双三相永磁同步电机驱动及容错控制技术研究

摘要 .......................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................... I II 目录 ........................................................................................................................ V Contents................................................................................................................. VIII 第 1 章绪论 . (1)

1.1 课题研究的背景及意义 (1)

1.2 多相电机驱动系统概述 (2)

1.2.1 多相电机的定义和分类 (2)

1.2.2 多相电机数学建模 (3)

1.2.3 国内外研究现状 (4)

1.3 双三相电机驱动系统关键技术分析 (6)

1.3.1 双三相电机控制策略 (6)

1.3.2 双三相电机PWM技术 (9)

1.3.3 双三相电机过调制技术 (10)

1.3.4 双三相电机容错控制 (12)

1.4 论文的主要研究内容 (13)

第 2 章双三相永磁同步电机的数学建模与控制策略研究 (15)

2.1 引言 (15)

2.2 多相电机绕组磁动势分析 (15)

2.2.1 对称多相绕组的磁动势 (15)

2.2.2 不对称多相绕组的磁动势 (17)

2.3 双三相永磁同步电机的数学模型 (18)

2.3.1 自然坐标系下的数学模型 (19)

2.3.2 定子电感分析 (19)

2.3.3 双三相电机变换矩阵 (22)

2.3.4 基于矢量空间解耦的数学模型 (24)

2.4 双三相电机矢量控制 (26)

2.4.1 谐波子平面电流分析 (28)

2.4.2 四维电流矢量控制的电压调制范围 (30)

2.4.3 实验验证 (31)

2.5 双三相永磁同步电机直接转矩控制 (34)

哈尔滨工业大学工学博士学位论文

2.5.1 数学模型 (35)

2.5.2 六相逆变器电压矢量 (36)

2.5.3 基于开关表的直接转矩控制 (37)

2.5.4 电压矢量的修正 (39)

2.5.5 仿真与实验结果 (41)

2.6 本章小结 (43)

第 3 章双三相永磁同步电机PWM策略研究 (44)

3.1 引言 (44)

3.2 四矢量SVPWM算法 (44)

3.2.1 四矢量SVPWM算法的简化计算方法 (46)

3.2.2 四矢量SVPWM算法的固有缺点 (47)

3.3 三相解耦PWM策略 (48)

3.3.1 三相解耦SVPWM算法 (49)

3.3.2 双零序注入PWM算法 (50)

3.3.3 双零序注入PWM算法与四矢量SVPWM算法的联系 (51)

3.4 五桥臂逆变器双零序注入PWM算法 (53)

3.4.1 最大母线电压利用率实现策略 (55)

3.4.2 母线电压利用率分析 (58)

3.4.3 五桥臂逆变器容错实现策略 (60)

3.4.4 实验结果及分析 (62)

3.5 本章小结 (65)

第 4 章双三相永磁同步电机过调制策略研究 (66)

4.1 引言 (66)

4.2基于中间矢量的过调制算法 (66)

4.2.1 过调制算法1 (68)

4.2.2 过调制算法2 (69)

4.2.3 基于双零序注入PWM策略的过调制算法实现 (74)

4.2.4 仿真分析与实验验证 (76)

4.3六相逆变器最大母线电压利用实现策略 (85)

4.3.1 最小幅值误差策略 (85)

4.3.2 仿真分析与实验验证 (87)

4.4 本章小结 (89)

第 5 章双三相永磁同步电机缺相容错控制策略研究 (90)

5.1 引言 (90)

5.2 基于滞环电流控制的容错控制策略 (90)

5.2.1 功率不变原则 (91)

5.2.2 磁动势不变原则 (93)

5.2.3 两种控制策略的比较 (96)

5.3 基于降维数学模型的双三相PMSM容错控制策略 (97)

5.3.1 变换阵的确定 (98)

5.3.2 一相开路降维数学模型 (99)

5.4 基于正常解耦变换的双三相PMSM容错控制策略 (100)

5.4.1 定子铜耗最小方式 (101)

5.4.2 最大转矩输出方式 (102)

5.4.3 两相开路情况 (103)

5.4.4 不同控制方式下的性能指标 (105)

5.5 三次谐波磁势影响 (105)

5.6 实验结果 (107)

5.7 本章小结 (112)

结论 (114)

参考文献 (116)

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果 (127)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (128)

致谢 (129)

个人简历 (130)

哈尔滨工业大学工学博士学位论文

Contents

Abstract (in Chinese).................................................................................................. I Abstract (in English) ............................................................................................... I II

Chapter 1 Induction (1)

1.1 Background and research significance of the subject (1)

1.2 Overview of multi-phase machine drive system (2)

1.2.1 Definition of multiphase motors and classification (2)

1.2.2 Modeling of multiphase motors (3)

1.2.3 Overseas and Domestic Research Status (4)

1.3 Analysis of key techniques for the dual three-phase motor drive system (6)

1.3.1 Control strategies for the dual three-phase motor (6)

1.3.2 PWM algorithms of the dual three-phase motor (9)

1.3.3 Overmodulation algorithms of the dual three-phase motor (10)

1.3.4 Fault tolerant control of the dual three-phase motor (12)

1.4 Main research concent (13)

Chapter 2 Mathematical modeling and control strategies of dual three-phase PMSM (15)

2.1 Induction (15)

2.2 Magnetomotive force analysis of multiphase motor windings (15)

2.2.1 Magnetomotive force of symmetrical multiphase windings (15)

2.2.2 Magnetomotive force of asymmetrical multiphase windings (17)

2.3 Mathematical model of dual three-phase PMSM (18)

2.3.1 Mathematical model under the natural coordinate system (19)

2.3.2 Analysis of the stator inductance (19)

2.3.3 Transformation matrixes of dual three-phase PMSM (22)

2.3.4 Mathematical model based on vector space decompositon (24)

2.4 Vector control of dual three-phase PMSM (26)

2.4.1 Analyses of harmonic subplane currents (28)

2.4.2 Voltage modulation range of four-dimensional current vector control (30)

2.4.3 Experiment verification (31)

2.5 Direct torque control of dual three-phase PMSM (34)

2.5.1 Mathematical model (35)

2.5.2 Voltage vectors of the six-phase inverter (36)

2.5.3 Direct torque control based on the switching-table (37)

2.5.4 Modification of voltage vectors (39)

Contents

2.5.5 Simulation analysis and experiment verification (41)

2.6 Brief summary (43)

Chapter 3 Study of PWM strategies of dual three-phase PMSM (44)

3.1 Induction (44)

3.2 Four-vector SVPWM (44)

3.2.1 Simplified calculation method of the four-vector SVPWM (46)

3.2.2 Inherent shortcomings of the four-vector SVPWM (47)

3.3 Three-phase decomposition PWM strategy (48)

3.3.1 Three-phase decomposition SVPWM algorithm (49)

3.3.2 Double zero-sequence injection PWM strategy (50)

3.3.3 The inner relationship between the DZI PWM and the four-vector

SVPWM (51)

3.4 Dual zero sequence injection PWM strategy for a five-leg inverter (53)

3.4.1 The maximum bus voltage utilization implementation Strategy (55)

3.4.2 Analyses of the bus voltage utilization ratio (58)

3.4.3 Fault-tolerant implementation strategy of the five-leg inverter (60)

3.4.4 Experimental results and analysis (62)

3.5 Brief summary (65)

Chapter 4 Study of overmodulation strategies of dual three-phase PMSM (66)

4.1 Induction (66)

4.2 Overmodulation algorithm based on intermediate vector (66)

4.2.1 Overmodulation algorithm 1 (68)

4.2.2 Overmodulation algorithm 2 (69)

4.2.3 Implementation of overmodulation algorithm based on DZI PWM

strategy (74)

4.2.4 Simulation analysis and experiment verification (76)

4.3 The full voltage utilization ratio strategy of the six-phase inverter (85)

4.3.1 The minimum-magnitude-error overmodulation strategy (85)

4.3.2 Simulation analysis and experiment verification (87)

4.4 Brief summary (89)

Chapter 5 Study of fault tolerant control strategies of dual three-phase PMSM with open phases (90)

5.1 Induction (90)

5.2 Fault-tolerant control strategy based on hysteresis current control (90)

5.2.1 Fault tolerant control based on constant power (91)

5.2.2 Fault tolerant control based on constant MMF (93)

5.2.3 Comparison of two control strategies (96)

5.3 Fault-tolerant control strategy based on the reduced order mathematical model

哈尔滨工业大学工学博士学位论文

(97)

5.3.1 Determination of transformation matrix (98)

5.3.2 The reduced order mathematical model with one open phase (99)

5.4 Fault-tolerant control strategy based on normal decoupling transformation 100

5.4.1 Minimum stator copper loss criterion (101)

5.4.2 Maximum torque output criterion (102)

5.4.3 Two open phases (103)

5.4.4 Performance indexes in different control methods (105)

5.5 Effect of third harmonic magnet field (105)

5.6 Experiment verification (107)

5.7 Brief summary (112)

Conclusions (114)

References (116)

Papers published in the period of Ph.D education (127)

Statement of copyright and Letter of authorization (128)

Acknowledgements (129)

Resume (130)

第 1 章绪论

1.1 课题研究的背景及意义

大功率化是交流传动系统的发展趋势[1]，但由于电力电子器件功率等级的限制，传统两电平逆变器供电的三相电机驱动系统难以满足大功率应用。可以采用将功率器件串联或并联来提高逆变器容量，但由此带来的动静态均压、均流等问题会大大降低系统的可靠性。目前在中高电压大功率应用中，主要采用多电平逆变器通过低电压等级功率器件级联来实现，但也存在需要中点电位控制和控制算法复杂等问题[2-3]。在电动汽车等低压大功率场合采用多相电机驱动系统更为合适，多相电机的优点主要体现在以下几个方面[4-10]：

(1)可以实现低压大功率驱动。在相同功率和相电流情况下，随着电机相数的增加，每相绕组的永磁体磁链或反电动势会成比例的降低，因此供电电压会随之下降。同时避免了三相系统中功率开关器件串并联引起的动静态均压、均流问题。

(2)减低转矩脉动。随着电机相数的增加，空间谐波次数增加，转矩脉动频率提高，幅值下降，进而降低了电机运行时的噪声和振动。早期对多相电机进行研究的主要目的就是降低转矩脉动，虽然目前PWM技术日益成熟，可以忽略低次谐波电流，但由于电机铁芯开槽等非线性因素产生的气隙谐波磁场与基波电流作用同样会产生转矩脉动，电机相数越多，基波电流产生的转矩脉动频率越高。

(3)提高容错能力。传统三相电机发生一相缺相故障时，电机中性点必须与直流母线中点连接，否则将降阶为单相电机无法实现自启动。对于多相电机当定子绕组发生一相或多相故障时，无需中线引出即可降额运行并且不需要停机重组，通过采用适当的容错控制策略使得剩余电机绕组合成旋转磁势轨迹为圆形，即可使电机继续稳定运行。因此多相电机非常适合于严禁中途停机的高可靠性要求场合。

(4)控制资源丰富。对于集中整距绕组的多相电机，可以通过注入适当比率的低次谐波电流与相应的谐波磁场作用产生恒定转矩，进而提高电机的功率密度。多相逆变器的空间电压矢量指数性增加，为PWM调制、直接转矩控制和预测电流控制等提供了丰富的控制资源。多相电机通过矢量空间解耦可以实现基波转矩分量和谐波分量的解耦，通过对谐波子平面分量的控制可以实现死