带零序电流控制能力的新型电机控制器研究

A family of novel motor, with the stator excitation AC machine as example, provides requirement of zero sequence current control for the motor controller. Conventional inverter topology is not capable of injection of zero sequence current so novel power electronics converter is needed. Because of the introduction of the new variable of zero sequence current, the full system performance optimization becomes a new problem for the motor controller. This project plans to study the novel motor controller with zero sequence current control through three aspects: topology, modulation and control method. In topology, this project will consider the device quantity and capacity and utilize the device sharing technology to further optimize. Based on novel topologies, this project will design the space vector PWM with consideration of zero sequence current control and its carrier based realization method. Then, this project will further study the vector control method for the novel stator excitation AC machine, to realize wide speed adjustment through excitation/flux weakening, and to study the fault-tolerant control method. This project will go through the approach of theoretical analysis, modeling, simulation and hardware experiments to deeply study the novel motor controller with zero sequence current control capability and solve three key scientific problems. The related research plan, budget, expected results and the application team’s basic situation are also included in the proposal.

以定子励磁型交流电机为代表的一类新型电机对控制器提出了零序电流控制的要求。传统逆变器拓扑无法满足要求而需要研发新型电力电子控制器。由于零序电流这一新变量的引入，电机控制器的综合性能优化又是一个新的问题。本项目拟从拓扑结构、调制方法和控制策略三方面研究新型带零序电流控制的电机控制器的关键技术。在拓扑结构方面，本项目从器件数量和容量上综合考虑，并利用器件复用技术进一步优化。基于新拓扑结构，设计考虑零序电流控制的空间矢量脉宽调制方法及其载波比较实现方法。在此基础上，进一步研究对新型定子励磁型交流电机的矢量控制方法，通过励磁/弱磁控制实现宽范围调速，并研究系统的容错控制方法。本项目将结合理论分析建模、仿真和硬件系统实验的方法对带零序电流控制能力的新型电机控制器系统而深入的研究并解决三个关键科学问题。相关研究计划、预算、预期成果和研究团队的基础也在申请书中详细介绍。

本项目主要研究带零序电流注入能力的新型电力电子控制器的拓扑、调制方式以及控制方法的问题。首先，针对新型带直流励磁分量的游标磁阻电机这一特殊对象的需求，以开绕组驱动为基础，先后发明和设计了开绕组半桥、开绕组不对称全桥和三相四桥臂等电机控制器及其控制方法，在电力电子器件数量和容量上得到优化。同时以电流反向重构电磁转矩为思路，提出了开绕组全桥容错控制器，实现对游标磁阻电机控制器电力电子器件开路故障的容错能力。在此基础上，发明了新型串联绕组电机控制器，可以通用于各类型交流电机和磁阻电机，在只增加一个桥臂的情况下，相电压峰值可以达到全直流母线电压。相比较于传统三相逆变器，串联绕组电机控制器相电压峰值增加超过70%，显著改善调速范围。针对这一新型控制器，提出了三维空间矢量PWM技术和带零序控制的矢量控制技术。进一步的，将串联绕组概念推广到多相交流电机中，发明了针对N相电机的N+1桥臂电机控制器。为了实现相电压达到全直流母线电压的能力，研究并提出了最优相序排布方法，使任意N相电机使用N+1桥臂均可以实现2N个桥臂的开绕组驱动一致的输出电压和调速能力。为了实现N+1桥臂下简单快速的脉宽调制，基于绕组电压-桥臂电压关系设计了多相串联绕组电机控制器载波比较PWM技术。进一步的，在以电动汽车驱动为代表的应用中为了实现全速度范围的高效率，结合传统逆变器和串联绕组电机控制器设计了电力电子变速箱技术。与此同时，基于磁阻电机和磁悬浮轴承在物理上的相似性，将带零序电流控制能力的电机控制器技术引入磁悬浮轴承中，提出了系列的多轴磁悬浮轴承的新型电力电子控制器，实现了器件和效率的优化，并实现了磁悬浮轴承的容错控制器。.本项目完成了计划书的所有内容，在技术上取得重要的进展。相关成果获得了日内瓦国际发明博览会评审团特别嘉许金奖和中国电工技术学会技术发明二等奖等科技奖励。培养研究生获得挑战杯最高奖和全国研究生电子设计竞赛一等奖各两次。.本项目完成了计划书的所有内容，在技术上取得重要的进展。相关成果获得了日内瓦国际发明博览会评审团特别嘉许金奖和中国电工技术学会技术发明二等奖等科技奖励。培养研究生获得挑战杯最高奖和全国研究生电子设计竞赛一等奖各两次。