基于无位置传感器的五相容错型IPM电机直接转矩控制研究

发布时间：2020-03-18 12:53

【摘要】：电动汽车具有污染小、效率高等优势,是实现经济社会可持续发展战略之选。永磁同步电机以其节能、功率密度大、调速范围宽等优势,适用电动汽车驱动系统。五相永磁同步电机的优势在于较小转矩脉动、高可靠性以及多维度系统带来的更丰富控制策略等,并且控制原理可以类比于传统永磁同步电机。转子响应时间能尽可能短是电动汽车电机的动态性能指标中不可或缺的,直接转矩控制(DTC)以转矩为直接控制对象,转矩响应快,鲁棒性强,但传统DTC控制方法存在转矩脉动问题。本文对五相容错型IPM电机提出一种改进型直接转矩控制策略,而实现该控制需要使用位置传感器,增加的器件则会降低系统可靠性,针对该问题,本文对基于无位置传感器的五相容错型IPM电机驱动系统开展研究。首先,概述课题研究背景及研究意义,综述多相容错型IPM电机国内外研究现状、永磁同步电机控制策略、多相电机直接转矩控制及无位置传感器控制研究现状。其次,分析五相容错型IPM电机工作原理,建立该电机的数学模型。介绍了直接转矩控制和矢量控制,分析基于SVPWM的DTC控制方法(SVM-DTC)。采用Matlab/Simulink构建五相容错型IPM电机直接转矩控制仿真模型,对仿真结果作分析。接着,理论分析永磁同步电机无位置传感器技术,零低速运行选择旋转高频电压注入法,中高速运行使用滑模观测器算法估算电机转子位置和转速信号。采用sigmoid函数替换传统开关函数抑制抖振;采用反电势观测器替代滤波器以获取反电势信息,降低相位延迟;采用加权切换算法实现两种算法的平滑切换控制。构建无位置传感器的五相容错型IPM电机直接转矩控制仿真模型,对仿真结果作分析。最终,基于dSPACE构建了该基于无位置传感器的五相容错型IPM电机直接转矩控制系统的软硬件实验平台,以实验验证所提控制方法的有效性,为实际应用奠定理论基础。
【图文】：

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东南大学工程硕士学位论文矩有高频低幅值脉动。自 20 世纪 80 年代始，，University of Wisconsin-Madison、The Universityof Sheffield 以及 Texas A&M University 等基础科学研究机构基于该领域内的相关问题进行了深入的探索，成果颇丰。1980 年，T. M. Jahns 采取增加电机冗余相数，以提高传动系统的容错能力[4]，并设计六相鼠笼式感应电机展开验证。但受制于当时落后的技术水平，比三相驱动系统控制更为繁杂的多相电机控制方案也难以实现，研究进展缓慢。进入 90 年代后，University ofWisconsin-Madison 学者 T. A. Lipo 针对多相感应电机的矢量控制和电机解耦的本体建模开展了大量研究，Texas A&M University 学者 H. A. Toliyat 优化相电流控制以削减容错运行的转矩脉动[5-9]。1995 年，英国 Newcastle University 的教授 B. C. Mecrow 给出多相容错电机的概念[10-11]，采用电机中电、磁、热及物理隔离以提高电机的容错性能。基于该设计理念，Professor B. C.Mecrow 开发了一台四相六极永磁同步电机，具备容错能力[12]，如图 1-1 所示，该机永磁部分设计用 Halbach 结构优化气隙磁密波形，降低谐波含量，并成功应用于飞机燃油泵系统。

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ecrow 开发了一台四相六极永磁同步电机，具备容错能力[12]，如图 1-1 所示，该机永磁设计用 Halbach 结构优化气隙磁密波形，降低谐波含量，并成功应用于飞机燃油泵系统（a）四相定子实物（b）六极转子实物图 1- 1 四相永磁容错电机进入本世纪，2009 年，T. A. Lipo 教授基于五相六极模型研究模块化结构的永磁同步，图 1-2 为例图，电机的永磁体采用了软磁复合材料，同时模块化的设计结构，使得电生产过程更适合流水化作业，且组装拆卸简单，有利于电机故障后的快速及时维修，而块化的电机结构使其具有较高的槽满率以及材料利用率[13-14]。在研究过程中，为了验证计电机的运行性能及其容错性能，分别进行了正常工况以及故障状态下的实验分析[15]。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM341

【参考文献】