多相电机驱动系统为实现大功率交流传动提供了新的思路。相数的增加使得多相电机驱动系统具有更多的控制自由度，使其特别适合用于电动/燃料混合动力车辆、航空航天、风力发电、电力机车牵引、电力舰船推进等要求低压大功率和故障容错运行的应用场合。五相永磁同步电动机(PMSM)兼具永磁电机和多相电机的双重优点，论文围绕其多维、多相的特点，展开基本理论和控制策略的研究，所得结论和方法对研究任意相数的多相电机驱动系统具有重要的理论指导意义和工程实践价值。
　　首先，论文利用绕组函数法，推导五相对称绕组谐波磁动势的解析表达式，通过分析其时空分布特性，得到了五相PMSM通过注入三次谐波电流提高输出转矩的理论依据。建立双正交坐标系，并推导五相PMSM的正交数学模型，为后续的研究奠定理论基础。以转矩方程为依据，在不增加电机铁芯饱和程度和逆变器容量的前提下，分别以电流幅值不变和有效值不变为约束条件，提出了三次谐波电流注入率的优选方法。通过优化控制基波电流与三次谐波电流的相位和幅值关系，不仅能够提高五相PMSM的输出转矩还可提高转矩铜损比，有助于改善电机的效率。通过有限元仿真验证了三次谐波电流注入率优选方法的正确性，并分析了注入三次谐波电流对输出转矩和转矩脉动的影响。
　　其次，深入研究了五相电压源逆变器(VSI)的多维脉宽调制(PWM)算法。针对正弦电压输出方式，若直接将传统的三相VSI空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法扩展至五相VSI中，会在d3-q3子空间中产生非零伴生矢量，从而使输出电压含有大量的谐波成分。本文提出了最近四矢量SVPWM算法，在d1-q1子空间中合成基波电压参考矢量的同时，保证d3-q3子空间中的伴生矢量为零。为了提高基波电压分量的调制比，提出了最近四矢量SVPWM的改进算法，通过动态修改中矢量和大矢量的作用时间比，最大限度地降低谐波电压的含量。针对双频率非正弦电压输出方式，以最近四矢量SVPWM算法为基础，动态分配调制子周期，在每个调制子周期内合成各自子空间的电压参考矢量。针对上述两种电压输出方式，分别提出了注入五次谐波分量和均值零序分量的载波PWM算法，可进一步扩展调制范围。详细分析了正弦驱动以及注入三次谐波驱动方式下，调制比的有效作用域及各种PWM算法的适用范围。
　　再次，为了提高五相PMSM控制系统的集成度，研究了基于FPGA的数字集成控制技术。设计了全数字轴角变换器，采用Δ-Σ调制技术生成激磁信号，可降低激磁信号的失真度和相移。基于锁相环技术的角度闭环跟踪解算算法，可提高动态跟踪速度和稳态精度。以NTV-SVPWM算法为例，给出了详细的数字实现方法。为了保证注入三次谐波电流后转矩响应仍表现为一阶惯性环节，研究了双空间矢量控制算法的电流控制器参数约束。给出了基于FPGA的全数字双空间矢量控制器实现方法，通过控制时序优化，提高数据的实时性和控制器的执行速度。双空间矢量控制算法可保证基波电流和三次谐波电流满足最优的幅值和相位关系，但无法解决暂态过程中的交叉耦合问题。为此，提出了一种考虑延时的无差拍电流预测控制算法，通过将交叉耦合项融入到预测模型中，解决了基波电流和三次谐波电流交叉耦合问题。分析了五相VSI死区效应，提出了基于双空间矢量闭环控制的死区误差电压补偿方法。
　　最后，针对五相PMSM单相开路故障，分别建立了基波和三次谐波子空间不对称坐标系下的坐标变换体系。通过分析基波和三次谐波电流的转矩方程和铜损方程，利用叠加原理，提出了消除转矩脉动的解析方法。通过对广义零序分量的优化设计，在铜损最小和铜损相等原则下分别实现最大转矩铜损比和最大输出转矩，并提出了一种通用的容错电流在线生成方法。为了解决滞环电流控制方法造成逆变器开关频率不固定且变化很大的问题，提出了在静止坐标系下构建预测模型的无差拍电流预测控制算法。该算法的快速暂态响应可保证动态跟踪交变参考电流，结合PWM调制器，实现逆变器开关频率恒定，降低电流的低次谐波含量。

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摘 要

Abstract

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Contents

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 多相电机驱动系统概述

1.3 多相电机驱动系统的关键技术与研究热点

1.4 电流预测控制算法研究现状

1.5 电机数字化集成控制技术概况

1.6 论文主要研究内容

第 2 章 五相PMSM模型及三次谐波电流注入率优选方法

2.1 引言

2.2 五相对称绕组谐波磁动势分析

2.3 五相PMSM的数学模型

2.4 三次谐波电流注入率优选方法

2.5 有限元仿真结果及分析

2.6 本章小结

第 3 章 五相电压源逆变器多维脉宽调制算法研究

3.1 引言

3.2 五相VSI模型及其电压空间矢量

3.3 正弦电压调制算法

3.4 双频率非正弦电压调制算法

3.5 直流母线电压利用率分析

3.6 本章小结

第 4 章 五相PMSM数字集成控制技术研究

4.1 引言

4.2 基于FPGA的全数字轴角变换算法

4.3 NFV-SVPWM IP核设计

4.4 双空间矢量控制算法

4.5 一种改进的无差拍电流预测控制算法

4.6 五相VSI死区效应及补偿

4.7 本章小结

第 5 章 五相PMSM缺相故障无扰容错运行策略研究

5.1 引言

5.2 正弦波五相PMSM缺相故障容错算法

5.3 注入三次谐波电流消除转矩脉动

5.4 缺相故障容错运行策略

5.5 有限元仿真分析及实验

5.6 本章小结

结 论

参考文献

附录1 五相PMSM驱动控制系统结构

附录2 实物照片

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历