五相永磁同步电动机驱动控制系统及容错运行研究

论文摘要

随着电机控制理论、电力电子技术的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具有低压大功率和系统可靠性高等优势,在舰船推进、航空航天和电力机车等设备等大功率电气驱动装置中获得广泛应用。本文以五相永磁同步电动机为对象,建立了五相PMSM的数学模型,研究了五相PMSM矢量控制系统和容错控制等关键技术,并在基于FPGA的五相PMSM驱动控制平台上对本文研究内容进行实验验证。论文首先,建立了自然坐标系下五相PMSM数学模型,并根据正弦绕组与非正弦绕组五相PMSM之间绕组电感和永磁体与绕组交链磁链的差异性,利用推广的五相电机Park变换矩阵,分别建立两种绕组类型五相PMSM在同步旋转坐标系下数学模型。其次,分别研究了两种绕组类型五相PMSM的矢量控制方式,在Simulink建立的矢量控制系统模型上根据注入相电流的不同,分析了两种绕组类型五相PMSM的输出结果;对相邻最大两矢量脉宽调制(NTV SVPWM)和相邻最近四矢量脉宽调制(NFV SVPWM)进行分析,在母线电压利用率和相电压谐波含量两方面分析两种调制算法的优劣,利用Simulink对两种脉宽调制算法进行仿真验证。再次,为了减小故障状态下五相PMSM最优相电流未知量,引入了镜像对称原理,并在反电势三次谐波含量与基波含量之比为0.257条件下,通过计算电机输出平均功率和谐波功率(2ω,4ω,6ω),以零波动力矩、零中性线电流和最小定子铜损为约束条件,建立相关的方程组,解得故障状态下(一相、不相邻两相和相邻两相开路)最优相电流的幅值和相位,根据提出的容错控制策略能够使电机在故障状态下保持低力矩波动和输出较高力矩的特性,并利用Ansoft进行仿真验证。最后,搭建了以FPGA为控制芯片的五相PMSM驱动控制系统硬件平台,对驱动电路系统各单元进行分析,设计了PI调节器、坐标变换、SVPWM和外设接口电路,并在平台上对五相PMSM矢量控制、两种SVPWM算法和一相开路容错电流最优控制进行实验,验证了本文研究内容的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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概况
• 1.2.1 多相电机建模
• 1.2.2 多相电机驱动系统控制方法研究
• 1.2.3 多相电机无位置传感器驱动控制技术研究
• 1.3 多相电机容错运行关键技术研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 五相永磁同步电动机的数学建模
• 2.1 引言
• 2.2 两种绕组形式五相PMSM的推广Park变换矩阵
• 2.3 五相PMSM数学模型
• 2.3.1 五相PMSM自然坐标系下数学模型
• 2.3.2 正弦绕组五相PMSM同步旋转坐标系下数学模型
• 2.3.3 非正弦绕组五相PMSM同步旋转坐标系下数学模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 五相永磁同步电动机矢量控制策略分析
• 3.1 引言
• 3.2 五相PMSM矢量控制方法
• 3.2.1 正弦绕组五相PMSM矢量控制方法
• 3.2.2 非正弦绕组五相PMSM矢量控制方法
• 3.3 五相PMSM脉宽调制技术研究
• 3.3.1 五相逆变器模型及空间电压矢量分析
• 3.3.2 相邻最大两矢量SVPWM
• 3.3.3 相邻最近四矢量SVPWM
• 3.4 五相PMSM矢量控制系统仿真验证
• 3.4.1 五相PMSM矢量控制方法仿真验证
• 3.4.2 五相PMSM脉宽调制技术仿真验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 五相永磁同步电动机系统容错运行研究
• 4.1 引言
• 4.2 容错电流的镜像对称原理
• 4.3 多相永磁同步电动机的容错电流最优控制
• 4.4 五相PMSM容错电流最优控制
• 4.4.1 正常条件下分析
• 4.4.2 一相开路状态下最优容错电流分析
• 4.4.3 不相邻两相开路状态下最优容错电流分析
• 4.4.4 相邻两相开路状态下最优容错电流分析
• 4.5 不同反电势谐波含量的五相PMSM输出转矩分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 五相PMSM驱动控制系统设计及实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 五相PMSM驱动电路与控制器模块设计
• 5.2.1 驱动电路设计
• 5.2.2 控制器模块设计
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 五相PMSM矢量控制实验结果与分析
• 5.3.2 SVPWM实验结果与分析
• 5.3.3 容错运行实验结果与分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢