高容错开放式绕组永磁同步电机的控制机理及实现研究

Conventional three-phase permanent magnet synchronous motor(PMSM) drive systems in safety critical applications are being challenged for incapable of fault tolerance. Novel open-end winding motor systems have potential applications because of their high control degree of freedom, high DC-link voltage efficiency, good fault tolerance and easy multiphasing. As a novel motor drive technology, open-end winding motors have problems on analysis theories, control principles and application techniques needed to be solved. In order to analyse thoroughly the operation principle and control machanism of open-end winding permanent magnet synchronous motors, this research apply hyper space vector theory used in four linear correlative variable systems. The hyper space vector theory can be used to analyse and control zero-sequence variables and improve operantion performance which can not be resolved using the classical space vector theory. Meanwhile, fault-tolerant control strategies are researched in this project responding to urgent application need in safety critical applications. Therefore, this research project has a great value of theory and application. This project is not only a theory extension to figure out new problems in motor drives, but also the theoretical and experimental foundation in the application process of open-end winding motor systems.

传统三相永磁同步电机驱动系统不具备容错能力，在高安全性运行要求场合的应用受到了挑战。新型开放式绕组电机系统因其电流控制自由度高、母线电压利用率高、容错能力强、易于多相化等优点具有很好的应用前景。作为一项新型的电机驱动技术，在分析理论、控制机理和应用技术等方面还存在亟待解决的问题。为了全面透彻分析开放式绕组永磁同步电机系统的运行原理和控制机理，引入用于分析四线性相关变量的超空间矢量理论，解决在经典空间矢量理论框架下零序变量无法分析和控制、系统性能差等问题。同时，为面向该系统在高安全性要求场合的急切应用需要，研究系统的容错控制策略等应用技术。因此，本项目研究具有重要的理论和应用双重价值，不仅是为解决电机驱动新问题所进行的理论拓展，也为推进开放式绕组电机系统的实用化进程提供理论和实验基础。

开放式绕组驱动是提高电机系统容错能力和运行安全性的新思路，在电动汽车、多电飞机等领域具有广阔的应用前景。本项目主要针对新型开放式绕组永磁同步电机驱动的分析与控制原理、双逆变器调制策略、系统零序量抑制方法、故障诊断与容错运行策略等开展了研究，主要结论如下：.（1）建立了开放绕组永磁同步电机在abc坐标系和dq0坐标系下的数学模型。通过dq0坐标系下的数学模型可知，开放绕组永磁同步电机的d轴和q轴电流分别用于控制电机励磁和转矩，将传统矢量控制应用到开放绕组永磁同步电机驱动系统中，采用双逆变器供电，能够获得比传统星接绕组永磁同步电机系统更为优异的调速特性。.（2）提出了双逆变器的三种SVPWM调制策略：无零序电压DI-SVPWM不引入零序电压，其最大调制系数为1，并没有使直流母线电压得到充分利用；最大电压范围DI-SVPWM可以将调制系数提高到1.15，但会导致零序电压；为抑制调制带来的零序电压，采用抑制零序电压DI-SVPWM通过重新分配等效零矢量作用时间，使零序电压在一个开关周期内的平均值为零。.（3）对开放绕组永磁同步电机系统零序电流的产生机理进行了分析，提出了相应的零序电流抑制策略。逆变器器件压降、开关死区和电机非理想反电势均会导致系统出现零序电压，其中器件压降和开关死区导致三次零序电压，这些零序电压作用于电机零序回路，产生三次零序电流。通过在三相绕组中串联共模扼流圈可以降低零序电流幅值，对于死区产生的零序电压，提出了死区补偿策略。非理想反电势中谐波导致非零的零序反电势，作用于零序回路产生相应频次的零序电流。通过在dq子空间和零序子空间分别构建电流闭环，提出了双空间矢量控制策略，有效抑制了系统的零序电流。.（4）对逆变器故障诊断和系统容错策略进行了研究，提出了基于混杂系统理论的逆变器功率管开路故障诊断方法，以及双逆变器单相故障后的容错运行策略。.本项目的研究成果将为进一步完善交流电机的分析与控制理论，促进开放式绕组电机系统的工程应用提供借鉴。