五相永磁同步電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、電力電子變換技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得電機驅(qū)動系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)三相供電網(wǎng)絡(luò)的相數(shù)約束，多相(相數(shù)n>3)逆變器供電的多相電機驅(qū)動系統(tǒng)為實現(xiàn)大功率交流傳動提供了新的思路。相數(shù)的增加使得多相電機驅(qū)動系統(tǒng)具有更多的控制自由度，使其特別適合用于電動/燃料混合動力車輛、航空航天、風(fēng)力發(fā)電、電力機車牽引、電力艦船推進(jìn)等要求低壓大功率和故障容錯運行的應(yīng)用場合。五相永磁同步電動機(PMSM)兼具永磁電機和多相電機的雙重優(yōu)點，論文圍繞其多維、多相的特點，展開基本理

2、論和控制策略的研究，所得結(jié)論和方法對研究任意相數(shù)的多相電機驅(qū)動系統(tǒng)具有重要的理論指導(dǎo)意義和工程實踐價值。
　　首先，論文利用繞組函數(shù)法，推導(dǎo)五相對稱繞組諧波磁動勢的解析表達(dá)式，通過分析其時空分布特性，得到了五相PMSM通過注入三次諧波電流提高輸出轉(zhuǎn)矩的理論依據(jù)。建立雙正交坐標(biāo)系，并推導(dǎo)五相PMSM的正交數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的研究奠定理論基礎(chǔ)。以轉(zhuǎn)矩方程為依據(jù)，在不增加電機鐵芯飽和程度和逆變器容量的前提下，分別以電流幅值不變和有效值不變

3、為約束條件，提出了三次諧波電流注入率的優(yōu)選方法。通過優(yōu)化控制基波電流與三次諧波電流的相位和幅值關(guān)系，不僅能夠提高五相PMSM的輸出轉(zhuǎn)矩還可提高轉(zhuǎn)矩銅損比，有助于改善電機的效率。通過有限元仿真驗證了三次諧波電流注入率優(yōu)選方法的正確性，并分析了注入三次諧波電流對輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動的影響。
　　其次，深入研究了五相電壓源逆變器(VSI)的多維脈寬調(diào)制(PWM)算法。針對正弦電壓輸出方式，若直接將傳統(tǒng)的三相VSI空間矢量脈寬調(diào)制(SVPW

4、M)算法擴展至五相VSI中，會在d3-q3子空間中產(chǎn)生非零伴生矢量，從而使輸出電壓含有大量的諧波成分。本文提出了最近四矢量SVPWM算法，在d1-q1子空間中合成基波電壓參考矢量的同時，保證d3-q3子空間中的伴生矢量為零。為了提高基波電壓分量的調(diào)制比，提出了最近四矢量SVPWM的改進(jìn)算法，通過動態(tài)修改中矢量和大矢量的作用時間比，最大限度地降低諧波電壓的含量。針對雙頻率非正弦電壓輸出方式，以最近四矢量SVPWM算法為基礎(chǔ)，動態(tài)分配調(diào)制子

5、周期，在每個調(diào)制子周期內(nèi)合成各自子空間的電壓參考矢量。針對上述兩種電壓輸出方式，分別提出了注入五次諧波分量和均值零序分量的載波PWM算法，可進(jìn)一步擴展調(diào)制范圍。詳細(xì)分析了正弦驅(qū)動以及注入三次諧波驅(qū)動方式下，調(diào)制比的有效作用域及各種PWM算法的適用范圍。
　　再次，為了提高五相PMSM控制系統(tǒng)的集成度，研究了基于FPGA的數(shù)字集成控制技術(shù)。設(shè)計了全數(shù)字軸角變換器，采用Δ-Σ調(diào)制技術(shù)生成激磁信號，可降低激磁信號的失真度和相移。基于鎖相

6、環(huán)技術(shù)的角度閉環(huán)跟蹤解算算法，可提高動態(tài)跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度。以NTV-SVPWM算法為例，給出了詳細(xì)的數(shù)字實現(xiàn)方法。為了保證注入三次諧波電流后轉(zhuǎn)矩響應(yīng)仍表現(xiàn)為一階慣性環(huán)節(jié)，研究了雙空間矢量控制算法的電流控制器參數(shù)約束。給出了基于FPGA的全數(shù)字雙空間矢量控制器實現(xiàn)方法，通過控制時序優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)的實時性和控制器的執(zhí)行速度。雙空間矢量控制算法可保證基波電流和三次諧波電流滿足最優(yōu)的幅值和相位關(guān)系，但無法解決暫態(tài)過程中的交叉耦合問題。為此，提

7、出了一種考慮延時的無差拍電流預(yù)測控制算法，通過將交叉耦合項融入到預(yù)測模型中，解決了基波電流和三次諧波電流交叉耦合問題。分析了五相VSI死區(qū)效應(yīng)，提出了基于雙空間矢量閉環(huán)控制的死區(qū)誤差電壓補償方法。
　　最后，針對五相PMSM單相開路故障，分別建立了基波和三次諧波子空間不對稱坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換體系。通過分析基波和三次諧波電流的轉(zhuǎn)矩方程和銅損方程，利用疊加原理，提出了消除轉(zhuǎn)矩脈動的解析方法。通過對廣義零序分量的優(yōu)化設(shè)計，在銅損最小和銅