关键词：
双三相永磁同步电机
矢量空间模型
矢量控制
多参数辨识
级联式无差拍预测控制
高频注入
无位置传感器控制
单相开路
自容错
摘要：
多相电机凭借着大功率输出、转矩脉动小、可靠性高等诸多优点在船舶推进、航空航天、电动汽车等可靠性要求严苛的场合得到广泛关注。得益于矢量空间模型,多相电机驱动系统控制可以简化为转矩空间的转速和磁链控制,这与三相电机驱动控制并无差异。多相电机因此可以沿用成熟的三相电机驱动控制技术,然而其空间维度优势对于多相电机驱动性能提升尚有待发掘。多相电机驱动系统的深入研究有利于其在船舶推进、航空航天等领域的推广应用和性能提升,因此具有重要的理论研究和工程应用意义。相比于其他多相电机,双三相永磁同步电机因良好的三相兼容性、高功率密度和功率因数等优势而备受关注。本文以双三相永磁同步电机驱动系统为研究对象,基于矢量空间模型的磁场定向控制基本框架,充分挖掘多空间维度优势——谐波空间,对系统建模、多参数辨识、无差拍模型预测控制,无位置传感器控制以及容错控制等方面进行深入分析,主体研究内容总结如下:
首先,针对任意相移角下双三相永磁同步电机,总结了双三相永磁同步电机的矢量空间模型、双dq模型以及二者相互转换关系。针对30度相移角下双三相永磁同步电机,将旋转变换扩展至矢量空间模型中谐波子空间,厘清了不同参考坐标系下两种模型间电压、电流、磁链等物理量转换关系。进一步,基于矢量空间模型和双dq模型之间转换关系,从双dq模型角度推导出任意相移角下双三相永磁同步电机的矢量空间模型及其变换矩阵。双三相永磁同步电机的不同建模方法和转换关系为后续电机控制方法设计奠定了坚实的基础。
其次,针对参数辨识方程欠秩问题与参数精度耦合问题,提出了基于位置偏移和高频方波电压扰动侵入的多参数辨识方法。针对两电平逆变器的非线性问题,结合双三相永磁同步电机多空间维度特点,提出基于谐波空间电流注入的误差电压幅值在线辨识和补偿方法;建立了考虑位置误差的双三相永磁同步电机方程,通过向两套三相绕组注入相反位置偏移将永磁磁链项引入到谐波空间,利用零谐波空间电流设置消除电阻和电感等参数影响从而实现永磁磁链的独立辨识;结合电机高频模型阐述了方波电压注入下高频正负序电流幅值的简易提取方法,提出了基于高频方波电压注入的电感辨识方法;推导了相电流幅值对称的谐波空间电流注入表达式,结合已辨识的电感参数,利用谐波空间电压方程最终完成定子电阻的辨识。
然后,针对无差拍预测控制方法参数不匹配下系统控制性能恶化、失去稳定的现象,提出了基于复合扰动观测器的双三相永磁同步电机级联无差拍预测控制方法。分析了传统电流无差拍预测控制方法下稳态电流误差的参数灵敏度,根据扰动时域高阶导数特征,提出了基于广义比例积分观测器和滑模观测器的复合型扰动观测器,提高了电流无差拍预测控制的参数鲁棒性。研究了包含转速滤波器、电流环等内部延迟环节的转速环预测模型,结合复合型扰动观测器解决了转速无差拍预测控制中参数不匹配,负载转矩未知等问题,提出了级联式转速无差拍预测控制方案。更进一步地,针对基于扰动观测器的无差拍预测控制环路进行离散域建模,探究了不同扰动观测器增益系数下系统参数变化范围。
再次,针对基于高频信号注入的传统无位置传感器控制方法中存在滤波器相位延迟,转矩纹波等局限,分别从信号注入频率、信号注入空间两个角度提出了适用于双三相内嵌式永磁同步电机的无位置传感器控制方法。一方面,针对内嵌式永磁同步电机建立高频电压注入下复矢量形式的位置观测模型,分析了正弦旋转电压注入下传统信号处理中滤波器相位延迟等局限,提出了任意频率正交方波电压注入下无相位延迟的位置信号提取方法;另一方面,研究了双三相内嵌式永磁同步电机谐波空间电机凸极性,修正了谐波空间位置观测模型,最后提出了基于谐波空间高频方波注入的双三相内嵌式永磁同步电机低转矩脉动无位置传感器控制。
最后,针对双三相永磁同步电机的单相开路故障,提出了无需提前故障诊断、系统重构少的自容错控制方法。分析了单相故障情况下两套三相绕组电流的相序分量,研究故障情况下转矩空间和谐波空间电流闭环控制目标的兼容性,分析了故障情况下转矩空间电流控制环路的电压扰动,厘清了传统控制方案开路故障情况下转矩纹波产生机理,并提出了基于陷波器、扰动观测器的自容错控制方法;探究了自容错控制框架下不同容错运行优化模式与谐波空间正序电流参考值的对应关系,推导以幅值比和相位偏移为中间变量的谐波空间正序电流参考值设置方法;比较了最小铜耗策略和最大转矩策略在转矩运行范围、铜耗等方面各自的优势,提出了适用于自容错控制的全转矩范围铜耗最小在线计算策略。作为通用控制方法,所提出的自容错控制方法不仅适用于系统正常工况和故障工况,而且降低了容错运行流程中故障诊断的优先级。
欢迎来到三峡大学图书馆！
