【永磁同步电动机开环控制方法研究开题报告文献综述7400字】

永磁同步电动机开环控制方法研究开题报告文献综述1.1课题的研究背景及意义能源是国家进步发展的源动力和生命线，人类进入新世纪以来，能源短缺问题逐渐凸显，进而引发新能源技术的异军突起，节能减排等相关技术的发展已经成为当今世界各国新的技术竞争高地[1-2]。传统的化石能源动力驱动体系是重要的高耗能的领域，而由传统动力结构转为电机驱动系统是实现节能降耗，改善这一现状的重要举措。因此，除了在现有技术的基础上大力提高电机效率，还可以通过采用多相电机调速系统在保证低压供电的同时提高系统功率，通过上述措施均可以实现交流调速系统的节能降耗[3-4]。而多相永磁同步电动机兼具高效率、高功率密度、低转矩脉动、动作响应快、运行噪声低等特点，可以实现速度和转矩的高精度控制。同时电机在形状以及结构设计多样化的优点，使其在传统交流和直流电机的应用场景中拥有更好的表现[5-6]。我国也是稀土资源大国，发展永磁电机拥有先天的自然优势，目前永磁电机已经广泛应用于航空航天、新能源交通、装备制造等方方面面的应用领域。随着电力电子技术的进步和功率器件性能的提升，以及高性能微控制器在电气控制领域的快速普及，各种应用场合驱动控制技术的发展越来越受到三相系统的制约。例如在舰船电力推进系统中，系统供电电压较低，若采用传统三相动力推进系统，只有通过多组功率开关器件并联或者多台三相电机串联运行的方法提高系统容量来保证舰船足够的动力输出[7-8]。但是采用上述方法会带来系统功率密度降低以及可靠性较差等负面影响。若采用多相永磁同步电动机作为动力驱动，就可以利用电机相数的增加来降低了对单相供电回路容量的要求，总的功率需求由各相共同分担，从而保证了在舰船中低压供电条件下足够的功率输出，同时确保整个舰船动力系统的冗余性，提高了各种复杂工况下的可靠性[9-12]。目前的舰船动力系统是由燃油发动机提供动力输出，再通过传动轴和变速箱等驱动螺旋桨推动舰船前进，复杂的驱动部分约占整个船长的一半，降低了空间利用率。舰船电力推进则是将螺旋桨与电动机转子轴体直接连接的驱动方式[13-16]。采用这种电机直驱的动力系统来取代传统燃油发动机的推进方式会带来诸多优点。电力推进系统首先将储备的化石燃料通过船用发电机组转变为电能，同时利用输配电线路将电能分配至多相电机系统以及其他用电部分。由于传统结构中的变速箱等传动装置被直驱电机取代，使得整个系统结构紧凑，舱内布局更灵活。同时，舰船电力系统为提高航程和运行经济性，其内部配电网络是由多台柴油发电机组供电，实时根据舰船整体的电力需求，智能选择运行模式确定投入运行发电机组的台数，提高了整个系统的供电可靠性[17-19]。综合以上多相电机在舰船动力推进方面的应用优势，结合舰船推进动力系统惯性大，对系统的动态响应要求不高的特点，使得其开环控制的研究成为了可能。1.2多相电机的发展概况19世纪60年代末E.E.Ward等人研究了基于多相逆变器供电的五相感应电动机控制系统[20]，该研究发现随着电机相数的进一步增加，电机的转矩脉动随之降低，脉动频率上升，电机的转矩性能得到提升。随着晶闸管技术的诞生以及电力电子技术的突飞猛进，交流变频调速系统逐渐发展进入实用化阶段，进而取代传统的直流调速系统[20-22]。不同于传统三相调速系统，多相电机的变频调速系统是基于多相逆变器来实现的，这样就使电机不再与三相供电系统直接相连。多相逆变器使电机脱离了电网的相数约束，多相电机的发展逐步加快，得益于多相电机系统输出转矩脉动小，以及具有较强的容错运行能力等优点，多相电机及其控制系统的研究越来越受到关注。相比较于传统的三相电机系统，多相电机经解耦旋转坐标变换后有更多的控制平面，控制自由度大大提升[23-26],因此人们逐步转入对多相电机建模[27],多维空间矢量解耦[28-30]，谐波电流抑制[31-32],多相电机的调制策略研究[33-35],等新领域进行研究。图1-145型驱逐舰图1-2U214级潜艇美国最先在20世纪90年代就研制出了18MW的六相轴向永磁推进电机，并将其应用于潜艇动力推进系统中[36]。随后，在本世纪初英国下水的45型驱逐舰采用了一台法国产阿尔斯通的15相感应电机作为动力驱动装置，其最大功率达到了21MW[37-40]。德国西门子公司研制的12相永磁同步电动机推进系统，也已批量装备在德国U212级和U214级常规动力潜艇上，其驱动轴直接与螺旋桨推进器相连，获得了极好的调速性能。此外在风力发电领域，西班牙制造商开发出了18相永磁同步发电机，提高了整个发电系统的稳定性，获得了更好的电能质量[41]。国内对于多相电机系统的研究稍滞后于国外且研究起点较低，但发展势头强劲。多所科研院校都对多相电机系统进行了深入的研究。中船重工712所研制出了国内首台10MW等级的中压大功率船用推进系统[42-45],浙江大学对多相感应电机的变频调速系统及调制策略进行了研究[46-48]，哈尔滨工业大学完成了车用半12相外转子容错永磁同步电动机的研制[49],南京航空航天大学对飞行器动力电机中的六相十极永磁容错电机做了设计和研究[50-52]。随着多相电机系统研究的深入，其应用研究领域已扩展至航空电机、高速电梯大功率压缩机等应用场合。1.3永磁同步电动机开环控制方法的概述与研究现状随着永磁同步电动机控制技术不断进步发展，逐渐形成了最为主流的矢量控制和直接转矩控制，以及被成熟应用于各种对调速性能要求不高等场合的开环控制和以模糊控制、神经网络控制为代表的现代控制四种控制技术[53]。开环控制是以电机的数学模型为研究基础，依据不同的研究对象设计不同的开环控制方案。同时，因开环控制与传统的闭环矢量控制不同，它仅是对参数的幅值和频率进行控制，控制结构并未引入其他反馈信息，所以其本质上是典型的开环控制方式[54-55]。开环控制系统的结构相对来说较为简单、同时具有电机参数精确度要求不高、整个控制方案中不需要采集转子位置信息等特点[56-57]。其相对简易的控制结构也使开环控制算法较为精简、程序运行耗时短，对控制系统处理器的计算压力相对较小。现阶段形成的主流开环控制策略有两种，即V/F控制和I-F控制。1.3.1V/F控制恒压频比控制一般被称作V/F控制，这种开环控制策略被广泛应用于感应电机的控制系统。该控制方法的基本思路是，首先根据电机的实际参数，结合具体应用工况绘制开环控制曲线，再通过控制曲线确定由变频控制模块通入被控电机的实际电压。由于整个控制回路并没有通过电机端引入定子电流和具体的转子位置等实时信息，所以这种控制策略从控制结构上来讲是一种完全意义上的开环控制[58-60]。开环V/F控制经历了多年的技术积累，同时又被大量应用于各种实际场景，其控制技术也相当丰富，是一种技术成熟且易于实现的电机开环控制方式。图1-3V/F控制框图由感应电机公式n=(60f/p)(1-s)可知，当电机转差率s变化量较小时，转速n基本上与供电频率f保持正比变化[61-62]。因此，若要进行电机调速就可以通过调节变频器供电频率f来实现。同时，在电机调速过程中，要保持电机励磁电流和功率因数基本不变，就需要通过保持磁通ϕ不变。以下分两种情况讨论：若磁通ϕ>ϕN（ϕN为额定磁通），就会造成电机磁路过饱和，同样的电机励磁电流将会随之上升，从而使电机功率因数进一步降低，严重时甚至烧毁电机；此外，当ϕ<ϕN时，就会导致电机可以输出的转矩T下降，从而造成对电机的输出功率不能完全利用。图1-4开环控制特性曲线所以电机采用开环V/F控制时，在通过改变变频器输出电压频率来实现电机调速的过程中只有使电机磁通保持为恒定不变的值，才能保证不会造成功率浪费和实现电机安全运行，故也可将恒压频比控制称为恒磁通控制。根据电机定子回路的电动势方程Uϕ≈4.44fNkWϕ(忽略定子电阻和漏感压降)可知，电机基频以下调速过程中，通常要求接入电机定子的电压幅值与其频率的比值是一个恒定的常数，进而以保持电机气隙中每极的磁通量近似维持在额定值附近且保持恒定，保证电机在带恒转矩负载条件下的调速性能。当电机在基频以上调速，此时继续使变频器供电频率上升，电机定子电压将不再随之上升，电机将在弱磁状态下运行[63-65]。根据永磁同步电动机转速严格与变频器供电频率保持同步的特点，通过控制给定频率就可以实现电机调速。所以，基于先前感应电机开环V/F控制策略的研究，提出了永磁同步电动机V/F控制策略，该方法同样可以实现对永磁电动机的调速控制，同感应电机控制类似，整个控制结构中并没有从电机端引入电流，转速以及转子位置等信息[66]。永磁同步电动机开环控制系统的特点是易于实现、程序简单、实用性强，在控制精度要求不高的应用场合优势突出。图1-5几种不同特性的V/F曲线对于感应电动机来说，在开环V/F控制下带载运行，当负载变化时，转子绕组中会感应生成电流让转子磁链改变适应负载变化，所以电机加载前后定子电压基本不变。但是，当开环控制的永磁同步电动机负载发生变化时，由于其不存在转子绕组且转子永磁体磁链不变，定子电压也会随之发生变化[67]。同时V/F控制曲线斜率设置需要考虑不同的运行工况否则会导致电机失步甚至引起过流。因此，永磁同步电机要想在开环运行方式下获得良好的控制性能，就需要不断试验绘制合适的V/F控制曲线[68]。对于大功率推进系统等对调速性能要求不高的应用场景，常采用永磁同步电动机开环控制系统，但一般的开环V/F控制因电机转子无阻尼绕组而易产生失步造成电机振荡，使系统稳定性降低。文献[69]以电机数学模型为基础，通过建立开环控制方式下的扰动模型来分析电机的运行稳定性，通过绘制控制系统的根轨迹来判别电机的稳定情况。同时，综合考量了电机本体参数以及转速、转动惯量和负载等因素对开环控制方式下电机运行稳定情况的影响，确定了电机稳定运行状态下各参数范围。文献[70]在传统开环控制的基础上引入一个通过瞬时有功功率调整定子电流频率的反馈环节，从而提高电机系统的转速收敛性。文献[71-72]首次采用了利用电机的瞬时有功功率扰动量构成反馈环节以此来改善永磁同步电机的开环控制策略，主要研究不同转速、负载对系统稳定性的影响。文献[73-74]通过利用电机的瞬时无功功率构成反馈环节来调制变频器输出电压的相角和幅值，获得了较好的控制效果。文献[75-77]利用瞬时有功功率和相角来调整输出电压的幅值和频率，有效改善了永磁同步电机开环V/F控制方式下的调速性能。但上述方法皆是适用于传统三相电机开环控制策略，并未对多相电机的开环控制方案进行研究，也未对上述调制反馈方法的有效性进行验证。1.3.2I-F控制永磁同步电动机在采用开环V/F控制时没有引入诸如电流、位置和速度等反馈量信息，从控制结构来说属于开环控制。因此在实际运行过程中，无法根据电机的实时转子信息来调整电机的运行状态，控制响应相对滞后，尤其是在电机起动阶段或者负载转矩发生较大变化时，容易导致电流过大，进而会引发系统过流保护动作或者造成功率器件损坏[77-80]。随后，在此基础上提出了开环I-F控制，因其采用电流闭环控制方法，避免了电流过大。文献[81-82]首次提出将I-F控制方法应用于永磁同步电动机的低速启动阶段的控制。文献[83]提出一种针对于永磁同步电机的电流矢量闭环的I-F控制方案，利用有功功率调节电流矢量的转速，利用无功功率调节电流矢量幅值，以此来提高开环控制系统的稳定性。I-F控制的基本思路是根据电机实际所带负载的转矩和转速特性，由变频器向电机输入与所带负载相匹配的电流，再输出电磁转矩拖动负载运行[84]。图1-3开环I-F控制结构框图由图1-3可以看出I-F控制是在矢量控制的基础上，利用控制结构中的电流回路，通过电机端的采样电路，将定子的电流信息反馈至控制端，通过此过程完成电流闭环。但整个控制过程并未对速度环做任何措施，从控制结构来说I-F控制仍属于开环控制范畴，同时由于电流闭环的存在，这种控制方法能对电机的过电流现象进行有效抑制。1.4本文主要研究内容及章节安排本文以船用大容量九相永磁直驱电机为目标电机，用来研究的小样机除容量按比例大为缩小外，其结构形式上与实际大容量电机基本一致，此小样机定子绕组为九相半对称分布，转子为表贴式偏心削极磁极。同时，基于船用推进电机转子轴系转动惯量大、调速性能要求不高的特点，采用了一种基于频率反馈的九相永磁同步电动机开环驱动控制方案。第一章是绪论部分，首先陈述本课题的研究背景，概括国内外多相电机研制和应用的发展状况，同时对电机两种开环控制策略的基本原理进行阐述，并对二者的发展现状进行分析。第二章建立本课题研究对象九相永磁同步电动机的数学模型。推导绕组半对称分布情况下九相电机的扩展Park变化矩阵，分析所研究九相永磁同步电动机经旋转坐标系变换后各谐波平面的控制特点，列写九相永磁同步电动机经旋转坐标变换后的电压、磁链、转矩及运动方程。第三章在建立的电机数学模型基础上，基于电机基波子平面建立电机转子扰动模型，对电机在开环V/F控制方案下的稳定性问题进行分析，利用特征根法分析开环控制下电机起动过程中的不稳定运行状况。随后为提高九相永磁同步电动机开环控制的稳定性，在传统开环控制基础上设计一个频率反馈量与电机输入瞬时有功功率扰动量成比例关系的防振荡调制环节，用于增强转子阻尼，从而提高电机起动过程的稳定性，降低转速波动，改善电机的抗负载冲击能力，实现电机在较宽转速范围内的开环稳定运行。第四章主要对九相永磁同步电动机开环I-F控制系统进行研究，建立九相永磁同步电动机开环I-F控制系统并推导电机的稳定运行范围，验证所用频率调制环节对I-F控制下电流矢量的调节作用，并对九相永磁同步电动机在两种开环控制策略下的电机运行特点进行对比，同时对本文所用调制策略进行简要说明，并进行仿真分析。第五章为验证本文所用频率调制环节在九相永磁同步电动机开环控制时的有效性，利用现有九相永磁同步电动机的实验平台，编写本文所需算法的实验程序，并对电机在开环控制方式下的起动及带载过程进行调试、实验。第六章对整篇论文进行总结和展望，阐述已完成的工作和日后需要进一步探索的问题。参考文献范昕.舰船永磁电机推进系统概述[J].船电技术,2012,32(09):46-49.陈锋,曹洪涛,刘洋,等.国外舰艇综合电力系统研究综述[J].舰船科学技术,2017,39(9):1-5.WardEE,HaRerH.Preliminaryinvestigationofaninvertor-fed5-phaseinductionmotor[J].ProceedingsoftheInstitutionofElectricalEngineers,2010,116(6):980-984.韩彦芳.电力推进装置在小型船舶上的应用[J].科技创新导报,2008(17):125-126.於锋.九相磁通切换永磁电机系统及容错控制研究[D].东南大学,2016.王晋.多相永磁电机的理论分析及其控制研究[D].华中科技大学,2010.薛山.多相永磁同步电机驱动技术研究[D].中国科学院研究生院（电工研究所）,2006.刘自程，李永东，郑泽东．多相电机控制驱动技术研究综述[J]．电工技术学报，2017，32(24)：17-29.LeviE,JonesM,VukosavicSN,etal.Modeling,Control,andExperimentalInvestigationofaFive-PhaseSeries-ConnectedTwo-MotorDriveWithSingleInverterSupply[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2007,54(3):1504-1516.Hyung-Min,Ryu,Jang-Hwan,etal.AnalysisofMultiphaseSpaceVectorPulse-WidthModulationBasedonMultipled-qSpacesConcept.[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2005,20(6):1364-1371.ZhengL,FletcherJE,WilliamsBW,etal.Dual-PlaneVectorControlofaFive-PhaseInductionMachineforanImprovedFluxPattern[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2008.赵品志,杨贵杰,李勇.三次谐波注入式五相永磁同步电机转矩密度优化[J].中国电机工程学报,2010,30(33):71-77.李永岗.多相感应电机容错运行及无速度传感器控制策略研究[D].中国矿业大学,2019.崔路.表贴式永磁同步电机的全速度范围无位置传感器运行研究[D].北京交通大学,2019.袁飞雄,黄声华,龙文枫.六相永磁同步电机谐波电流抑制技术[J].电工技术学报,2011,026(009):31-36.付家祥.九相感应电机对称缺相运行矢量控制[D].青岛大学,2019.LegaA,MengoniM,SerraG,etal.SpaceVectorModulationforMultiphaseInvertersBasedonaSpacePartitioningAlgorithm[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2009,56(10):4119-4131.边元均.船舶电力推进用九相永磁电机的驱动技术研究[D].华侨大学,2015.王铁军.多相感应电动机的谐波问题研究.华中科技大学,2009.RubaM,FodoreanD.AnalysisofFault-TolerantMultiphasePowerConverterforaNine-PhasePermanentMagnetSynchronousMachine[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2012,48(6):2092-2101.於锋,程明,夏子朋,等.3种谐波电流注入模式下的磁通切换永磁电机缺相容错控制[J].中国电机工程学报,2016,36(003):836-844.JungE,YooH,SulSK,etal.ANine-PhasePermanent-MagnetMotorDriveSystemforanUltrahigh-SpeedElevator[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2012,48(3):987-995.刘剑.六相永磁同步发电机控制技术研究[D].哈尔滨工业大学,2014.汤浩.九相感应电机矢量控制系统的研究[D].浙江大学,2013.郑晓钦.多相感应电机缺相运行研究[D].华中科技大学,2017.王鸿儒.基于电流型PWM整流器的蓄电池组充放电技术研究[D].中国石油大学,2011.冯旭.高压变频器调制技术的研究与实现[D].中南林业科技大学,2012.李聪聪.新型全数字式EPS的研制[D].西安科技大学,2012.林晓岚.基于SVPWM调制的单相二极管钳位级联整流器电压均衡控制策略研究[D].西南交通大学.马记.小型风机并网逆变器研究[D].山东科技大学,2010.王芳.表贴式永磁同步电机削极技术的研究[J].船电技术,2018,38(02):41-45.王哲.机电能量可控型电机测试系统研究[D].长沙理工大学,2012.赵兴涛.双三相永磁同步电动机驱动控制系统的研究[D].哈尔滨工业大学,2009.AndresenB,BirkJ.AhighpowerdensityconvertersystemfortheGamesaG10x4,5MWwindturbine[C].PowerElectronicsandApplications,2007EuropeanConferenceon.IEEE,2008.杨帆.空调系统中永磁同步电机无传感器控制研究[D].湖南工业大学,2019.姚文熙.多电平六相同步电机变频调速全数字控制技术研究[D].浙江大学,2005.刘东,黄进,康敏,等.多相感应电机的非正弦供电技术[J].中国电机工程学报,2011,31(12):84-89.参考文献范昕.舰船永磁电机推进系统概述[J].船电技术,2012,32(09):46-49.陈锋,曹洪涛,刘洋,等.国外舰艇综合电力系统研究综述[J].舰船科学技术,2017,39(9):1-5.WardEE,HaRerH.Preliminaryinvestigationofaninvertor-fed5-phaseinductionmotor[J].ProceedingsoftheInstitutionofElectricalEngineers,2010,116(6):980-984.韩彦芳.电力推进装置在小型船舶上的应用[J].科技创新导报,2008(17):125-126.於锋.九相磁通切换永磁电机系统及容错控制研究[D].东南大学,2016.王晋.多相永磁电机的理论分析及其控制研究[D].华中科技大学,2010.薛山.多相永磁同步电机驱动技术研究[D].中国科学院研究生院（电工研究所）,2006.刘自程，李永东，郑泽东．多相电机控制驱动技术研究综述[J]．电工技术学报，2017，32(24)：17-29.LeviE,JonesM,VukosavicSN,etal.Modeling,Control,andExperimentalInvestigationofaFive-PhaseSeries-ConnectedTwo-MotorDriveWithSingleInverterSupply[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2007,54(3):1504-1516.Hyung-Min,Ryu,Jang-Hwan,etal.AnalysisofMultiphaseSpaceVectorPulse-WidthModulationBasedonMultipled-qSpacesConcept.[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2005,20(6):1364-1371.ZhengL,FletcherJE,WilliamsBW,etal.Dual-PlaneVectorControlofaFive-PhaseInductionMachineforanImprovedFluxPattern[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2008.赵品志,杨贵杰,李勇.三次谐波注入式五相永磁同步电机转矩密度优化[J].中国电机工程学报,2010,30(33):71-77.李永岗.多相感应电机容错运