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九相磁通切换永磁电机系统及容错控制研究

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第1章 绪论

1.1.课题背景及研究的目的和意义

1.2.多相电机驱动系统相关理论及其发展

1.2.1.多相电机的建模及谐波分析

1.2.2.多相电机变频调速系统PWM控制技术

1.2.3.多相电机驱动系统研究

1.2.4.多相电机容错控制关键技术研究现状

1.2.5.磁通切换永磁电机研究现状

1.3.本课题研究内容和论文结构

1.3.1.课题研究主要内容

1.3.2.论文结构

参考文献

第2章 九相磁通切换永磁电机特性及数学模型

2.1.引言

2.2.九相FSPM电机的基本结构

2.3.九相FSPM电机的静态特性分析

2.3.1.磁场分布

2.3.2.永磁磁链与反电势

2.3.3.定位力矩

2.4.九相FSPM电机的谐波磁势及转矩分析

2.4.1.谐波磁势分析

2.4.2.转矩分析

2.5.九相FSPM电机的数学模型

2.5.1.定子坐标系下的相变量模型

2.5.2.基于矢量空间解耦的九相FSPM电机数学模型

2.6.九相FSPM电机本体仿真模型

2.7.本章小结

参考文献

第3章 九相FSPM电机PWM矢量控制技术

3.1.引言

3.2.电流滞环PWM矢量控制

3.2.1.电流滞环PWM控制原理

3.2.2.仿真与实验验证

3.3.空间矢量PWM矢量控制

3.3.1.九相空间电压矢量分析

3.3.2.两矢量SVPWM原理

3.3.3.矢量空间解耦SVPWM原理

3.3.4.仿真验证

3.4.占空比直接求解PWM矢量控制

3.4.1.占空比直接求解

3.4.2.占空比波形的中心化处理

3.4.3.仿真与实验验证

3.5.NPC三电平九相逆变器供电下载波调制技术

3.5.1.平均中点电流的数学模型

3.5.2.单调制波三电平九相载波PWM方法

3.5.3.双调制波三电平九相载波PWM方法

3.5.4.仿真与实验验证

3.6.几种PWM矢量控制方法比较

3.7.本章小结

参考文献

第4章 九相FSPM电机预测控制

4.1.引言

4.2.九相FSPM电机的模型预测控制

4.2.1.模型预测控制基本原理

4.2.2.基于状态空间模型的九相FSPM电机模型预测控制

4.2.3.最优开关矢量选择

4.2.4.目标函数的设计

4.2.5.仿真与实验验证

4.3.本章小结

参考文献

第5章 九相FSPM电机系统的缺相容错控制

5.1.引言

5.2.容错控制自由度解析

5.3.一中性点连接方式缺相容错控制

5.3.1.断路故障电磁转矩分析

5.3.2.谐波电流注入式容错控制

5.3.3.容错控制方案

5.3.4.仿真与实验验证

5.4.三中性点连接方式缺相容错控制

5.4.1.九相三中性点FSPM电机系统分析

5.4.2.断路故障电磁转矩分析

5.4.3.谐波电流注入式容错控制

5.4.4.仿真与实验验证

5.5.五相绕组同时断路工况分析

5.5.1.五相绕组断路分类

5.5.2.两种容错方案的推导

5.5.3.谐波电流注入对相电流的影响

5.5.4.仿真与实验验证

5.6.本章小结

参考文献

第6章 九相FSPM电机主动缺相运行控制策略

6.1.引言

6.2.九相FSPM电机系统损耗模型

6.2.1.电机损耗模型

6.2.2.逆变器损耗模型

6.2.3.仿真与实验验证

6.3.主动缺相运行控制

6.3.1.主动缺相控制原则

6.3.2.瞬态切换转矩分析

6.4.本章小结

参考文献

第7章 九相FSPM电机系统实验研究

7.1.系统测试平台搭建

7.2.系统控制硬件平台搭建

7.2.1.主功率器件选择

7.2.2.IGBT驱动电路

7.2.3.电流电压检测电路

7.2.4.过流过压保护电路

7.2.5.位置信号处理

7.3.系统控制软件平台设计

7.4.本章小结

参考文献

第8章 总结与展望

8.1.全文总结

8.2.课题展望

攻读博士学位期间的学术成果

致谢

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摘要

随着电机控制理论、电力电子技术和微电子技术的发展,电机驱动领域已经突破了标准三相供电系统的束缚,多相电机驱动系统凭借其与三相电机驱动系统相比所具有的低压大功率和系统可靠性高等优势,在船舶推进、航空航天和电动汽车等大功率电气驱动装置中获得日益广泛的应用。本文以一台九相磁通切换永磁(Flux-switching permanent magnet,FSPM)电机为研究对象,主要针对九相FSPM电机的基本理论、PWM矢量控制、多相多电平技术、模型预测控制、谐波注入式容错控制、主动缺相控制等技术进行了研究,得出的结论和总结出的方法对多相电机系统的应用具有理论指导意义和工程应用价值。
  论文主要研究成果包括以下几个方面:
  1.分析了九相FSPM电机的基本工作原理、静态特性、绕组磁动势的谐波机理和分布,并在九相FSPM电机相变量数学模型基础上,通过矢量空间解耦方法,建立了九相FSPM电机全解耦的数学模型;
  2.研究了电流滞环PWM矢量控制、空间矢量PWM矢量控制和占空比直接求解PWM矢量控制策略在九相FSPM电机控制系统中的应用,并详细分析了几种控制算法的优缺点,在此基础上,提出了适用于九相FSPM电机性能的控制策略;并通过仿真结果的对比研究,验证了谐波闭环矢量控制在负载不平衡及逆变器非线性条件下的优越性;针对大容量调速系统,提出了中点钳位型(Neutral point clamped,NPC)三电平九相逆变器供电技术,分析了调速系统采用两种载波PWM方式下产生的电压和电流波形;
  3.针对九相FSPM电机矢量控制系统采用电流八内环的方法动态性能稍显不足,同时PI参数整定困难的问题,提出了九相FSPM电机有限控制集模型预测电流控制(Finite-control-set modelpredictive current control,FCS-MPCC)方案。通过建立九相FSPM电机状态空间模型的预测标准型,提出了最优开关矢量作用方案以提高控制器处理速度,同时对因电机参数扰动引起的运行性能影响进行了分析。针对上述FCS-MPCC方法进行了仿真与实验验证,结果表明该控制方法具有响应速度快及鲁棒性好的优点;
  4.分别针对矢量控制九相FSPM电机驱动一中性点和三中性点系统中单相断路故障工况进行研究。一中性点系统单相故障时,根据转矩电流分量不变及定子铜耗方程,提出了3种谐波电流注入模式下无扰运行的容错控制策略,即在容错运行时分别注入3次,3、5次以及3、5、7次谐波电流,进而获得铜耗最小优化目标的容错电流通用在线生成方法;三中性点系统单相故障时,提出了双Y绕组控制及三Y绕组相电流重构控制方案,分别在转矩波动和铜耗方面进行了综合比较;在谐波注入式容错控制基础上,重点分析九相FSPM电机五相绕组同时断路工况下的相电流重构及电机输出特性,即使在谐波电流注入时,容错相电流依然能保持很高的正弦性,并具体量化了电机系统在容错运行时的负载降额率;
  5.从系统运行效率的角度,研究电机在不同主动缺相运行方案中,对应九相FSPM电机系统的功耗,并在此基础上,提出采用主动缺相控制的方法可使该电机系统在整个运行范围内具有较高的综合运行效率,并进行相关的仿真和实验验证;
  6.搭建了基于dSPACE1005的九相FSPM电机控制系统硬件平台,设计了软硬件驱动电路,并通过实验验证了所提出控制算法的可行性,为多相FSPM电机进一步深入研究及在驱动领域的实际应用打下了理论与技术基础。

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