五相永磁同步电机驱动系统容错控制技术研究

发布时间：2020-05-12 19:54

【摘要】：五相永磁同步电机(后文简称为五相电机)具有功率密度高、转矩波动小、容错性能好等特点,在舰船电力推进系统中有着广阔的应用前景。推进系统的可靠性是衡量作战舰艇性能的一项重要指标,故障情况下舰船推进电机需具备良好的容错运行能力,以避免驱动系统失效而影响整艘舰船的运行。电机驱动器和机械位置传感器是五相电机驱动系统中的薄弱环节,它们发生故障的风险较高。为提高五相电机在舰船推进系统应用的可靠性,本论文针对上述关键问题开展了五相电机驱动系统容错控制技术研究。首先,采用绕组函数理论对正常模式下的五相电机定子磁动势进行分析,确定实现驱动系统开路故障运行的基本原则—维持定子磁动势与正常模式保持一致。在单相开路故障下,通过约束剩余有效相的反电动势在α-β平面保持圆形运动轨迹,引申出适用于单开路模式的解耦变换矩阵—Clarke和Park矩阵。采用类似的方法,约束两相开路(又分为相邻两相开路和非相邻两相开路)故障下剩余有效相的转子磁链保持圆形旋转,可获得适用于该模式的Clarke和Park矩阵。依据上述变换矩阵,建立起故障模式运行的五相电机在旋转坐标系下的电压方程和转矩方程。五相电机容错模型的建立为后续五相电机转子磁场定向控制(Field Orentied Control,FOC)以及无位置控制技术的实施奠定基础。结合所提出的容错模型,对故障模式下(包括单相开路和两相开路故障)五相电机SVPWM、电流控制和转速控制进行了研究。不同于正常模式,故障模式运行的五相电机SVPWM依赖于电机运行状态,控制系统需要实时检测(或估算)断相绕组的反电动势,并对参考电压矢量进行补偿,实现相应开路故障模式下电机的SVPWM。在故障模式运行时采用旋转坐标系下的比例-积分-谐振技术抑制高次谐波磁链引入的电流谐波。针对故障模式运行时驱动系统非线性引起电机转速波动,采用基于滑模变结构算法的转速控制器平滑电机转速,以间接降低电磁转矩谐波。因五相电机FOC策略实施需要转子位置信号,研究一种适用于正常模式和开路模式的低速域无位置控制技术。提出一种改进的高频电流注入法,其具有传统高频电流注入法和高频电压注入法的优点。针对高频注入法在转子位置误差信息解调所面临的共性问题:逆变器死区、采样和数字控制周期延时及表贴式电机弱凸极性等,通过锁相放大器原理对这些不利于位置辨识的因素进行了抑制。针对故障模式下驱动系统非线性,提出一种基于扩张状态观测器的转子位置计算方法,改善无位置控制运行时五相电机驱动系统的动态性能。研究了基于相关性原理的转子初始位置检测方法,提高了表贴式电机初始位置检测的准确性。对驱动系统在中高速域无位置控制技术展开研究,分析滑模状态观测器的稳定性,通过滤波器平滑观测反电动势,并结合正交锁相环技术求解出一个较为平滑的转子位置/转速并应用于电机矢量控制。采用复系数滤波器实现观测反电动势无相位失真滤波,降低估算转速波动误差,增强无位置控制系统稳定性。针对两相开路故障,进一步采用多谐波滤波器抑制观测反电动势中的特定低次谐波,降低估算转速的波动误差。故障模式下五相电机解耦模型得到了Ansoft/Maxwell有限元分析验证,搭建了五相电机驱动系统实验平台,对基于FOC的五相电机驱动系统调速控制及不同模式下的无位置控制算法进行了实验验证。
【图文】：

驱动系统电气故障类型Fig.1-1Electricalfaultspresentedinmotordrives

统发生故障时轴系载荷能自动转换到辅助电机驱动系统上。图 1-2 的串联式-双余度设计的电机驱动系统结构图，两台独立的永磁电，共同拖动轴系负荷。该双余度驱动系统存在两套独立的电机绕组传感器，在控制上通常配置两台独立的电机驱动器。这种双冗余设、控制简单，，但也存在诸多问题，如两台永磁同步电机串联而成的体积尤为庞大；另外，当一个电机驱动系统发生故障时，出现故障为另一台电机的负荷，这将降低了驱动系统的动态性能。在一些对有严格要求的场合，双余度设计方案应用受到极大限制[36]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM341

【参考文献】

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4 孟超;双三相永磁同步电机驱动系统的研究[D];湖南大学;2012年

5 郝振洋;六相永磁容错电机及其控制系统的设计和研究[D];南京航空航天大学;2010年

6 高海波;船舶电力推进系统的建模与仿真[D];武汉理工大学;2008年

7 薛山;多相永磁同步电机驱动技术研究[D];中国科学院研究生院（电工研究所）;2006年

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3 黎梅云;多相电机非正弦供电技术的研究[D];西南交通大学;2015年

4 宋旭;电力推进在小型船舶中的实用性研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

5 贺鑫;五相永磁同步电机容错控制研究[D];天津大学;2010年

6 郝英;六相同步电动机特性仿真的研究[D];上海海事大学;2006年

7 朱军;五相异步电机变频调速系统控制方法研究[D];华中科技大学;2006年

8 张云平;电力推进中永磁同步电机直接转矩控制的研究[D];大连海事大学;2006年

本文编号：2660757