基于电压误差的五相内嵌式永磁同步电机两相开路多矢量模型预测容错控制

五相内嵌式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor, IPMSM)发生两相开路故障后,由于两相的缺失,重构后的电压矢量数目减少且分布不均,将影响模型预测控制(model predictive control, MPC)方法的预测精度.而现有的多矢量模型预测控制方法缺乏对电机两相故障工况下的分析.为此,针对两相开路故障,提出一种基于电压误差的多矢量模型预测控制方法.该方法的关键在于在扇区三角形内以等分线段的方式扩展电压矢量的组合,并且推导两相开路故障后的参考电压预测方程和电压误差价值函数来简化多个矢量选择和合成过程.该方法适用于故障工况下不对称形状的扇区,同时兼顾了内嵌式电机d-q轴电感不等的特性.最后通过实验验证该方法的动态、稳态性能和鲁棒性,该方法能实现五相内嵌式永磁同步电机的高品质两相开路容错运行.

基于虚拟方波注入的五相永磁同步电机开路故障下直接转矩控制

在传统直接转矩控制(DTC)中,参考磁链往往是一个固定值,这将导致五相永磁同步电机(PMSM)在正常及容错情况下运行时效率不高。为解决该问题,该文提出一种基于虚拟方波注入的DTC(VSWI-DTC)策略。首先,建立五相PMSM在正常和开路故障情况下的数学模型,在同步旋转坐标系中推导出恒定转矩下电流幅值与定子磁链幅值的关系。其次,设计最优定子磁链探测器。通过向定子磁链幅值中注入虚拟方波信号,根据电流幅值的变化情况补偿定子磁链幅值,在线探寻最优定子磁链幅值。最后,与无差拍DTC相结合,实现电机高效率DTC运行。实验结果表明,所提策略不但能保持DTC良好的动态性能,抑制开路故障引起的转矩脉动,而且提高了电机在正常和开路故障情况下的效率。

基于电流源型逆变器驱动的五相永磁同步电机控制策略研究

在现代电机驱动系统中,采用电流源型逆变器控制方案可有效提升系统可靠性,降低电机电流谐波含量,并提升电磁兼容性能。电流源型逆变器拓扑采用电感元件作为母线储能装置,对于功率回路中的短路故障具有较强的抵抗能力。同时,逆变器输出侧并联滤波电容网络,实现对高频谐波的旁路作用。该文对五相电流源型驱动系统控制策略进行研究,采用五相半桥型逆变器拓扑结构,电机绕组采用星型连接方式以限制零序电流,给出基波与谐波电流矢量空间分布特征,提出双平面矢量脉宽调制策略,有效抑制3次谐波电流。考虑到逆变器输出侧CL型负载可能引起的谐振问题,采用基于电机电流的有源阻尼策略,降低谐振电流分量,提升系统稳定性。最后,通过实验验证所提控制策略的有效性。

基于电流超前角弱磁控制的五桥臂逆变器驱动双三相永磁同步电机技术

五桥臂逆变器驱动双三相永磁同步电机(DTP-PMSM)可节约两个功率器件,也可作单相桥臂故障时的容错手段,但五桥臂逆变器驱动下电压利用率(VUF)降低,限制电机调速范围。为拓宽电机调速范围,对五桥臂驱动造成的电压、电流限制进行分析,基于新的电气约束情况,采用电流超前角弱磁控制进行弱磁升速。实验结果表明,电流超前角控制可以平滑进入弱磁I区,有效提升电机最高转速,证明了控制策略的有效性。

基于小波神经网络的六相永磁同步电机高阻连接状态感知策略

六相永磁同步电机具有缺相运行能力,因此必须对其高阻连接状态作出精准预判,以确保对故障线路实施有效切断,防止系统扰动引起保护误动作,并为容错控制提供可靠判据。基于矢量空间解耦方法建立了六相永磁同步电机完全解耦的数学模型,并建立其控制系统模型。采集正常状态与高阻连接状态下的电机信号,通过小波包分解提取其能量距特征,输入前向反馈神经网络进行离线训练,最后将其应用于剧烈变化工况下,在线感知高阻连接状态的发展态势。基于Matlab进行仿真,结果表明所提策略能够有效识别高阻连接状态,灵敏感知其发展态势,并在高阻故障发生前发出预警信号,同时对剧烈变化工况具有一定鲁棒性。

基于标幺化两相吸引律的永磁同步电机有限时间速度控制

针对带有负载力矩以及其他干扰的永磁同步电机(PMSM)调速系统,提出一种基于标幺化两相吸引律的PMSM有限时间速度控制方法。首先将被控转速误差标幺化以构造具有理想误差动态特性的两相吸引律;其次基于该两相吸引律设计速度控制器,同时设计有限时间扩张状态观测器估计系统中存在的未建模动态与外部干扰,实现了转速跟踪误差有限时间收敛;然后构造Lyapunov函数分析所提控制方法的稳定性;最后实验验证了所提方法的可行性。实验结果表明,所提方法能够实现快速、无超调的速度跟踪,具有良好的动、静态性能与抗干扰能力。

开绕组六相永磁同步电机模型预测电流控制

针对六相永磁同步电机模型预测电流控制中存在固有的共模电压较大和计算量繁重的问题,提出了一种开绕组六相永磁同步电机模型预测电流控制方法。首先,将六相永磁同步电机绕组的中性点打开并接入两个六相电压源逆变器,形成双逆变器馈电的开绕组结构,目的是抵消逆变器之间共模电压。其次,双逆变器馈电会产生繁多的电压矢量,从中选出具有零共模电压性质的矢量。在此基础上,又考虑了x-y平面的谐波电流问题和母线电压利用率的问题,将矢量集精简为一个包含7个电压矢量的控制集,减少了计算负担。最后,通过与现存的传统六相永磁同步电机模型预测电流控制方法进行对比仿真,证明了所提出方法的有效性。

五相永磁同步电机容错控制策略

针对多相电机驱动系统中常见的定子绕组开路故障,提出一种有效的容错电流控制策略。从矢量空间解耦的角度,推导出缺相故障状态下的坐标变换矩阵,建立了五相永磁同步电机(PMSM)在发生一相绕组开路故障时的解耦数学模型。根据同步旋转坐标系下的定子铜耗方程,通过对Z1-Z2子空间的电流设置不同的约束条件,得到相应的矢量控制方法。实验结果表明,该方法可以减小定子绕组开路故障引起的转矩脉动,使五相PMSM在故障状态下的运行性能得到明显改善,有效提高调速系统的可靠性能。

五相永磁同步电机多目标优化直接转矩控制算法

多相永磁同步电机驱动系统因具有体积小、噪声低、功率密度高等诸多优点,在低压、大功率输出及可靠性要求高的场合已得到了广泛关注和应用。该文以五相永磁同步电机为研究对象,分析并建立传统直接转矩控制(direct torque control,DTC)算法数学模型,在此基础上,以进一步优化转矩纹波及磁链轨迹,降低定子电流低次谐波为控制目标,结合空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)技术,提出改进DTC的定频多目标优化控制模型。该算法不仅保持了传统DTC快速的转矩控制动态响应,实现了开关频率恒定及转矩的无稳态误差,同时也兼顾了定子磁链以及相电流的优化控制。仿真和实验结果均表明该算法的正确性和有效性。

无差拍优化五相永磁同步电机有限集模型预测转矩控制算法

多相永磁同步电机驱动系统在低压大功率、高可靠性的应用场合日受青睐和瞩目。首先研究了适用于五相永磁同步电机系统的传统有限集模型预测转矩控制(finite-control-set model predictive torque control,FCS-MPTC)算法,为了消除d3-q3谐波子空间的低次电流谐波,构造了包含谐波项的目标函数。然后,为了减小FCS-MPTC算法实现时带来的巨大计算量,提出了一种基于转矩与磁链无差拍估算的每个控制周期内电压矢量控制集优化方法。所提算法不仅保持了传统FCS-MPTC算法优越的稳态性能、快速的动态响应和低次电流谐波抑制能力,同时显著减少了数字实现的运算量。最后,将所提算法分别与两种传统FCS-MPTC算法进行半实物实验对比分析,验证了所提算法的正确性和有效性。

一种基于优化占空比的五相永磁同步电机直接转矩控制算法

基于占空比的五相永磁同步电机直接转矩控制(direct torque control with duty ratio,DTC-DR)算法具有实现简单、动态响应快等优点,但其存在定子电流低次谐波含量较高的问题。虽然基于虚拟电压矢量集占空比优化的直接转矩控制(virtual voltage vectors based DTC-DR,V3-DTC-DR)算法可以有效地抑制低次谐波电流,但其降低直流母线电压利用率,电机调速范围受限。为解决上述低次谐波抑制与直流母线电压利用率不可兼顾的问题,该文提出一种基于优化占空比的直接转矩控制算法,不仅具有优越的稳态性能和良好的谐波抑制能力,同时与V3-DTC-DR算法相比,可提高约17%的直流母线电压利用率,即扩宽电机调速范围。最后,将所提算法与DTC-DR和V3-DTC-DR算法进行实验对比研究,实验结果验证所提算法的可行性和有效性。

三次谐波注入式五相永磁同步电机气隙磁势分析

为了研究气隙磁动势对电机性能和控制策略的影响,运用傅里叶分析和绕组函数的方法,推导五相永磁同步电机通入脉冲电流时绕组磁动势的数学表达式,揭示绕组中各次谐波电流所产生的谐波磁动势在幅值、频率和转速上的分布规律。在旋转坐标系下,建立含有三次谐波绕组的五相永磁同步电机的数学模型,并对三次谐波电流注入比的选取进行计算。计算结果表明,在不增加功率变换器容量的前提下,通过注入一定的三次谐波电流,可以在提高电机输出转矩的同时,降低电机定子铁心的磁饱和程度,提高电机的效率。

三次谐波注入式五相永磁同步电机矢量控制策略

从矢量空间解耦的观点出发,建立了含有3次谐波磁场的五相永磁同步电机(permanent magnetic synchronous motor,PMSM)在旋转坐标系下的数学模型,揭示了绕组中各次谐波电流对机电能量转换所产生的不同作用,通过注入一定含量的3次谐波激磁电流,可以在提高电机输出转矩的同时,降低电机定子铁心的磁饱和程度。根据谐波注入前后逆变器功率容量保持不变的原则,通过理论推导和仿真分析,得到了电机输出转矩随3次谐波注入率的变化趋势,为五相PMSM的优化设计和性能分析提供了理论基础。设计了基于转子磁场定向的五相PMSM矢量控制系统,实现了对基波和3次谐波电流的解耦控制。仿真和实验结果验证了方法的正确性和可行性。

基于SVPWM的五相永磁同步电机两相开路故障容错控制策略

针对五相永磁同步电机(PMSM)发生两相开路故障的情况,提出一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的容错控制策略。该控制策略通过对六个扇区的划分和六个非零电压矢量的重构来实现参考矢量的合成,同三相PMSM在正常工况下的SVPWM方法相似,计算简单,易于实现。利用该容错控制策略,可以在保证平均转矩的同时,大幅减小由定子绕组开路故障引起的转矩脉动,使五相PMSM在故障状态下的运行性能得到明显改善,有效提高调速系统的可靠性。仿真和实验结果表明采用该容错控制策略能够实现五相PMSM驱动系统在两相开路故障下的高品质运行。

三次谐波注入式五相永磁同步电机转矩密度优化

为了提高三次谐波注入式五相永磁同步电动机的转矩密度,通过理论推导及有限元分析方法,提出了在定子电流幅值不变的前提下,使转矩密度达到最优的三次谐波注入率优选方法。通过五维空间矢量解耦变换,得到了2个二维正交子空间d1-q1和d3-q3下的数学模型,并设计了双空间矢量控制系统,以实现对基波和三次谐波分量的解耦控制。设计了一台气隙磁场为梯形波的五相永磁同步电动机样机及其五相电压源逆变器驱动系统,在单片XC3S1200E型号的FPGA中实现了双空间矢量控制数字算法,实验结果表明所提出的双空间矢量控制算法可以独立控制基波和三次谐波电流。在不增加功率变换器容量和电机本体尺寸的前提下,通过三次谐波注入率的优选,可将五相电机的转矩密度提高约20%。

五相永磁同步电机缺相运行的建模与控制

为提高五相永磁同步电机(PMSM)控制系统的可靠性,减小定子绕组发生开路故障时电机输出转矩的脉动分量,提出了五相PMSM缺相运行时的容错控制策略。从矢量空间解耦的角度,建立了含有3次谐波磁场的五相PMSM缺相运行时的数学模型。根据瞬时功率守恒原理,对故障前后的电磁转矩进行分析,提出了平均转矩保持不变的容错控制策略,通过重新分配各相电流的幅值和相位,实现了控制系统的满负荷运行;为了使电机在缺相故障时仍能提供平滑转矩,提出了脉动转矩保持为零的容错控制策略,实现了控制系统的无扰运行。采用转子磁场定向的方法,通过对旋转坐标系下的交直轴电流和零序电流进行控制,实现了对电机输出转矩的补偿。实验结果表明,所提出的容错控制算法能够有效改善五相PMSM在定子绕组发生开路故障时的运行性能。

五相永磁同步电机磁链改进型容错直接转矩控制

针对五相永磁同步电机驱动系统中开路故障导致转矩脉动大且动态性能差的问题,提出一种磁链改进型容错直接转矩控制策略。该策略基于故障前后磁动势不变原则,推导故障状态下的推广克拉克(Clarke)变换矩阵,建立五相永磁同步电机故障时的数学模型。在此基础上,设计一个系数修正定子磁链,使其与正常运行时一致。根据铜损最小原则,优化定子容错电流,同时采用基于零序电压谐波注入式脉宽调制技术,实现了电机转矩和定子磁链的准确控制。实验结果表明,该容错DTC策略能提高电机开路故障情况下转矩的稳态和动态性能,实现五相永磁同步电机的无扰运行。

基于自适应滑模观测器的五相永磁同步电机无位置传感器控制

由于三次谐波的影响,三相永磁同步电机的无位置传感器控制方法无法直接应用于五相永磁同步电机无位置传感器控制。在考虑三次谐波电压和电流的条件下,提出一种基于自适应滑模观测器的五相永磁同步电机无位置传感器控制方法。该方法首先利用带三次谐波的五相永磁同步电机模型设计了滑模观测器,并用sigmoid函数代替一般滑模观测器常用的符号函数作为观测器的开关函数,以减小滑模抖动并获得更为准确的反电势当量信号。其次设计了反电势自适应观测器以估计电机转速和位置信号,消除了常规无位置传感器控制系统中所必需的低通滤波器和相位补偿单元,提高了转速和位置信号的估计精度。此外,利用李雅普诺夫准则,证明了所设计的滑模观测器和反电势自适应观测器的稳定性,并利用Matlab/Simulink进行了仿真实验。仿真结果显示,与常规滑模观测器相比,所提出的自适应滑模观测器在五相永磁同步电机无位置传感器控制系统中抖动更小,转速和位置估计误差更小,反电势估计更为准确,具有较强的鲁棒性。

考虑去磁效应的五相永磁同步电机优化开关表直接转矩控制算法

多相永磁同步电机驱动系统因具有体积小、噪声低、功率密度高等诸多优点,在低压、大功率输出及可靠性要求高的场合已得到了广泛关注和应用。基于开关表的直接转矩控制(switching table direct torque control,ST-DTC)算法具有结构简单、转矩动态响应快、对电机参数依赖性低等优点,然而将其直接扩展应用于多相系统会造成较大的转矩脉动以及谐波电流。因此,该文在传统ST-DTC算法的基础上,首先将开关表中的电压矢量集重构为虚拟矢量集,用以消除定子电流的低次谐波,其次深入研究了电机中低速运转时由于定子电阻造成的去磁效应,并且重新设计了开关表用以克服该问题,保证了电机磁链的控制需求,最后根据电机的转矩脉动规律采用多阶非对称结构的滞环比较器,优化了转矩纹波。实验结果表明了所提算法的正确性和有效性。

基于双频矢量调制的五相永磁同步电机四维电流控制方法

五相永磁同步电机驱动系统中,由于多相电机的非线性及逆变器的死区效应,传统最近四矢量实现的二维电流控制无法控制谐波子空间的谐波电流。为更好地控制五相电机的谐波电流,需要对五相永磁同步电机采用四维电流控制,其不仅可实现谐波电流的抑制也可通过控制电流提升转矩输出。针对双平面电压调制方法,提出一种基于空间矢量调制的双频矢量调制法及两种结合方式(M1和M2),其能有效解决脉宽调制波形非中心对称及调制比受调制周期限制的问题。分析五相永磁同步电机四维电流控制策略,以两种双频矢量结合方式进行仿真,对不同相差下的调制比进行深入分析,并给出调制比的详细分布,验证了双频矢量调制方式对调制比的提升作用。最后通过实验验证双频矢量调制方式的正确性和可行性,验证了基于双频矢量调制的四维电流控制对谐波电流抑制及死区补偿的有效性。