多相永磁同步电机不对称运行的研究

摘要

永磁同步电机(PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor)具有体积小、重量轻、响应快、高功率因数以及控制方法简单等优点，这使得它在高功率密度和对控制要求高的场合得到广泛的应用。而多相永磁同步电机自身具有的可靠性是传统的三相电机无法比拟的优点，因此多相永磁同步电机在航天航空、船舶推进等领域得到了越来越多的关注。多相永磁同步电机的高可性从本质上来讲源于它的相冗余度，即在定子绕组一相或者多相发生开路故障时能够通过控制剩余正常相电流的相位和幅值使得电机能够持续运行，这种可持续运行能力在一些不允许中途停车的场合显得尤其重要，因此对多相电机不对称运行的研究具有深远的意义。
　　 本文首先介绍了多相永磁同步电机的发展历史和当前研究现状，并指出多相电机相数的选定并不是越多越好，最终本文将五相永磁同步电机作为具体研究对象，在五相静止坐标系下建立了其数学模型，为了实现对五相永磁同步电机的简易控制又在两相旋转静止坐标系下建立了其数学模型，进而介绍了基于id=0的磁场定向控制技术，然后通过仿真研究验证了该控制方法的有效性。
　　 在五相永磁同步电机出现定子绕组一相或者两相发生开路故障时定子合成磁势会发生变化，使得原先的磁场定向控制方法的控制性能大大下降，文中通过仿真验证了这一点。进而提出了两种补偿控制方法，即基于定子总磁势不变的补偿控制方法和基于镜象对称法的单相开路五相永磁同步电机电流优化补偿控制方法。前者是将剩余各相电流幅值相等作为约束条件，通过调整电流相位和幅值来弥补开相带来的磁势损失。方法二是较之方法一的电流优化算法，它不再将各相电流幅值相等作为约束条件，而是仅仅将关于故障轴对称的电流幅值相等作为约束条件，使得电流总幅值下降，系统铜损降低。仿真验证了方法一的有效性和方法二优越性。
　　 本文提出了一个五相永磁同步电机驱动系统的硬件电路设计方案并实现了控制系统硬件的制作，最后给出了不对称运行控制程序的流程图。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 多相电机驱动系统概述

1．2．1 多相电机驱动系统的特点

1．2．2 多相电机驱动系统研究概况

1．2．3 电机驱动系统的不对称运行概述

1．3 选题背景及本文工作安排

第2章 五相永磁同步电机数学模型及其磁场定向控制

2．1 引言

2．2 多相电机相数的定义

2．3 多相电机电枢反应的磁动势分析

2．3．1 磁动势分析的基本理论

2．3．2 多相电机定子绕组合成磁动势分析

2．4 五相永磁同步电机的数学模型及其磁场定向控制

2．4．1 五相永磁同步电机的结构

2．4．2 五相静止坐标系下五相永磁同步电机数学模型

2．4．3 五相永磁同步电机的坐标变换

2．4．4 二相旋转坐标系下五相永磁同步电机数学模型

2．4．5 五相永磁同步电机基于id=0的磁场定向控制

2．5 五相永磁同步电机基于id=0的磁场定向控制调速系统仿真

2．5．1 五相永磁同步电机与三相永磁同步电机调速系统仿真参数对比

2．5．2 仿真结果及分析

2．6 本章小结

第3章 五相永磁同步电机不对称运行及其补偿策略

3．1 引言

3．2 五相永磁同步电机采用磁场定向控制方法时的磁势计算

3．3 五相永磁同步电机在一相开路时磁势和电磁转矩分析

3．4 五相永磁同步电机在两相开路时磁势和电磁转矩分析

3．5 在无补偿条件下五相永磁同步电机不对称运行仿真

3．6 基于定子总磁势不变的五相永磁同步电机补偿控制

3．6．1 定子绕组一相开路时定子总磁势不变控制策略

3．6．2 定子绕组两相开路时定子总磁势不变控制策略

3．6．3 五相永磁同步电机故障后采用定子总磁势不变法的仿真

3．7 基于镜象对称法的单相开路电流优化补偿控制

3．7．1 电流优化控制策略

3．7．2 定子绕组在一相开路时的镜象对称

3．7．3 基于镜象对称法的单相开路电流优化补偿控制

3．7．4 五相永磁同步电机故障后采用镜象对称法的电流优化仿真

3．8 本章小结

第4章 五相永磁同步电机驱动系统及不对称运行控制方法设计方案

4．1 五相永磁同步电机驱动系统总体框架

4．2 变流电路方案设计

4．2．1 整流桥的选择

4．2．2 IGBT模块选择

4．2．3 滤波电容和预充电电路

4．2．4 制动单元的作用

4．3 五相永磁同步电机调速系统控制电路设计

4．3．1 定子相电流与直流母线电压检测电路

4．3．2 转子位置和转速检测电路

4．3．3 IGBT驱动电路设计方案

4．3．4 通讯接口电路

4．4 不对称运行控制程序总体结构

4．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)

附录B (攻读学位期间参与项目清单)