基于模型预测控制的永磁同步电机驱动系统开路故障诊断研究
发布时间：2021-01-14 18:17
由于永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor,PMSM）具有功率密度高、转矩密度高、效率高等优良特性,并且随着稀土永磁材料性能的提高、成本的降低以及电力电子技术的快速发展,使得PMSM在电动汽车、风力发电、轨道交通等领域得到了广泛关注。但是PMSM工作的环境比较恶劣,如高温、潮湿等环境下,往往会导致PMSM发生故障。驱动系统开路故障是PMSM驱动系统中一种常见的故障,若不能及时地监测到该种故障,很可能会导致电机系统的二次故障,甚至导致更大的经济损失。因此,对PMSM驱动系统进行故障诊断研究有着重大的科学意义和经济效益。而传统的电机驱动系统开路故障诊断方法虽然较为成熟,但对设备安装要求高、系统复杂,导致了成本增加。因此,研究一种新的、易操作的、节约成本的电机驱动系统开路故障诊断方法具有重要意义。近年来,模型预测控制技术因其结构简单、动态性能优越,在电机驱动和控制领域被广泛应用。模型预测控制就是根据系统当前状态和数学模型预测出系统未来的状态,再根据期望值进行在线寻优的控制算法。现阶段,对基于常规控制（如矢量控制,直接转矩控制等）的PMSM系统故障诊...
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
表贴式永磁体结构图
安徽大学硕士学位论文7电机转子的内部，又将其称为凸极式，其结构图如图2.2所示，凸极式电机制造工艺比较简单，并且因为相邻磁体之间气隙不均匀，或者存在铁镍材料，导致磁阻的存在，从而使得交直轴的磁阻不同，即Ld≠Lq。图2.1表贴式永磁体结构图图2.2内置式永磁体结构图2.1.2PMSM的工作原理按照使用功能的不同，永磁同步电机既可以作为发电机使用，也可以作为电动机使用，这二者是两种截然不同的工作原理。如果将PMSM作为发电机使用，通过外部动能使得电机转子转动，就会使得固定在转子上的永磁体会随着转子转动而旋转，并在电机内部产生一种旋转磁常三相绕组在磁场中做切割磁感线运动，通过磁生电的工作原理，绕组上会产生三相对称电流，从而达到一种机械能向电能的转化过程。如果将PMSM作为电动机使用，是先将绕在定子上的三相绕组通以三相对称电流，或给定三相且互成120°对称的三相电压。由于绕组在定子的摆放位置存在角度差和三相电流的相位差，通过电生磁的原理，在电机内部产生了交变旋转磁场，这种磁场会和永磁体在内部产生的固定磁场发生相互作用，从而转子转动，将电能化为机械能。本课题此次利用的就是PMSM的电动机工作原理。2.1.3PMSM在同步旋转坐标系dq轴下的数学模型由永磁同步电机的结构可知，电机内部的永磁体是固定在转子上。当转子在不停地运动时，电机内部的磁场方向也在时刻发生着变化，这样也就导致了PMSM在自然坐标系ABC轴下的数学模型复杂，难于解耦。于是众多研究者为了便于控制器的设计，达到更好的控制PMSM的目的，把自然坐标系下复杂的数学模型利用坐标变换原则转换成两相同步旋转坐标系下简单的数学模型，将其模拟成直流电机控制系统。同步旋转坐标系下，PMSM定子电压方程可以表示为：
第二章PMSM的模型预测电流控制8qqeddddiLiwdtdLRiu(2.1))(fddeqqqqiLiwdtdLRiu(2.2)其中，d、q下标表示分别在d轴和q轴分量，u表示定子电压，i表示定子电流，R表示定子电阻，L表示电感，Ψ表示定子磁链，we表示电角速度，Ψf表示永磁体磁链。可以从(2.30)、(2.31)式中看出，在d-q轴坐标系下，PMSM定子电压的数学模型已经实现了完全解耦。在同步旋转坐标系d-q轴下，电磁转矩方程可以表示为：])([23fqddqnLLiipTe(2.3)其中Pn为电机的极对数。在同步旋转坐标系下d-q轴，机电运动方程可以表示为：dtdwpJTTrnLe(2.4)其中，Te为电磁转矩，TL为负载转矩。2.2模型预测电流控制作用机理模型预测电流控制（ModelPredictivecurrentcontrol，MPCC）是一种发展迅猛的新型控制算法，具有显著的优点，比如它的概念直观、易于建模、无需精确模型和复杂控制参数的设计，而且相比于模型预测转矩控制，又避过了权重系数设计问题。该算法就是根据当前系统的状态对未来时刻运行状态进行估计，然后进行滚动优化，将优化得到的值作用于下一个时刻的状态，从而对系统进行更好的控制。MPCC算法控制策略可以用图2.3表示。图2.3模型预测电流控制简图
【参考文献】：
期刊论文
[1]电机驱动系统开路故障诊断技术[J]. 夏玲芳,周骏贵,马灿,徐宏艳. 集成电路应用. 2020(02)
[2]永磁同步电机驱动系统逆变器故障诊断研究[J]. 彭伟发,黄苏融. 太阳能学报. 2019(07)
[3]计及模型预测控制的永磁同步电机匝间短路故障诊断[J]. 丁石川,王清明,杭俊,花为,王群京. 中国电机工程学报. 2019(12)
[4]基于电压矢量优化的磁通反向永磁电机模型预测转矩控制[J]. 殷芳博,花为,黄文涛,周志强. 中国电机工程学报. 2017(22)
[5]考虑定位力矩补偿的磁通切换永磁电机模型预测转矩控制方法[J]. 黄文涛,花为,於锋. 电工技术学报. 2017(15)
[6]永磁同步电机及其驱动系统故障处理与容错机制研究综述[J]. 魏书荣,黄苏融,符杨,张琪,高瑾. 电力自动化设备. 2016(10)
[7]三相变频驱动系统中逆变器的故障诊断与容错技术[J]. 张兰红,胡育文,黄文新. 电工技术学报. 2004(12)
[8]PWM逆变器主电路故障诊断研究[J]. 崔博文,周继华,谢琳. 电工技术杂志. 2001(07)
硕士论文
[1]开绕组电机驱动系统的开关管故障诊断及容错控制算法研究[D]. 孙小晗.合肥工业大学 2019
[2]基于支持向量机多分类器的永磁同步电机故障诊断系统研究[D]. 梁洪.电子科技大学 2019
[3]基于变分模态分解的永磁同步电机故障诊断研究[D]. 李皓.安徽大学 2019
[4]基于信号注入的永磁同步电机定子绕阻不对称故障诊断[D]. 董天福.安徽大学 2018
[5]PMSM驱动系统开路故障诊断及容错控制[D]. 高岩.合肥工业大学 2013
[6]电动汽车用永磁同步电机的故障诊断[D]. 杜博超.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：2977303
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
表贴式永磁体结构图
安徽大学硕士学位论文7电机转子的内部，又将其称为凸极式，其结构图如图2.2所示，凸极式电机制造工艺比较简单，并且因为相邻磁体之间气隙不均匀，或者存在铁镍材料，导致磁阻的存在，从而使得交直轴的磁阻不同，即Ld≠Lq。图2.1表贴式永磁体结构图图2.2内置式永磁体结构图2.1.2PMSM的工作原理按照使用功能的不同，永磁同步电机既可以作为发电机使用，也可以作为电动机使用，这二者是两种截然不同的工作原理。如果将PMSM作为发电机使用，通过外部动能使得电机转子转动，就会使得固定在转子上的永磁体会随着转子转动而旋转，并在电机内部产生一种旋转磁常三相绕组在磁场中做切割磁感线运动，通过磁生电的工作原理，绕组上会产生三相对称电流，从而达到一种机械能向电能的转化过程。如果将PMSM作为电动机使用，是先将绕在定子上的三相绕组通以三相对称电流，或给定三相且互成120°对称的三相电压。由于绕组在定子的摆放位置存在角度差和三相电流的相位差，通过电生磁的原理，在电机内部产生了交变旋转磁场，这种磁场会和永磁体在内部产生的固定磁场发生相互作用，从而转子转动，将电能化为机械能。本课题此次利用的就是PMSM的电动机工作原理。2.1.3PMSM在同步旋转坐标系dq轴下的数学模型由永磁同步电机的结构可知，电机内部的永磁体是固定在转子上。当转子在不停地运动时，电机内部的磁场方向也在时刻发生着变化，这样也就导致了PMSM在自然坐标系ABC轴下的数学模型复杂，难于解耦。于是众多研究者为了便于控制器的设计，达到更好的控制PMSM的目的，把自然坐标系下复杂的数学模型利用坐标变换原则转换成两相同步旋转坐标系下简单的数学模型，将其模拟成直流电机控制系统。同步旋转坐标系下，PMSM定子电压方程可以表示为：
第二章PMSM的模型预测电流控制8qqeddddiLiwdtdLRiu(2.1))(fddeqqqqiLiwdtdLRiu(2.2)其中，d、q下标表示分别在d轴和q轴分量，u表示定子电压，i表示定子电流，R表示定子电阻，L表示电感，Ψ表示定子磁链，we表示电角速度，Ψf表示永磁体磁链。可以从(2.30)、(2.31)式中看出，在d-q轴坐标系下，PMSM定子电压的数学模型已经实现了完全解耦。在同步旋转坐标系d-q轴下，电磁转矩方程可以表示为：])([23fqddqnLLiipTe(2.3)其中Pn为电机的极对数。在同步旋转坐标系下d-q轴，机电运动方程可以表示为：dtdwpJTTrnLe(2.4)其中，Te为电磁转矩，TL为负载转矩。2.2模型预测电流控制作用机理模型预测电流控制（ModelPredictivecurrentcontrol，MPCC）是一种发展迅猛的新型控制算法，具有显著的优点，比如它的概念直观、易于建模、无需精确模型和复杂控制参数的设计，而且相比于模型预测转矩控制，又避过了权重系数设计问题。该算法就是根据当前系统的状态对未来时刻运行状态进行估计，然后进行滚动优化，将优化得到的值作用于下一个时刻的状态，从而对系统进行更好的控制。MPCC算法控制策略可以用图2.3表示。图2.3模型预测电流控制简图
【参考文献】：
期刊论文
[1]电机驱动系统开路故障诊断技术[J]. 夏玲芳,周骏贵,马灿,徐宏艳. 集成电路应用. 2020(02)
[2]永磁同步电机驱动系统逆变器故障诊断研究[J]. 彭伟发,黄苏融. 太阳能学报. 2019(07)
[3]计及模型预测控制的永磁同步电机匝间短路故障诊断[J]. 丁石川,王清明,杭俊,花为,王群京. 中国电机工程学报. 2019(12)
[4]基于电压矢量优化的磁通反向永磁电机模型预测转矩控制[J]. 殷芳博,花为,黄文涛,周志强. 中国电机工程学报. 2017(22)
[5]考虑定位力矩补偿的磁通切换永磁电机模型预测转矩控制方法[J]. 黄文涛,花为,於锋. 电工技术学报. 2017(15)
[6]永磁同步电机及其驱动系统故障处理与容错机制研究综述[J]. 魏书荣,黄苏融,符杨,张琪,高瑾. 电力自动化设备. 2016(10)
[7]三相变频驱动系统中逆变器的故障诊断与容错技术[J]. 张兰红,胡育文,黄文新. 电工技术学报. 2004(12)
[8]PWM逆变器主电路故障诊断研究[J]. 崔博文,周继华,谢琳. 电工技术杂志. 2001(07)
硕士论文
[1]开绕组电机驱动系统的开关管故障诊断及容错控制算法研究[D]. 孙小晗.合肥工业大学 2019
[2]基于支持向量机多分类器的永磁同步电机故障诊断系统研究[D]. 梁洪.电子科技大学 2019
[3]基于变分模态分解的永磁同步电机故障诊断研究[D]. 李皓.安徽大学 2019
[4]基于信号注入的永磁同步电机定子绕阻不对称故障诊断[D]. 董天福.安徽大学 2018
[5]PMSM驱动系统开路故障诊断及容错控制[D]. 高岩.合肥工业大学 2013
[6]电动汽车用永磁同步电机的故障诊断[D]. 杜博超.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：2977303
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