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工学博士学位论文
双三相永磁同步电机驱动技术研究
博士研究生:杨金波
导师:李铁才教授
申请学位:工学博士
学科:电机与电器
所在单位:电气工程系
答辩日期:2011 年 9 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
RESEARCH ON DRIVE TECHNOLOGIES OF
DUAL THREE-PHASE PERMANENT
SYNCHRONOUS MOTOR
Candidate: Yang Jinbo
Supervisor: Prof. Li Tiecai
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Electric Machines and Electric
Apparatus
Affiliation: Department of Electrical Engineering
Date of Defence: September, 2011
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
与传统三相电机相比,多相电机具有低压大功率输出、容错能力强等优点,
在船舰电力推进、电动汽车、航空航天等领域具有广阔的应用前景。随着电力
电子技术和微电子技术的发展,电机的相数已不再是传动系统设计中的一个制
约因素,多相电机驱动系统得到了越来越多的关注。论文以相移 30°双三相永
磁同步电机(PMSM)为研究对象,对多相电机的驱动控制技术进行了深入研究。
论文首先通过坐标变换,得到了双三相 PMSM 在双 d-q 和矢量空间解耦
(VSD)坐标系下的数学模型,并给出了基于两种模型的矢量控制策略。双 d-q 矢
量控制等效于对两台三相电机的控制,VSD 矢量控制将对电流的控制放在了两
个相互正交的子空间中。通过对两种矢量控制策略的比较,指出在相同的控制
参数下两者对转矩和转速的控制效果是一致的。由于 VSD 模型揭示了双三相电
机多谐波子空间的特点,在保证转速控制性能的前提下,既可以采用四维电流
控制以得到最小的定子铜耗,也可以采用二维电流控制以简化控制系统结构,
电流控制更加灵活。
其次,对双三相 PMSM 的脉宽调制(PWM)算法进行深入分析。传统两矢量
空间矢量脉宽调制(SVPWM)具有更高的母线电压利用率但是注入谐波电压过
大,而四矢量 SVPWM 只用于输出正弦电压,限制了其调制范围。针对以上问
题,论文将四矢量 SVPWM 扩展到非正弦电压调制区,得到了和两矢量 SVPWM
同样的调制范围,同时降低了注入的谐波电压,进而减少了谐波电流。将四矢
量非正弦电压 SVPWM 统一到双零序注入 PWM 中,提出三段式调制策略,将
线性调制范围分为正弦电流调制区、正弦电压调制区和非正弦电压调制区。其
中第一个调制区对应的是四维电流控制,后两个调制区对应的都是二维电流控
制,这种调制策略在全调制范围内对母线电压进行了最优化利用。
再次,研究了永磁同步电机的非线性控制策略。通过输出反馈线性化得到
完全解耦的永磁同步电机线性化模型,在该模型下可以通过直接控制电压来控
制电机转速。针对反馈线性化控制对电机参数较为依赖的问题,将终端滑模
(TSM)控制策略应用到反馈线性化模型中,分别设计转速和直轴电流滑模控制
器,推导出控制率并给出系统稳定性证明。为了降低滑模增益,减小抖振,设
计扰动观测器并对观测到的扰动量进行补偿。仿真结果表明,基于扰动补偿的
反馈线性化终端滑模控制提高了转速的动态性能且具有较强的鲁棒性。
最后,针对多相电机具有多控制自由度的特点研究了电机缺相后的容错运
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
行问题。多相电机在缺相后,不同的中线连接方式对应着不同的电流优化控制
策略。根据不同的中线连接方式以及相应的电流约束条件,选定矢量空间解耦
变换阵,建立一相和正交两相开路双三相永磁同步电机的 VSD 数学模型,将电
机变量分别映射到与机电能量转换相关的 d-q 子空间和与机电能