多相永磁同步电动机调速系统控制方法的研究

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1、博

2、j学位沦文摘要多相永磁同步电动机变频调速系统因为其高可靠性而成为电气传动领域的研究重点。多相永磁同步电动枫的应用侧重于军事以及高可靠性、大功率的场合，如：核电站循环水电动机、舰船推进系统等。目前这种变频调速系统存国外潜艇的电力推进系统中成功地进行了海上实验。然而，作为一种新技术，它的控制方法在理论上和实践中仍然存在大量值得研究和探讨的问题。特别足对多相永磁同步电动机在比现定子绕组⋯相或多相丌路故障后的控制方法，目前国内外还缺乏系统性的深入研究。本文对多相永磁同步电动机变频调速系统进行了全面系统性的深入研究，

3、重点研究了多相永磁同步电动机出现故障后的控制策略，文中提出的方法和得出的结论对多相永磁同步电动机出现开路故障后的高性能控制具有十分重要的意义，全文主要内容有：(1)建立了多相永磁同步电动机在逆变器供电下的数学模型和谐波分析方法。文中第二章利用电压矢量空间解耦的方法，通过标准基向谐波基的转化，建立了多相永磁同步电动机在谐波基下的数学模型。该模型将m维空问的多相永磁同步电动机模型解耦至若干个相互垂直的平面上，为深入、全面理解多相永磁同步电动机提供了理论基础。建立了任意m相永磁同步电动机的谐波电势和磁势计算公式，并对

4、不同的时空谐波引起的电机谐波转矩给出了定量的分析。为根据系统设计要求选择永磁同步电机的相数提供了理论依据。(2)实现了多相永磁同步电动机磁场定向解耦控制。交流电机是一个多变量、非线性、强耦合的电磁系统。同传统的三相永磁同步电动机相比，多相永磁同步电动机是一个有更多变量的非线性、强耦合系统。在传统的静止举标系下无法获得多相永磁同步电动机的精确的转矩控制，论文的第三章重点阐述了在多相静止坐标系下多相永磁同步电动机的数学模型向以永磁磁链∥，为直轴的两相旋转坐标系下的数学模型变换。提出了满足功率不变和磁势不变原则的变换

5、方阵的计算方法，在新坐标系下，通过控制多相永磁电动机定子电流和直轴分量‘=0，实现了多相永磁同步电动机电磁转矩的解耦控制，使多相永磁同步电动机具有同直流他励电动机同样的转矩控制性能。在本章中针对传统的PI调节器的不足，提出了一种将非线性的模糊控制器和传统的线性PI调节相结合的Fuzzy．PI双模调节器用于多相PMSM的速度调节，以改善调速系统的动态性能和克服参数变换对系统的影响。通过计算机仿真结果证明了这种双模控制器比传统的PI调节器具有更好的动态性能。多相永磁同步电动机的磁场定向解耦控制需要知道转子磁链所处位

6、置角的信息，通常采用与电机同轴连接的光电编码器、旋转变压器来获取位置多相永馓同步电动机凋速系统控制方法研究角口的信息，但也因此带来系统成本增加和町靠性降低等问题。本文提出了一种利用定子各相电压和电流来估算转子位胃角的方法，该方法不需要对多榻永磁电机的结构作任何改变，同时适用于凸极和隐极永磁同步电机。在很宽的速度变化范围内都有较商的位置估计精度。该方法的提出，为开展无位置传感器的多相PMSM的磁场定向控制打下了坚实的基础。(31对多相永磁同步电动机不对称运行的控制方法进行了系统的研究。多相永磁同步电机系统同传统的

7、三相永磁同步电机系统相比一个突出的优势就是它的可靠性高，当多相永磁电机定子一相或多相开路时，通过适当的改变控制方式，可以使多相永磁电机系统仍然保持高性能的速度控制特性。多相永磁同步电动机的不对称运行是指电机定子绕组或逆变器出现⋯相或多相开路的情形。此时定子绕组产生的磁势在空间分布不再对称。文中首先论证了对称运行的多相永磁同步电动机，在缺相运行时，通常意义下的磁场定向控制方法不再能够实现转矩的解耦控制。此时的转矩方程中存在一个随位置角p变化的脉动分量，调速系统的性能将严重下降。针对多相永磁同步电动机不对称运行的情

8、况，论文在第四章和第五章分别提出了两种补偿控制方式。即第四章基于定子合成磁势不变的补偿控制方式，以及第五章的采用改进的旋转坐标变换实现不对称运行的磁场定向解耦控制两种方法。前者是通过调整剩余正常相的电流幅值和相位来弥补P丌路相的磁势损失，从而使总的合成磁势保持不变，文中给出了不同情况下的补偿算法。该方法的缺点是棚数越多，计算越复杂。而且没有考虑结构不对称引起的电磁参数的变化。在第五章提出了一种采用改进的旋转坐标变换来实现多相PMSM不对称情况下的磁场定向控制方法。该方法考虑了绕组结构不对称引起的电磁参数变化，实

9、现了不对称结构的多相PMSM的磁场定向解耦控制。使得多相PMSM在不对称运行时具有同对称运行时完全一致的优良调节特性。它的本质是通过对剩余相电流幅值和相位的不对称调节来消除定子绕组结构不对称的影响。该方法不仅适用于多相永磁同步电动机，对其他类型的多相电机如感应电机、开关磁阻电机等在不对称情况下运行同样适用。因此该方法对结构不对称电机的磁场定向解耦控制的设计具有重要的理论指导价值，在第五