（电机与电器专业论文）永磁同步电机直接转矩控制系统逆变器故障下的容错运行研究.pdf

摘 要 so l v e the hi gh协 r q u e ri ppl e p r o b l e m s i m ul atio n a n a l y s i s i s 理 犯 d to引 u d y the 声rfo助ance o f v a n o uss v msc h e m e s ; 助 d a l m p r o v e d sc he毗 i s c hose n toa p p l y fo r 阮 fault to l 。 旧 . t sy st e m . e x 沐ri m e n t re su ltsshowt h 时this 汕prov e d s v msc h e m e can r e d u c e the t 0 rq u e ri 即le and i m p r o v e the perfoimancegt e a t iy. 4 . e x 伴 拄 m ellt s tu d y ofs w i t 址 ngp r oce ss加mt hr eep ha “si x s w i teh 咖e rt e r sy s t e ln toa th r e e p 抽 嘴fo ur州tch in v 亡 rt e r sy s t e mis per fo rmed， w hi chv e ri 五 edthe fe as l b ili tyof p ms md t cin v e rt e r fa u 】 t to l e ran t o per a l i on. keywor ds : ma gnet s y n hr o n o us mo 仍 r ;d 让 e ct tor q 朋 c o n tr o l ; f o u 叮 . s w i 加 h lnv e rt e r ; f aul t to l e r ant ; s v m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或 撰 写 过的 研究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得#%z 大生一 或 其 他 教 育 机 构的 学 位或 证 书 而 使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名: 签 字 日期:年月日 学位论文版权使用授权书 本 学 位论 文 作 者 完 全 了 解卫 i t k 星 匕有 关 保 留 、 使 用学 位 论 文的 规定 ， 有 权 保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权 一 鱼: l 鱼芜可以 将 学 位论 文的 全 部 或 部 分内 容 编 入 有 关数 据 库进 行 检 索， 可 以 采 用 影 印、 缩印 或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名:导师签名: 签字日期:年月日签字 日期: 年月日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话 : 邮编: 第一章绪论 第一章 绪论 本章简要回 顾了 永磁同 步电 机的 发展和现 状， 并简单介绍了与之 相关的永 磁材 料、控制策略等方面的发展概况. 针对如今工业 发展对系统运行的安全可靠 性要求 越来越高， 而应用最为广泛的逆变 器供电的变频 驱动 系统中 逆变器容易出 故障这一 矛盾问题进行了 讨论，提出 永磁同步电 机直 接转 炬控制系统容错运行这一思 想，希 望通过本文所 作的 基础性、 开创性工作，能 增加永 磁同 步电 机驱动系统安 全可靠 性， 促进其应用和 发展. 1 . 1 p m s m控制策略研究及课题背景 永磁电机是使用永磁材料来产生电机内赖以进行机电能量转换的气隙磁场的电 机。世界上的第一台电机就是永磁电机，但是由于当时所使用的永磁材料磁性能低 下而又被电励磁电机所替代.但是随着对永磁材料研究的不断深入，永磁体磁性能 不断提高， 这也给永磁电 机的发展提供了条 件。 特别是 上个世纪三十年代出 现的铝 镍钻永磁体 ( 最大磁能积可 达8 5 k j / m ; ) 和五 十年代出现的 铁氧体永磁 ( 最大 磁能积 可 达4 0 k j /m 3 ) ， 以 及 上 世 纪 六 十 和 八 十 年 代 出 现的 具 有 高 剩 磁 密 度 高 矫 顽力 高 磁 能 积的稀土钻永磁和 钦铁硼永磁，使 永磁电 机的发展 进入一个新时 代【 1 . 永磁同 步电 机( p e r m a n e n t - m a g n e t s y n c h r o n o u s m a c h i n e s ) ， 是永 磁电机中的 一种， 具有体积小、功率密 度高、 效率和功率因 数高 等鲜明的 特点.自 从英国 学者 m e r r i l l 最早提出了 称之为“ p e r m a s y n ”的 永磁交 流电 机设计方案以 来，多名学者长期致力 于永磁同步电 机及其驱动系统的理论研究和技术开发工 作，比 如英国著名学者、 利 物浦大学k . j . b i n n s 教 授对永磁同步电 机结构、工作 原理、 性能分析、参数 估算以 及驱动系统的 稳定 性分析和新型的 转子位置检测装置等 工作: 英国曼彻斯特大 学的 b . j . c h g l m e r s 教 授对永磁同 步电机 变频运行时参数 及性能的分析;波兰学者p . m . p e t c z e w s k i 对永磁同步电 机最优模型跟踪控 制位置驱动系统的 研究; 以 及意大利学 者 a l f i o c o n s o l i 对永磁同 步电 机的等效电 路都 进行了深 入的 研究等， 对进一步推动 永磁 同 步电 机研究领域的理论 及应用发展有着极 大的影响。 永 磁同步电 机早期的控制就是直 接在电 枢中 加上三相交流电压， 产生一个以同 步 速度旋转的圆形 磁场。 这种最原始的 控制方法存在很多的问题。首先由于三 相交 流 第一章绪 论 电压一加在电枢上，产生的磁场就会马上以同步速度旋转，而转子磁场的旋转速度 依赖于转子的 机械速度， 所以就 会发生失步从而不能 启动。 为了 解决这个问题， 常 会采用同步电机异步启动的方法，在电 机的转子磁极中 镶入金属导条。 但是在电 机 运行时由于电机的负载过大，或者电 机电 压扰动等也 可能会让电 机失步。 这种控 制 方式由于性能很不好现在已经被抛弃使用。 随着现代电力电子技术和微电子技术的飞速发展、控制理论也逐渐完善成熟， 现代交流调速技术有了突破性的进展。目前，p ms m 的高性能控制策略主要有以下 几种。 1 .1 .1 恒压频比 控制 z1 在保持 磁路工作点 不变的前提下， 可以 通过改变 供电电 压频率来实现调速。在 基频以 下时定子端电 压 ui和定子供电频率刀之比 始终保持 不变， 以 维持气隙 磁通恒 定，因此称之为恒压频比控制方式。如图 1 . 1 。 u . 1 气 卜一 一 恒转矩 一 一 卜 一 一 恒功率 一 饰气 11111111111一f. 汾.a 甲 低频定子电阻 压 降补偿 图 1 . 1 恒压频比控制 特性图 在频率较高时电压也较高， 此时可以忽略定子电阻压降， 但是在低频时定子电阻 压降 不能忽 略， 所以 应提高电 压以 补偿。当 频率超过基频时，电 压ui只能维持在额 定电 压 ui n ， 因此迫使磁通与 频率成反比 地降 低， 从而实 现弱磁 控制。 当然， 由 于永 磁体的 存在，永磁电 机的弱磁将只是一种等效的、 值得 特别研究的 课题。恒压频比 方法控制简单且实现价格低廉，因此应用也比较广 泛。 但此方法仅是在基频以 下实 现恒转矩控制，在基频以上实现恒功率控制，而无法实现动态转矩控制，因此动态 第一章绪论 控制性能 较差。所以 主要用于空 气压缩机、 大功率离 心式风 机、水泵、水泥轮转窑 等对动态调速性能要求不高的场合。 1 . 1 .2 磁场定向控制 ( f o c )3- 刀 磁场定向 控制也被 称为 矢量控制，最早于 1 9 68年由d ann s t 叼e r 大学的h as se博 士在 论文中 提出， 后由 西门子 公司 的bl as c hke 于 19 71年将其系统化， 并将其以 专利 的形式发表。到 1 9 7 9年，日本将该技术用于异步电机驱动造纸机，在 1 9 8 0 年，日 本又 将该技术首次 引入永 磁同步电 机驱 动轧钢机。该控制方式在控制中 将磁场 矢量 的方向作为坐标轴的基准方向来研究电机的电气方程和动力学方程，通过旋转坐标 变换将定子电流矢量分解为励磁电流分量和转矩电流分量两部分分别加以控制，从 而将强祸合的交流电 机等效为直流电机，实现解祸控制。 因此可以 得到与 直流电机 相媲美的控制性能。常选以定位的磁场矢量有定子磁场矢量、气隙磁场矢量和转子 磁场矢量，而以转子磁场矢量定向的应用最多.由于矢量控制需要执行复杂的坐标 旋转变换和矢量运算，因此需要高速的数字信号处理器，这导致在该理论被提出的 最初几年里无法实现，但在微电子技术日新月异的今天这已不再是问题。 永磁同步电机的转子磁链由永磁体产生，因此永磁同步电机矢量控制的本质也 就是控制定子电流矢量的幅值和方向。由于永磁同步电机转子结构多变，定子电流 控制模式也就多种多样， 其中直轴电流肠 二 0 这种 控制模式应用 最为 广泛。 此种控制 模式 保 持 直 轴电 流 为 零， 只 需 根 据 转 矩 要 求 控 制 交 轴电 流 几 的 大 小， 在 理 论 上 和 实 现上都比 较简单，同时由 于没有直轴电枢反应，也不 会导 致永 磁体 去磁。 1 .1 .3 直接转矩控制 ( d t c ) 5 一 直 接 转 矩控 制 于1 9 85年由 德 国 鲁 尔 大 学 d ep enbro ck， 19 86年日 本is aota k a h as hi 针对异步电 机分别 提出。 其基本的思想是通过控制磁链来直接控制电 机的电 磁转矩， 这和矢量控制通过控制电 流来控制转 矩的思想不同。在定子坐标系下观测电 机定子 磁链和电磁转矩，并将磁链、 转矩观 测值与 给定值的差经两值滞环比 较器调节后得 到控制信号，再通过综合考虑定子磁 链位置，从事先定义好的 开关表选择适当的电 压 空 间 矢 量 ， 控 制 定 子 磁 链 的 幅 值 和 相 角 以 满 足要 求， 从 而 达 到 对 转 矩 快 捷的 控制 8 . 对于永磁同步电 机来说，由于 它的转 子磁链由 永磁体提供， 其幅值保持 不变， 所以 若保持定子 磁链幅值恒定， 则电 磁转矩只与定、 转子两磁链间的夹角 一转矩角 6 成 正比。即可通过控制定 子磁链幅值恒定，改变定子磁链旋转速度和方向来瞬时调整 第一章绪论 转矩角6 ，实现转矩的动态控制。与经典的矢量控制相比较，这种控制方式的优 越性有三: 一是d t c抛弃了矢量 控制所必需的旋转 坐标变换， 在静止坐标系中 对电 机的转 矩和 磁链进行直接 控制，因此无需知道 转子位置信息也不需要 将交流电 机与直流电 机作 等效，从而省去了复杂的旋转坐标 变换 和电 机模型，可以实现精确而快速的控 制。 二是采用电压空间 矢量是对三 相电压的p w m调制做统一处理， 控制方便。 三是采用了定子磁链定向， 通过选择合适的空间电压矢量来控制其运动， 迅速改 变功角， 实现对转矩的直接控制， 对电机参数的依赖 性很小，只需定子电阻即 可观 测 电机的定子磁链，非常方便与检测和补偿。而且这种控制策略不含电流环，结构 简单，转矩动态响应快，对系统参数摄动、外 干扰、测量误差以 及测量 噪声 鲁棒性 强。目前，电机的高性能控制策略已显示出从矢量控制逐步过渡到直接转矩控制的 趋势。 近年来， 永磁同 步电 机直接转矩控制更己 成为研究热点受到广泛的 注意， 进 行了 深入的 研究l 0-1 2 ， 在工业控制领域，特别在交通，航天以 及军事等 领域有 重要 的应用前景11 ，lo 就p ms md t c而言，目 前研究方向 多 集中 在解决以 下几方面问 题: 1 . 定子磁链观测器研究。直接转矩控制是对转矩和磁链的直接控制，磁链需通 过观测得到，电磁转矩则是磁链矢量和电流矢量的叉积。因此对定子磁链幅值和相 位的准确观测直接决定转矩观测的准确性，这也将直接影响电机的运行性能。异步 电 机的定 子磁链观测方法自1 9 85年被提出 以来已 经有较多研究， 并且许多 方法都己 被应用于实际， 值得p m s md t c借鉴。目 前， 应用 于永磁同步电 机直接转矩控制系 统的定子磁链观测方法有以下几种: ( 1 ) 直接计算法1 4 该方法测量出电 机的端电 压和电 流， 然后从p m s m数学模型出发计算出定 子磁 链。此方法计算简单实现方便， 动态响应快， 但这种方法依赖定子电阻， 其计算结 果可能会随电 机运行工况变化而变化，并且 只是基于开环计算而无补偿环节， 计算 不准确。 ( 2) 各种 观测器方法11 5-18 针对磁链观测中 存在的各种问题， 文献l 5 中 分别提出了 不同的方法解决， 虽然 第 一章绪论 有的是基于 异步电 机提出， 但改进后可应用于永磁同步电 机。 为了改善了d t c系 统 低速 运 行性 能 ， 文 献 巧 提 出 基 于 扩 展 龙 伯 格 观 测 器 的 磁 链闭 环 观 测 方 法 ; 为 了 解 决 磁链的饱和问 题， 文献 1 6 - 1 7 提出基于定子电流误 差模型的磁链观测器; 而文 献【 1 8 提出 基于符号 矩阵 变换的新型磁链观测器; 文献 1 9 中提出 一种自 适应磁链观测器; 文献【 2 0 提出 基于滑模 观测器的方法来观测定 子磁链。 此类基于观测器的磁链观测方 法都有较强针对性， 因而全局性不足。为使系统全局 稳定， 在电机 运行于不同速 度 范围 时需要对相应参数进行调整。 并且 此类方法受电 机参数 影响很大，若要保证观 测准确还需要额外对电机参数进行实时观测，将导致系统结构复杂。 ( 3 )基于反电势 积分方法2 1 1 此方法通过对电 机反电势后积分得到磁链，实现 非常简 单且只依赖电机定子电 阻。 但是因 测量的电 压、电 流误差的存在，采用纯积分器会引起磁链观测不准。并 且当 系统运行于低速时电 机端电 压较小，相对测量误差较大，从而致使磁链观测误 差大。 2 ，转矩、磁链脉动消减 常规d t c 系统通过 滞环控制器进行两值控制， 因 而存在较大的磁 链和转 矩脉动。 另外， d t c系统通过这个有较大脉动的磁链 以及转矩的反馈来决定电压矢量的选择， 也可能加剧系统控制的不准确。 在d t c 系统中 逆变 器的 开关频率不够高，是导 致转矩和磁链脉动的一大原因。 对于 这一问 题， 目 前多 采用以 下几种方案 解决: ( 1 ) 在传统d t c的开关表中增加 零电 压矢量， 对空间电 压矢量细分。 但是从文献中可以 看出 ， 其效果有限。 ( 2 ) 采用多电 平功率变换器，这样可以增加电压矢量数目，从而提高控制精度让磁链、转矩平滑。 但这 种方法 增加了 系统成 本， 也使控制更复杂。 ( 3 ) 基于智能控制如模糊控制理论的 d t c控制，其 缺点 在于线模糊推理的需要复杂的计 算， 难以 实时 控制. 而由 于其计 算时间较长，很可能失 去d t c固有的转矩快速响应的 特点 2 2 - 2 3 1 针 对 传 统d t c 系 统b a n g -b a n g 控 制 带 来 的 脉 动 大 这 一 弊 端， 常 采 用 空 间 矢 量 调 制 6 ? a 1 ( s v m ) 。 即 在 传 统d t c 系 统 中 ， 根 据 磁 链 和 转 矩 要 求的 变 化 趋 势 ， 在 每 个 周 期内选择一个满足条件的电压矢量来对其实 现控制， 但这种针对变化趋势的方法受 逆变器开关频率制约 常不能满足控制精度的 要求。 s v m d t c 是通 过对磁链和转矩反 馈值结合参考值进行计算而得一个参考电压矢量，这个参考电压矢量中包含了磁链 第一章绪论 和转矩精确变化的信息，可以 用于 减小 脉动， 提高电 机运行性能。 但是这个计算所 得的参考电压矢量不能直接由 逆变器提 供，需要通过 某种电 压矢量合成的 方式来得 到。 3 . p m s m d t c 系统的 运行可靠 性。 在传统的直 接转矩控制系统中， 采用三相六 开关逆变电路， 将电 机和逆变器作为一 个整体实施控制。由 于电 力电子器件是系 统 最 脆 弱 的 部 分， 逆 变 器 故 障 最 为 频 繁 12 5 1 . 当 功 率 开 关 器 件 出 现故 障 的 时 候， 整 个系 统将丧失运行能力，这在一些重要的 应用场合，如电力机车 驱动、 舰船驱动、军 事 装备驱动等应用场合中 将带来严重、 甚至灾 难性的 后果， 必 须要有相 应的 应对措施。 所以 对永磁同步电 机直接转矩控制的 容错运行研究迫切必要。 1 .2 交流调速系统中变换器故障及诊断技术 采用三相六开关逆变器供电 作变频驱动的交流电 机有很好的运行性能 和节能效 果， 从而被广泛运用于 工业， 商业以 及 运输等各领域。这种系 统由 于功率 变换模块 能 够吸收浪涌电 压，限 制了 过电 流等，使电机本身得到了 很好的 保护， 其很多故障 可以 被避免2 5 1 。 但是，由 于电 力电子 器件的 关键作用以 及其本身的脆弱性，对逆变 器故障以 及故障诊断的 研究便有迫切的 需要。 1 .2 .1三相变频系统中 逆变器常见故障 下图 所示为 逆变器的 几种经常出 现的故障12 6 1 . ( a ) ( b )( d ) 图 1 . 2常见故障类型 ( a ) 定 子一相开路故障。 ( b ) 开关 管开 路故障 第一章绪论 ( c ) 开关管短路故障，当发生这样的故障时功率模块自动保护功能启用， 将故障相的另一桥臂断开，将形成如图1 .2(d)所示的开关拓扑。 当任何一种故障发生的时候必 将导 致驱动系统运行失 败，这可以 在电机电压电 流，磁链等参数中体现出来。所以可以通过对电机运行参数的实时监测来实现对逆 变器状况的 监测， 而当 逆变器出 现故障的时候也可以 通过对电 机参数异常的诊断从 而定位故障位置和故障类型。 1 . 2. 2 逆变器故障诊断技术 通过 对系统运行异常的 观测从 而实 现对逆 变器故 障的 诊断， 常用的 有如下几种方 法: 1 .专 家 系 统 法 27 一 51 。 基 于 经 验 积累 ， 将 可 能 出 现的 故 障 及 对 应 的 现 象 一 一 列出 ， 归纳出 规则建立知识库。当 发生故障的时候只需要观测故障现象，查询知识库即可 判断故障类型。这种故障诊断方法快速准确，且适用于各种控制策略的变频驱动系 统，但是完备的知识库难以建立，这是此方法未被广泛应用的原因。 2. 平均电 流p ark 矢量法【粉01 。 在文献中 通过对电 机的定 子电 流的p ark 矢量进行 监测来诊断 逆变 器故 障。 在正常情况 下定 子电 流p ark 矢量为 零， 故障出 现的时候， 如开关开路 或短 路， 此时相电 流中出 现直流分量，三相不对 称.此时p ark 矢量将会 有一定的幅值和相位，可以通过其幅值和相位的不同判断出故障的类型以及出现故 障的相。这 种方法虽然要求系统有一定的 计算处理能力， 但是快捷可靠。 3 . 电 压检测法。在文献 3 0 中提出了电 压检测法， 通过考察逆变器故障时逆变器 相电压、电机相电压、电机线电压或电机中性点电压与正常时的偏差来诊断故障。 电流模式的故障诊断需要至少一个基波周期的时间才能完成，而电压检测法只需要 四分之一基波周期便能准确地检测出故障，大大地缩短的诊断时间，只是这种方法 需要增加电压传感器，增大系统成本。 1 .3交流调速系统中逆变器故障容错运行研究 1 沃1 容错方案分析 为了 让逆变 器供电的电机驱动系统能在 逆变器故障后具有持续或不间断运 行能 力，需要对其拓扑结构进行改进，实现容错 重构 及容错运 行。一 般有以 下两种思路 进行改进: 第一章绪论 1 ; 逆变器开关 冗余方式四.为系 统提供备 用开关器件，正常 运行时并不导 通， 当某相桥臂开关出 故障时通过外电 路的改接让备用开 关管投入工作。一 般安排是 使 三相正常工作，一相备用。这种方法最大的优势在于当故障发生后可以通过容错重 构仍保证原有的开关器件数目，不影响系统性能， 但是它将大大增加系统成本，而 且备用开关器件在大部分情况下不参与运行，这也造成浪费。 2 . 在故障发生后首先对故障器件进行隔离，然后利用余下的开关器件在部分减 容的情况下保持系统不间断运行。这种方法虽然需要对容错后的运行状况进行研究， 但是由于其可以节约硬件成本，所以被广泛采纳。考虑到供电系统对运行连续性的 要求， 所以 国内 专家对异 步电 机特别是异步发电 机的容 错运行进行了 深入研究131 一 21. 在近年来， 永磁同步电 机直接转矩控制系统作为驱动部分 被广泛应用，并且渐渐延 伸到一些对运行安 全性和连续性要求极高的 重要场合，比 如军事， 航空等领域，所 以 多永磁同步电 机直接 转矩控制系统的容 错运 行的 研究显 得越来越重要。 文 献 【 3 1 一 3 41 中 针对异步电机驱 动系 统讨论了 容错 运行后的重构研究， 一是在对 容错相开关管进行隔离的时候将相应相的电机绕组也从运行系统中切除，从而实现 两相四开 关运行 133 ， 另一种是只切除故障相器件， 通过外电 路的 修改将相应相电 机 绕 组改 接 从 而实 现 三 相 四 开 关 运 行 【231 。 文 献 3 2 中 对 二 者 进 行了 比 较 研 究， 表 明 三 相四 开关系统对器件要求 较低且运行性能远优于两 相四开关 系统。 1 3 z p ms m d t c容错运行综述 在常规的直 接转矩控 制系统中， 常 用电 压型逆变器给电 机供电， 这样逆变器输出 电压可以表示为空间电压矢量。不同的开关状态对应于不同的电压矢量，传统的六 开关逆变器能够提供六个 有效电压矢量 和两 个零矢 量。 直接转矩控制的 基本思 想是 将电机与逆变器看作一个整体，通过选择合适的电压矢量来实现对磁链和转矩的直 接 控制，当逆变器故障产生并对系统 进行重构后， 逆变器开关数目 减少. 三相四开 关逆变器由 于只有四 个开关元 件，不能产生 标准三 相六开关逆变器所具有的 传统六 个有效电压矢量和两个零矢量 ，所以必须对 其电压 矢量进行重新定义，并对控 制策 略进行相 应调整. 因 此p m s md tc 容错运行的 研究不 仅涉及电 力电 子电路， 更重要 的是新型 逆变器供电 下p m s md t c 机理的 研究， 其 研究有着重要的理论意义。 而随 着永磁同步电 机直接转矩控制系统的 应用越来越广 泛， 对其安全可靠性的要求 越来 越高，对其容错运行的研究还有很实际的应 用价值。 本论文以 此为选题， 其研究涉 及电机控 制学科前 沿， 有重要学术价 值。 第 一章绪论 1 . 4 本文主要研究内 容 1 .4 .1 研究内容 本论文研究内容涉及如下 5 个方面: 1 . 四 开关逆变器供电 下电 压空间 矢量的重新定义. 论文主要 研究永 磁同步电 机直接 转矩控制系统在逆变 器故障下的容 错运行， 而实 现容错运行的主要手段就是隔离故障相，以三相四开 关方 式运行， 此时系统能 提供 的电压矢量发生了变化。由于 d t c中所有的控制都是基于电压矢量的选择而实现， 所以 四开关 逆变器 下电压空间 矢量重新定 义将是研究的第 一步。 六开关逆变器供电 永磁同步电机直接转矩控制系统的分析是实现四开关逆变器 容错运行的基础。 因此在回 顾六开关 逆变器供电p m s m d t c 原理的基础上， 对三相 四开关逆变器供电系统拓扑结构进行深入分析，对不同开关状态下的相电压进行推 导，进而实现对四开关逆变器下电压空间矢量的重新定义。 2 . 零电压矢量替代方法。 传统的六开关逆变器系统可以 产生六个有效电 压矢量和两个 零电 压矢量。 当定子 磁 链处于不同位置的时候，六个 有效电 压矢量可以 用来使磁链增大 或者减小，顺时 针或 者逆时 针旋转。而两个零电 压矢量可以 使定子磁链幅值和相角 均保持不变，它 们的 使用可以提高控制的调节能力 和精确性。 但是四 开关逆变器不能产生零电 压矢 量，所以在实际的控制中为了提高性能需研究如何使用相应的方法来替代零矢量的 效果 3 5 1 3 ， 四开关运行性能优化。 传统 d t c在每个采样周期只施加一个电压矢量，一般只能对转矩和磁链的变化 趋势进 行控制， 未能有效控制系 统的 转矩脉动3 6 - 3 7 1 . 在四开 关d t c系统中 只有四 个 有效电压矢量可供 选用， 且无零 矢量， 因 此转矩 脉动将更为严重 t 3 5 1 。 为改善这一 状 况， 不仅需控制系统转矩和磁链的变化趋势，还需对其变化幅 度进行有效控制。 对 此有人采用空间 矢量调制 ( s v m) 方法来合成 所需电 压矢量，进而实 现平 滑的转 矩 调 节 1 u , 3 8 1 。由 于四开 关系统中只 有四 个电 压空间矢量可供 选择， 且无零矢量可用于 调 制过程中的时间补偿， 因 此s v m在实现方法 上必将有别于 传统六开关逆变器供电 系 统， 需深入分析、重新设计。 此处涉及的 关键技术有两个: 一是零电 压矢量的合成。 即使 用已 有的有效电 压矢 量来 合成得到零矢量。不同的合 成方式会各有优缺点， 应用于系统中也将得到不同 的控制性能，应重点研究。 二是空间 矢量调制的实 现。 六开关和四开关系统由 于能 提供的电 压矢量不同，特别是四开关 系统中 还存在 零电 压矢量合成的问题，其实现 第一章绪论 理论和实验验 证都将是研究的重点。 4 . 系统重构技术，即三相六开关系统和三相四开关系统间的平滑切换。 系统容错 运行的实现中一个重要环节就是如何保障从正常系统到容错运行系统 的 平滑切换，这是 保证系 统故障发生时 仍然能连续运行的关键。 5 .实验研究中数字控制技术。 实验系统采用数字控制，选用 tl 公司专门为电机控制开发的定点 d s p t m s 3 2 o f 2 4 。作为系统的主控芯片， 其容错系统的控制程序将包括六开关逆变器 d t c 、 四开 关逆变器d t c及容错系统控制等 程序， d s p 软 件编程及相关 硬件技 术将 是实现所有实验操作的关键技术。 1 .4. 2 章节安排 第一章绪论 第二章p m s md t c逆变器故障 运行研究。 本章中 主要包括永 磁p m s md t c 系统运行机理，数学模型，逆变器故障状态的建模及故障工况的仿真分析。 第三章p m s md t c 系统容 错拓 扑分析及运行研究。 在本章中首 先对容错逆变 器主电路的拓扑结构进行分析， 然后对容错后三相四开关p ms md t c系统进行机理 分析， 重新定义电压矢量并建立开关表， 在此基础上建立数学模型进行仿真研究. 最后搭建实验平台并进行了实验研究. 第四章四开关逆变器供电下 p ms m d t c性能优化。本章中针对三相四开关 p ms m d t c系统运 行性能展开讨论，引 入s v 毛 d 方案优化系统性能，并 通过仿真和 实验验证 s v md t c的优越性。 第五章p m s m d t c系统运行能力 研究。 本章主要从实际系统模 拟故障发生 时 从三相 六开关到三相四开关系统的 切换进行实验研究， 并对三相六开 关和三相四 开关系统运行能力的差异进行分析。 第六章总结与展望 第一章绪论 参考文献 1 唐任远.现代永磁电 机理论与设 计 m .北京: 机械工业出 版社.1 9 9 7 . 2 许大中， 贺益康. 电机 控制 m . 杭州: 浙江大学出 版社. 1 9 9 5 . 3 b l a s c h k e f , v a n d e r b u r g t j , v a n d e n p u t a . s e n s o r l e s s d i r e c t fi e l d o r i e n t a t i o n a t z e r o fl u x fr e q u e n c y c . i a s 1 9 9 6 , s a n d i e g o , c a, 1 9 9 6 , 1 : 1 8 9 - 1 9 6 . 4 s h i h e z , b l a s c h k e f , v a n d e n p u t a, e t a l . c o u n t e r me a s u r e f o r i n s t a b i l i ty i n v o l t a g e s o u r c e i n v e rt e r f e d fi e l d o r i e n t e d s y n c h r o n o u s ma c h i n e s w i t h o u t u s i n g a p o s i t i o n s e n s o r c . i a s 1 9 9 2 , h o u s t o n , t x, 1 9 9 2 , 1 : 4 9 6 - 5 0 2 . 5 s h i h e z , b l a s c h k e f , v a n d e n p u t a, e t a l . a p p l i c a t i o n o f a n e l e c t r o n i c s t a t o r r e s i s t a n c e i n v s i f e d fi e l d o r i e n t e d s y n c h r o n o u s m a c h i n e s c . p e a c 1 9 9 3 , b r i g h t o n , e n g l a n d , 1 9 9 3, 4: 3 0 0一3 0 5 . 6 t e x a s i n s t r u m e n t s . i m p l e me n t a t i o n o f a s p e e d f i e l d o r i e n t e d c o n t r o l o f 3 - p h a s e p ms m mo t o r u s i n g t ms 3 2 0 f 2 4 0 r . s p r a 5 8 8 , t i , 1 9 9 9 7 t e x a s i n s t r u m e n t s . i m p l e m e n t a t i o n o f a s p e e d fi e l d o r i e n t e d c o n t r o l o f t h r e e p h a s e a c i n d u c t i o n mo t o r u s i n g t ms 3 2 0 f 2 4 0 r . s p r a 0 7 6 , t i , 1 9 9 8 . 8 m d e p e n b l o c k . d i r e c t s e l f - c o n t r o l ( d s c ) o f i n v e r t e d f e d i n d u c t i o n m a c h i n e j . i e e e t r a n s . o n p e . , 1 9 8 8 , 3 ( 5 ) : 4 2 0 - 4 2 9 . 9 i s a o t a k a h a s h i , t o s h i h i k o n o g u c h i . a n e w q u i c k - r e s p o n s e a n d h i g h - e f f i c i e n c y c o n t r o l o f a n i n d u c t i o n m o t o 过 刀 . i e e e t r a n s . o n 认. ，1 9 8 6 , 2 2 ( 5 ) : 8 2 0 - 8 2 7 . 1 0 孙丹， 贺益康， “ 基于恒定开关频率空间矢量调制的永 磁同步电机直接转矩控制 j ， 中国 电机z 程学报， 2 0 0 5 , 2 5 ( 1 2 ) : 1 1 2 - 1 1 6 . s u n d a n , h e i i - k a n g , s p a c e v e c t o r m o d u l a t e d b a s e d c o n s t a n t s w i t c h i n g fr e q u e n c y d i r e c t t o r q u e c o n t r o l f o r p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r 刀 . p r o c e e d i n g s o f t h e c s e e , 2 0 0 5 , 2 5 ( 1 2 ) : 1 1 2 - 1 1 6 . ( i n c h i n e s e ) 1 1 智大为， 硕士 论文， “ 永磁同步电 机的转矩直接 控制， z h i - d a w e i , ma s t e r t h e s i s d i r e c t t o r q u e c o n t r o l o f p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s ma c hine s 第一章绪论 【 12贾红平， 博士论文， “ p m s md t c 无传感器运行及传感器集成 研究” j i ah o n gpi n g p h 刀 d i s s e ri a t i o n “ s ens o r l e s sop et a l l on o fp ms m d t c and in v e s t i g atio n o f s ens o r ln t e gr a t l o n ， ， 1 3 d i aman ti s ， g; p r o u s al i d i s ， j 从. “ s i m u l at i o n o f a sh i p p r o p u l s i o n s ” t em w i thd t c 面v i n g s c h em e ， . 月助 石 d 2 0 04( 2 ) ， p : 5 6 2 一 5 6 7 1 4 min- h u ei 幻m ，n am一 h un兀m ，m in 一 h o 肠m ， eta l . an in d u c ti o n m o to r p o s i t i on c ontrol s y s t em w i thdi rec t to rq ue c o n trol c . i s ie 2 0 0 1 ， p u s an ， s o u thk o re a ， 2 0 0 1 ， 2:7 7 1 一 7 7 4. 1 5 youn一 ok c h o i ， k a n g 一 丫 阳 n l 忍 e ， k an g 一 s ong s co， e t a l . p er fo rmanc e anal y s i s o f th e d t cu s i n ga c l o s ed l oops t ator fl ux o b s erv erfo r i n d u c t i o nm o to r int h e l o wspe ed ran gel c . ice ms ， 2 0 0 1 ，s h eny a n g ，c h i na，2 0()l ，1 :8 9 一 9 3 . 1 1 6 h urn，h o n g k，n am k . ar o b ust edapt i v e s ens orle s s 6 e l d 一 orie n t e d con t r o l usi ng a m o d i fi ed s tato r fl ux obs erv er c i p e s c ， 1 9 9 7 ， s t . lou i s ， mo ， 1 9 9 7 ， 2 : 1 0 5 0 一 1 0 5 4 . 1 7 n 田 1 1 h o h ur ， 儿c h u l h o n g ， k w an gheen am s ensori e s s v ec to r con t r o l i n th e p re s enc e o fvol l a g ea n dc u n o lt m e asur em ent e rr o r sb yd e ad一 ti me i n d u c t i on mo to r s c i . las 1 9 9 7 ，n e worl e ans ， l a ，1 9 9 7 ，1 :4 3 3 一 4 3 8 . 1 8 ch明一 c hi eh认 la n g ，chi h 一 h s i n g f an g . s enso ri e s s sc a l ar-con trol l ed i n d u ction m o to r 面v e s withm o di fi ed fl u x o b s erver 【 刀 . iee et r a n s a c t i ons on ener gy c onv ersin n ， 2 0()3 ，1 8 ( 2 ) :1 8 1 一 1 8 6 . 1 9 ， 阳 n g k e chen g ， d i ngr a n ， w 七 i d o n g ， eta l . li nearm o de l c o n t r o l o f m a g n e ti c fi e l d ener gyi n doubl e 一 fed m o t orwithad a p ti vefl uxobs erver 【 c . i c e m s ， 2 0 0 1 ， s h e n y a n g ， chin a ， 2 0 0 1 ，2: 1 25 8 一 1 2 6 0 . 2 0 j “ e m i kk . s p ee ds e nso r l e s s to rq ue c o n 仃 o l o f i n d u c ti o nm otorfo r e v ， 5 c a d v anc ed mo ti o n c o n trol 2 0 0 2 ，2 0 0 2 :2 3 6 . 2 4 1 . 2 1 s un d an， f an gwe i zho ng， h e肠 k a n gs tu dy on th e di rect to 叫 ue cont ro l o f p erin anent m a gnets ync h r 0 nousmot o r s driv ers c . i c e m s ， 2 0 0 1 ， s h eny a l l g ， c b i n a ， 2 0 01 ， 1 : 5 7 1 一 5 7 4. 2 2 j unl i u ， pus h en g w u ， h u a yu b ai ， et a l . a p p li c at i ono f 阮zycon t r o l i n d i r ect to r q u e c o nt ro l o f p erm anent m a gnets ync h r o n o us m o t o r c . w c i c a2 0 0 4 ， h angzh ou， china ，2 0 04 ，5:4 5 7 3 一 4 5 76 . 第一章绪论 2 3 刘 军 ， 刘 丁， 吴浦 升， 等. 基 于模糊 控制调节 电压矢量 作用时间 策 略的永 磁同 步 电 机直 接 转矩 控制 仿真 研 究 j . 中国电 机 工程学 报， 2 0 0 4 , 2 4 ( 1 0 ) : 1 4 8 - 1 5 2 . 2 4 t g h a b e f e r , f . p r o f u m o , m p a s t o re l l i , e t a l . d i r e c t t o r q u e c o n tr o l o f i n d u c t i o n m o t o r m a c h i n e s u s i n g s p a c e v e c t o r m o d u l a t i o n 习 . i e e e t r a n s . o n i n d u s t ry a p p l i c a t i o n s , 1 9 9 2 , 2 8 : 1 0 4 5 - 1 0 5 3 . 2 5 z h a n g , h . ; v o n j o u a n n e , a . ; d a i , s . a r e d u c e d - s w i t c h d u a l - b r i d g e