基于Z源网络的开绕组永磁同步电机控制系统的研究

发布时间：2020-10-16 06:59

　　 永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)由于具有结构简单可靠、功率密度高、节能高效等优良的特性而得到了广泛的应用。电机的三相绕组有传统的闭绕组连接方式和开绕组连接方式,开绕组永磁同步电机(Open end winding permanent magnet synchronous motor,OEW-PMSM)可以避免开关器件对电机功率等级的限制,解决高压大功率电机系统中电磁干扰、开关损耗、器件安全可靠性等问题。在伺服领域,Z源网络可以用来提升直流母线电压扩大电机的调速范围,同时避免死区时间的不利影响。本文将两者的优点进行结合研究了基于Z源网络的开绕组永磁同步电机系统,具体的研究内容如下:首先,研究了Z源网络的工作模态、升降压工作原理,对比分析了不同零电压矢量插入方法形成的Z源网络不同调制策略。分析计算了Z源网络的元器件参数,并对主电路结构进行了优化改进。其次,建立了基于Z源网络的共直流母线型和隔离直流母线型OEW-PMSM这两种拓扑结构的数学模型。开绕组结构将零序回路打开,在建模时需要考虑反电动式中的三次谐波分量的影响。建立了电压方程、磁链方程、电磁转矩方程,解耦得到了d轴、q轴、零轴的等效电路,便于分析零序回路和系统控制。再次,研究了基于Z源网络的共直流母线型OEW-PMSM的共模电压和零序电流。Z源网络可以增大调制比并避免死区时间对应的共模电压分量,分析了双两电平逆变器的电压矢量分布和电压矢量造成的共模电压。根据逆变器输出的共模电压分量、三次谐波反电动势分量与零序电流的关系,建立了零序电流闭环控制以实现对零序电流的抑制,并采用12段直通式调制策略进行了仿真和实验验证。最后,针对基于Z源网络的隔离直流母线型OEW-PMSM拓扑结构,研究了两个Z源网络输出电压比不同时开绕组电机获得的电平数情况和电压矢量分布情况,具体分析了Z源网络输出电压比为2:1和1:1时的供电效果。研究了部分电压矢量可能造成低压侧Z源网络电容过充的问题,利用仿真和实验对基于Z源网络的隔离型OEW-PMSM系统调制策略进行验证。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM341
【部分图文】：

图 4-13 采用最大六边形的无零序电流抑制的基于 Z 源网络的 SVPWM 调制输出结果4.5.2 实验验证为了更好地验证 Z 源网络的升压效果和本文提出的基于 Z 源网络的OEW-PMSM 零序电流的抑制策略的合理有效性，对开绕组永磁同步电机系统进行了硬件平台的搭建和实验验证。整个实验平台包括 Z 源网络模块、负载开绕组永磁同步电机、电机控制器、直流稳压电源和示波器等。Z 源网络的两个等值电感值为 1.6mH，两个等值电容采用两个 220μF 的电容并联构成，二极管选用超快恢复二极管，型号为 MUR860G。开绕组永磁同步电机参数和仿真参数大体一致，功率等级为 400W，4 对极，额定转速为 1000r/min，定子电阻约 2.58 ，如图 4-14 a)所示。双逆变器采用富士公司(Fuji Electric)生产的 IPM 模块 6MBP75RA060 其内置保护电路和制动电路，模块如图 4-14 b)。IPM 的隔离驱动模块采用推荐的光耦 HCPL4504 进行驱动。开绕组电机的驱动控制芯片采用 TI 公司生产的 DSP TMS320F28335，开关频率为 10kHz，IGBT 的开关频率也为 10kHz。采用增量式编码器采集电机的转速信息。

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文相桥臂的切换过程，逆变器的开关频率为 10kHz。Z 源网络的输入输出电压波形示于图 b)，可知 Z 源网络将输入为 60V 的直流母线电压泵升至 85V，实验和理论推导相符合。由图 c)中 Z 源网络输入的电流波形可知 Z 源网络没有出现非正常工作状态即在非直通状态输入电流没有出现断续。

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文流波形畸变程度较为改善，总畸变率降为 34.26%。实验、仿真以及理论分析相吻合，零序回路中双逆变器产生的共模电压源抵消后零序电流在一定程度上可以被抑制，然而由于反电动势中三次谐波的存在使零序电流无法完全消除。60V/格逆变器1输出Ua1b12A/格A相电流i
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本文编号：2842932