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。

MP-MMC驱动六相永磁同步发电机负载转矩观测前馈滑模控制

六相永磁同步发电机(PMSG)谐波含量较低、解耦方法成熟且稳定性强,具有广阔的应用前景。为提升六相PMSG负载转矩突变时的动态性能,增强系统的抗干扰能力,提出了一种利用负载转矩观测值前馈补偿的策略。首先,采用滑模观测器观测负载转矩,观测器滑模面设计为实际转速与观测转速之差,在观测过程中滤除了抖振信号,且未引起相位和幅值变化;其次,将负载转矩观测值按比例前馈至电流环给定值,弥补滑模控制器不连续项幅值不足的问题;再次,针对前馈比例常数过大导致转速无法快速稳定在给定值的问题,将前馈比例系数设为可变值;最后,基于Matlab/Simulink建立了多相模块化多电平换流器(MP-MMC)驱动六相PMSG负载转矩观测前馈滑模控制的仿真模型,对所提策略进行验证。仿真结果表明滑模观测器可准确观测负载转矩,前馈补偿策略有效抑制了负载突变引起的转速波动。

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Motor-CAD的六相容错永磁同步电机仿真设计

为检验六相永磁同步电机的工作性能,对永磁同步电机的结构与特点进行分析,确定了其定转子内外径尺寸、气隙、槽型、轴向长度、极槽数等主要参数;基于Motor-CAD电机仿真软件,对六相容错永磁同步电机进行电磁计算,分析了不同齿宽、槽圆角半径、槽数、永磁体弧长下电机转矩脉动、齿槽转矩的变化,得到了转速为1500 r/min下的转矩脉动、齿槽转矩、电机最大可能转矩等电机性能指标,并采用螺旋水道水冷方式对电机进行冷却设计,求解出电机各部分的温度数据。通过仿真实验发现,设计的电机符合转矩和温度要求。

五相永磁同步电机的分数阶滑模模型预测转矩控制

为了提高五相永磁同步电机控制系统的性能,本文提出了适用于五相永磁同步电机谐波子空间的目标函数构造方法。采用有限集模型预测转矩控制策略,并基于分数阶滑模变结构理论提出了不确定非线性的分数阶速度控制器。仿真结果表明:该控制方法具有减小电机转矩、磁链脉动的效果,同时也提高了空子系统跟随精度;减小了速度超调和响应时间,提高系统稳定性。采用基于分数阶滑模控制的五相永磁同步电机的有限集模型预测转矩控制优化策略具有较强的负载鲁棒性,有良好的动态性能和静态性能,优化的控制系统提高了电机的输出性能和可靠性。

无电解电容五相永磁同步电机驱动系统主动阻尼控制策略

无电解电容电机驱动系统具有体积小、寿命长、可靠性高的优点。然而采用薄膜电容的电机驱动系统可能会出现直流母线电压不稳定的问题,主要表现为薄膜电容与网侧电感容易产生LC谐振导致直流母线电压出现过电压现象,且现有的谐振抑制策略广泛应用于三相电机,而对于五相永磁同步电机的无电解电容谐振抑制策略应用较少。为此,针对五相永磁同步电机提出一种主动阻尼的谐振抑制策略。首先基于简化驱动电路的传递函数分析了系统的不稳定性和LC谐振并构建五相永磁同步电机数学模型;其次介绍了主动阻尼电流具体的实现方式;最后将阻尼电流转化为电压指令构建反馈回路实现母线电压谐振抑制,并在仿真中验证了该方法的有效性。

基于容错齿磁通的五相永磁电机匝间短路故障诊断

匝间短路故障是一种常见的电机绕组故障,具有危害大、易扩散、诊断难的特点,是多相容错永磁同步电机研究过程中关注的重点。该文以一台高故障隔离能力五相永磁同步电机为基础,对基于齿磁通的故障诊断方法进行了研究。建立了五相永磁同步电机定子磁路模型,给出了匝间短路故障对绕线齿及容错齿磁通的影响规律。研究了不同绕制方式下探测线圈感应电动势随电机运行状态的变化规律,对各绕制方案的故障识别能力、故障灵敏度、复杂程度等进行了综合评价,提出基于容错齿磁通的匝间短路故障诊断方法,给出基于故障标志αi的故障识别和定位方法。研究表明,当电机发生匝间短路故障时,故障相αi值明显降低,剩余健康相αi值接近于1,根据这一特征可以对故障进行准确识别和定位。该方法不依赖傅里叶变换、不受负载和电机转速影响,具有准确度高、鲁棒性强的优点。该文进一步分析了槽口宽度、容错齿长度对故障敏感度和电机性能的影响,给出兼顾高低匝数短路故障诊断灵敏度和电机性能的尺寸选取方法。

基于旋转高频电压注入的六相串联三相永磁同步电机系统转子初始位置解耦观测

用一台逆变器驱动两台永磁同步电机串联系统,可以通过控制不同平面的电压矢量实现对两台电机的独立解耦控制。该文提出在一台六相逆变器的六相平面和三相平面下同时注入旋转高频电压信号,通过解调静止坐标系下电流响应的负序分量来分别获得两台电机的转子初始位置角。同时为了提高观测精度,利用解调电流响应中正序分量所获得的误差角对解耦获得的转子初始位置角进行补偿。此外,对于六相串联三相永磁同步电机(PMSM)系统,考虑到系统中两台电机的浅磁饱和特性,在极性判断中利用了与传统单台永磁同步电机相反的结果来进行判断。根据该文所设计的旋转高频电压注入法,可以实现两台电机转子初始位置解耦观测。六相PMSM和三相PMSM的估计误差绝对值的平均值分别为3.72°和1.81°。最后,实验验证了所提观测算法的有效性。

采用贝叶斯优化和多尺度卷积网络的五相永磁同步电机匝间短路诊断

传统神经网络算法虽成功应用于永磁电机的匝间短路故障诊断中,但其在噪声干扰下难以提取出足够的故障特征量,且依靠经验选取的模型超参数无法达到性能最优,限制了其应用范围。为此,提出了一种采用贝叶斯优化的多尺度卷积神经网络算法,并将其用于五相永磁同步电机早期ITSC故障诊断。首先,使用多尺度卷积神经网络采集足够的故障特征。其次,引入贝叶斯优化算法实现模型超参数全局寻优,节省调参时间。最后,该算法通过提取实际电流信号数据实现不同短路情况下的早期ITSC故障诊断。为了证明所提算法的优越性,将其与其他四种算法进行比较,结果表明所提方法的准确率更高。

非正弦反电势五相永磁电机开路故障容错控制研究

与正弦波电机相比,具有非正弦反电势波形的多相电机可提升转矩密度,但容错运行时,反电势谐波会产生额外的转矩脉动。为此,该文提出一种非正弦反电势五相永磁同步电机缺相容错控制策略。基于单相开路故障下转矩方程,推导平稳运行时同步坐标系下的电流表达式,给出利用谐波电流抑制转矩脉动的理论依据;并提出在同步旋转坐标系下注入低阶谐波电流,抑制由3次谐波反电势引起的转矩脉动。为了求解最优谐波电流,分别在最小铜耗或最大转矩模式下协同优化电流系数。相比现有方法,该方法在最小铜耗模式下,能够产生相同的定子铜耗;在最大转矩模式下,能够提高转矩输出能力。最后,通过五相永磁同步电机的缺相容错实验,验证所提控制策略的准确性及有效性。

五相永磁同步电机串级模型预测电流控制

在五相永磁同步电机(PMSM)模型预测控制中,通过繁琐的计算法获取权重系数难以保证系统控制性能最优。针对该问题,本文采用级联模型预测控制的思想,提出五相PMSM串级模型预测电流控制。首先,分析所提方法选择最优电压矢量的机理。然后,结合五相PMSM的特点,设定被控变量的控制优先级,提出两种无权重系数的成本函数设计方案:基波电流优化方案采用幅值高的电压矢量,提高直流母线电压利用率和动态响应能力;谐波电流优化方案减小定子电流谐波,以降低系统噪声和振动。实验结果表明,所提方法能够保证施加电压矢量的最优性,使五相PMSM在不同工况下获得转矩脉动小、动态响应快、谐波电流小的良好性能。

六相永磁同步电机驱动系统直流环节电容器电流RMS值估计

六相永磁同步电机(PMSM)驱动系统相比传统三相PMSM驱动系统具有低压大功率、转矩脉动小、控制灵活和容错率高等特点。直流环节电容器对驱动系统的稳定性起着决定性作用,但由于其结构特殊,需承受较高的纹波电流均方根(RMS)值。而直流电容器的电流RMS值是决定其使用成本、体积和寿命的重要参考指标。因此对直流电容器的电流RMS值进行估计显得尤为重要。针对采用传统双重傅里叶积分算法计算电容的电流RMS值时存在的过程繁琐、涉及许多未解积分等问题,文章提出了一种基于多项式插值求积法Cotes的直流电容器电流RMS值的计算方法。即在等距离步长中分布5个采样点,对推导出的函数积分生成近似解,采用Cotes法可以省去大量的积分计算过程,同时提高计算精度。该方法简化了传统算法的繁琐计算过程并且保证了较高的计算精度,可为直流环节电容器的优化选型和寿命监测控制器设计提供指导。最后,文章将所提方法与现有方法进行了对比分析,实验结果验证了所提方法的计算速度比传统双重傅里叶积分算法快50%左右,且计算精度较牛顿3/8法提高了约5%。

电动汽车六相永磁同步电机的控制策略研究

空间矢量解耦模型的基础上,实现电机的完全解耦控制。依据Simulink中的电机控制模型,比较了i_(d)=0和最大扭矩电流比(MTPA)这两种控制策略的进行仿真对比分析。i_(d)=0的控制方法虽然简单易行,但是电机运行期间热损失较大,而且无法充分利用磁阻扭矩,电机效率低下。MTPA控制下的电机能充分利用磁阻扭矩部分,具有较高的扭矩输出特性,热损失较小,是控制凸极电机的首选方法。

六相永磁容错磁通切换电机及其单相故障的容错控制

为了提高永磁电机的可靠性和容错性,研究了一种六相永磁容错磁通切换电机(FaultTolerant Flux Switching Permanent Magnet Motor,FTFSPM)。该电机继承了永磁磁通切换电机的结构特点和功率密度优势,同时具备故障隔离和抑制短路电流的能力。通过有限元仿真研究了该电机电感特性和转矩特性,分析了电机的电磁性能和容错能力。为使该电机在单相故障时仍能提供平滑转矩,提出了容错电流优化控制策略。开路故障时,利用扩展坐标变换,通过控制转子同步旋转坐标系下的交轴电流、零序电流,实现转矩脉动的补偿,同时优化转矩铜耗比。针对短路故障,提出一种故障分解补偿法,对短路电流及绕组正常电流缺失引起的转矩脉动或转矩缺失分别进行补偿,进而矢量合成,实现容错控制的同时,避免了复杂的在线计算。在原理样机上进行了带载实验及容错实验,证明了所研究的永磁容错磁通切换电机的转矩输出能力和容错性能,同时验证了所提容错控制策略的有效性。

六相永磁同步电机缺相容错控制

为了实现六相永磁同步电机缺相后的矢量控制,根据定子磁势不变的原则,以铜耗最小为目标,对双Y移相30°六相永磁同步电机缺一相绕组的电流进行优化求解。根据所求得的优化电流,获得缺相后的变换矩阵,从而建立缺一相的六相永磁同步电机旋转坐标系下数学模型,并由此提出缺相后的解耦矢量控制方法。分析漏感和空间谐波对该容错控制下转矩脉动的影响,提出相应的抑制方法。实验验证了六相永磁同步电机容错控制算法的正确性,其有效减少了缺相后的转矩脉动,且具有较好的动态性能,提高了驱动系统的可靠性。

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。

基于虚拟变量的六相永磁同步电机缺任意两相容错型直接转矩控制

为了进一步提高六相永磁同步电机驱动系统的可靠性,该文针对偏置60°六相对称绕组永磁同步电机提出一种缺任意两相容错型直接转矩控制策略。从控制圆形磁链角度,定义虚拟磁链及虚拟电流,并基于此,推导出任意两相开路时虚拟定子磁链和电磁转矩之间的关系式。利用剩余4相逆变器输出电压矢量,同时实现电磁转矩、虚拟定子磁链和零序电流直接控制。实验结果表明,采用所提控制策略,两相开路直接转矩控制驱动系统运行平稳,转矩和转速动态响应迅速。

五相永磁同步电动机单相开路故障的容错控制策略

为使五相永磁同步电动机(five-phase permanent magnetic synchronous motor,FPMSM)在发生单相开路故障时仍能继续提供平滑转矩,提出一种基于解析法的容错电流优化控制策略。利用缺相状态下的扩展派克变换矩阵,分别推导了基波和3次谐波同步旋转坐标系下的转矩和铜损方程。针对磁场为正弦和含3次谐波两种情况,分别提出了仅施加基波电流和注入3次谐波电流消除转矩脉动的解析方法,并从最大转矩电流比和最大转矩的角度分别提出了铜损最小和铜损相等原则的容错电流优化方法。最后,得到了适用于各种磁场类型及优化目标的容错电流通用在线生成方法。仿真和实验结果表明所提容错算法可实现对电机转矩和转速的无扰控制。

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。

磁动势法五相永磁力矩电机转矩分析

五相永磁力矩电机由于极数与槽数相近,含有丰富的磁动势谐波,磁动势谐波会影响电机的转矩性能。为此,采用磁动势法分析电机的电磁转矩,通过磁能和虚位移原理推导出了电机电磁转矩的解析表达式,揭示了具有相同空间次数的定子和转子磁动势谐波相互作用才能产生电磁转矩的规律。通过对五相永磁力矩电机的定、转子磁动势谐波与电磁转矩关系的分析,指出与与主波转速一致的定子和转子磁动势谐波相互作用能提高五相永磁力矩电机的平均电磁转矩。利用Ansoft有限元软件仿真分析了电机在正弦波、梯形波和方波供电下的定子磁动势、转子磁动势以及转矩性能。结果表明,非正弦供电能够增加电机的电磁转矩,但也带来了转矩脉动,验证了磁动势法分析五相永磁力矩电机转矩的有效性和正确性。