开绕组FTFSCW-IPM驱动系统容错控制研究

发布时间：2017-08-19 05:14

  本文关键词：开绕组FTFSCW-IPM驱动系统容错控制研究

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【摘要】：随着全球化石燃料日益枯竭和温室效应、雾霾等环境问题日益严重,电动汽车受到越来越多的关注。而电动汽车系统的高可靠运行是制约电动汽车普及的一个重要因素。因为电机驱动系统是电动汽车的核心部分,所以研究如何提高电机驱动系统的可靠性对推动电动汽车的发展显得十分必要和紧迫。电机驱动系统主要包括逆变器及其控制电路和电机,传统逆变器系统一般采用两电平逆变器供电方式,其输出电压谐波含量较大,直流电压利用率较低,对于单管开路故障、绕组断路等故障不具有容错运行能力。与两电平逆变器不同,多电平逆变器系统具备输出电压谐波含量小,直流电压利用率高,容错能力强等优点,正逐渐被应用到电动汽车的电机系统中。容错型分数槽集中绕组内嵌式永磁电机(Fault-tolerant fractional-slot concentrated winding interior permanent magnet motor, FTFSCW-IPM)因其结构简单、功率密度高、短路隔离能力强而被广泛应用于航天、电动汽车等领域,其中新型开绕组结构FTFSCW-IPM还具有多电平特性、运行方式灵活、可靠性高等优点更具有应用前景。结合开绕组结构电机与容错型分数槽集中绕组电机各自的优点,本文拟针对不同电源供电下,对双逆变器驱动系统的容错控制进行深入研究。本文所提出的容错控制策略,均在Matlab/Simulink环境中建立了仿真模型,并基于Dspace1104半实物仿真平台进行了实验验证。论文的研究内容主要包括以下几方面：1)介绍了本课题的研究背景及意义、国内外电机驱动系统故障诊断及容错控制的研究现状以及开绕组电机控制系统的研究概况。详细地分析了开绕组容错型分数槽集中绕组内嵌式永磁同步电机驱动系统的拓扑结构和工作原理,在此基础上就双电源供电开绕组电机控制系统控制方式及空间矢量调整算法进行分析,重点对驱动系统出现单管开路故障容错进行分析及研究,针对单管开路故障提出了一种新的分区调制算法,实现容错运行并兼顾功率平衡。基于MATLAB/Simulink平台搭建了基于双电源开绕组驱动系统仿真模型,对所提策略进行仿真验证。2)针对双电源供电下开绕组驱动系统单桥臂开路故障,提出了一种基于解耦调制容错控制算法,实现了容错运行,并对该容错算法下的电源中点偏移问题提出了一种电流反馈抑制方法,并在MATLAB/Simulink环境中验证了所提策略的有效性。3)针对单电源供电下的开绕组驱动系统正常运行时存在的环流问题,对传统抑制环流的调制方法进行了简化,在不影响控制效果的前提下,降低了算法的实现复杂度。基于MATLAB/Simulink平台搭建了基于单电源开绕组驱动系统仿真模型,通过仿真验证了所提出的精简调制算法有效性。4)针对传统容错控制调制方法降低了驱动系统输出能力的问题,本文提出了一种优化调制算法。该方法能够实现缺相故障后的容错运行,且实现剩余矢量的最大化利用,提高故障后的驱动系统输出能力。5)搭建基于dSPACE1104的开绕组电机驱动系统控制实验平台,设计了主电路及辅助电路,对本文控制策略进行实验验证,表明实验结果和仿真结果一致,验证了所提策略的有效性。
【关键词】：容错型分数槽集中绕组内嵌式永磁电机 开绕组 功率平衡 容错控制 空间矢量调制
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-20
• §1.1 课题背景及意义10
• §1.2 电动汽车驱动电机研究现状及发展趋势10-12
• §1.3 开绕组电机驱动系统控制方法及调制策略研究现状12-13
• §1.4 驱动系统故障诊断及隔离技术研究现状13-16
• §1.4.1 驱动系统故障诊断技术14-15
• §1.4.2 驱动系统故障隔离技术15-16
• §1.5 驱动系统容错控制策略研究现状16-19
• §1.6 本文主要研究内容19-20
• 第2章 开绕组FTFSCW-IPM数学模型及其控制策略20-28
• §2.1 引言20
• §2.2 FTFSCW-IPM电机结构和工作原理20-21
• §2.3 开绕组FTFSCW-IPM的三相坐标系数学模型21-23
• §2.4 开绕组FTFSCW-IPM电机的旋转坐标系数学模型23-25
• §2.5 开绕组FTFSCW-IPM电机的控制策略25-26
• §2.5.1 恒压频比控制25
• §2.5.2 直接转矩控制25-26
• §2.5.3 矢量控制26
• §2.6 脉宽调制策略26-27
• §2.7 本章小结27-28
• 第3章 双电源供电开绕组FTFSCW-IPM容错控制研究28-50
• §3.1 引言28
• §3.2 双逆变器驱动系统运行基本原理28-29
• §3.3 双逆变器驱动系统正常运行工况29-36
• §3.3.1 基于60度坐标系调制算法30-31
• §3.3.2 基于三相坐标系调制算法31-34
• §3.3.3 仿真分析34-36
• §3.4 双逆变器驱动系统单管开路容错分析36-42
• §3.4.1 单管开路故障分析37-38
• §3.4.2 单管开路故障容错分析38-40
• §3.4.3 单管开路故障容错仿真40-42
• §3.5 双逆变器驱动系统单桥臂开路容错分析42-48
• §3.5.1 单桥臂开路故障分析42
• §3.5.2 单桥臂开路故障容错分析42-46
• §3.5.3 单桥臂开路故障容错仿真46-48
• §3.6 本章小结48-50
• 第4章 单电源开绕组FTFSCW—IPM容错控制研究50-66
• §4.1 引言50
• §4.2 单电源双逆变器驱动系统拓扑结构原理50-51
• §4.3 单电源双逆变器驱动系统调制技术概述51-55
• §4.3.1 零序电流产生原因51-52
• §4.3.2 零序电流抑制52-55
• §4.4 单电源双逆变器驱动系统缺相故障容错研究55-61
• §4.4.1 缺相故障分析55-57
• §4.4.2 缺相故障容错研究57-61
• §4.5 单电源双逆变器驱动系统缺相故障容错仿真61-65
• §4.5.1 正常运行工况仿真61-63
• §4.5.2 缺相故障容错运行工况仿真63-65
• §4.6 本章小结65-66
• 第5章 基于开绕组FTFSCW-IPM控制系统的软硬件设计66-76
• §5.1 引言66
• §5.2 基于dSPACE1104控制平台66-68
• §5.2.1 Real-time Workshop组件66-67
• §5.2.2 RTI组件67
• §5.2.3 Controldesk控制面板67-68
• §5.2.4 基于dSPACE控制面板开发步骤68
• §5.3 控制平台外围电路设计68-75
• §5.3.1 功率器件选择69
• §5.3.2 IGBT驱动电路69-72
• §5.3.3 电流采样电路72-73
• §5.3.4 电压采样电路设计73-74
• §5.3.5 转子位置信号处理电路74-75
• §5.4 本章小结75-76
• 第6章 实验验证分析76-84
• §6.1 引言76-77
• §6.2 电机特性实验验证77
• §6.3 双电源供电开绕组FTFSCW-IPM容错控制实验验证77-81
• §6.3.1 单管开路故障容错实验77-79
• §6.3.2 单桥臂开路故障容错实验79-81
• §6.4 单电源供电开绕组FTFSCW-IPM容错系统实验验证81-83
• §6.4.1 共模电流抑制实验81
• §6.4.2 缺相故障容错实验81-83
• §6.5 本章小结83-84
• 第7章 总结与展望84-86
• §7.1 全文总结84-85
• §7.2 课题展望85-86
• 参考文献86-90
• 攻读硕士研究生期间学术成果90-91
• 致谢91

【参考文献】

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本文编号：698863