六相永磁同步电机驱动系统不平衡及谐波电流的机理分析与补偿方法研究

Due to multiphase motor has some special advantages, such as small torque ripple, good fault tolerant ability, high reliability and so on, making it have more broad application prospects in both civilian and military areas. This project takes the six phase permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive system without common dc-bus as the research object, through analyzing the relationship between the double d-q model and vector space decomposition (VSD) model method, a clear physical meaning of VSD model method is presented, and also a novel synchronous rotating coordinate transformation matrix is proposed , the fundamental and harmonic components of the subspaces are changed into DC components. Moreover, the mathematic model of six-phase PMSM is also constructed, and the physical mechanism compensation method of imbalance and harmonic current will be analyzed in detail. For six-phase inverter without common DC bus in this project, the relation between the proposed synchronous rotating coordinate transformation matrix and double d-q coordinate transformation matrix is derived in detail, and a novel six-phase SVPWM method is designed, which solves the limitation of traditional six-phase SVPWM algorithm requires two sets of windings reference voltage vector is always equal. At last, in order to eliminate the phenomenon of unbalanced current and the influence of the 5,7th harmonic current, a novel current vector decomposition control technique is presented, which ensures the stable operation of the drive system.

多相电机由于其转矩脉动小、容错能力强、可靠性高等诸多突出优点，使其无论在民用领域还是在军事领域都具有较为广阔的应用前景。本项目以不共直流母线电压的六相永磁同步电机(PMSM)驱动系统为研究对象，通过分析双d-q建模和矢量空间解耦(VSD)建模方法之间的关系，得出VSD建模方法的物理意义，提出一种新型的同步旋转坐标变换矩阵，使得基波和谐波子空间下的d-q分量均为直流分量，并在此基础上建立六相PMSM的数学模型，详细分析不平衡及谐波电流的物理机理与补偿方法。通过详细推导采用新提出的变换矩阵与双d-q坐标变换矩阵之间的关系，提出一种新型六相SVPWM算法，解决传统六相SVPWM算法要求两套绕组的参考电压矢量的幅值总是相等的限制；针对电机定子电流中存在电流不平衡以及5、7次谐波电流的问题，提出一种适用于六相PMSM的电流矢量解耦控制策略，保证系统的稳定运行。

多相电机由于其转矩脉动小、容错能力强、可靠性高等诸多突出优点，使其无论在民用领域还是在军事领域都具有较为广阔的应用前景。与传统三相电机相比，多相电机的变量数量增多，增加了控制器设计的复杂度。然而，事物都具有两面性，虽然多相电机的变量增多，但可供选择的空间矢量数目也大大增加了，为设计先进的控制策略提供了更多的可能性。多相电机驱动系统作为一种新兴的控制技术，在理论上和实践中仍然存在着大量值得研究的新课题。本项目以不共直流母线电压的六相永磁同步电机(PMSM)驱动系统为研究对象，主要内容和研究成果包括：. 详细推导了六相PMSM数学建模中的两种常用建模方法——双d-q建模和矢量空间解耦变换（VSD）建模方法之间的关系。通过分析双d-q建模和传统VSD建模方法之际的关系，得出VSD建模方法的物理意义，提出一种新型的同步旋转坐标变换矩阵，使得基波和谐波子空间下的d-q分量均为直流分量，并在此基础上建立六相PMSM的数学模型，详细分析不平衡及谐波电流的物理机理与补偿方法。. 针对项目所研究的不共直流母线六相电压源逆变器，详细推导了采用新提出的变换矩阵与双d-q坐标变换矩阵之间的关系，设计了一种新型六相SVPWM算法，解决了传统的六相SVPWM算法要求两套绕组的参考电压矢量的幅值总是相等的限制，拓展了现有PWM算法的应用范围。通过与其他常用的六相SVPWM算法进行仿真比较，验证了所提算法的有效性。. 相比双 电流矢量控制算法，基于VSD的矢量控制具有更为灵活的控制自由度，可以对基波子空间和谐波子空间进行分别控制。为此，文中设计了一种适用于六相PMSM的电流矢量解耦控制算法。在所设计的新型同步旋转坐标变换矩阵的作用下，使得基波和谐波子空间下的x-y分量都为直流分量，采用传统的PI控制器即可满足无静差调节，同时给出了基于内模控制器原理来设计PI控制器参数的方法。另外，为了消除定子电流中5、7次谐波分量，在 谐波子空间PI控制器的基础上并联了谐振控制器，实现了对特定次谐波的重点补偿。仿真和实验结果验证了电流解耦矢量控制器的有效性。