【摘 要】
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三相开绕组永磁同步电机采用共母线双逆变器驱动,具有驱动功率大、可控性好的优点,特别是具备很强的故障容错能力,被认为是电动汽车驱动具有竞争优势的方案,得到了研究界的重视。本文针对开绕组永磁同步电机驱动系统（Open-End Winding Permanent Magnet Synchronous Motor,OEW-PMSM）直接转矩控制（Direct Torque Control,DTC）进行深入
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（51777096）,电动汽车用开绕组永磁同步电机直接转矩控制研究；
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三相开绕组永磁同步电机采用共母线双逆变器驱动,具有驱动功率大、可控性好的优点,特别是具备很强的故障容错能力,被认为是电动汽车驱动具有竞争优势的方案,得到了研究界的重视。本文针对开绕组永磁同步电机驱动系统（Open-End Winding Permanent Magnet Synchronous Motor,OEW-PMSM）直接转矩控制（Direct Torque Control,DTC）进行深入研究,提出与之相适应的DTC理论与实施策略、并以电动汽车为应用背景,研究占空比自适应调节的DTC、转矩纹波最小化的DTC、预测型DTC、无差拍直接转矩磁链控制（Deadbeat Direct Torque and Flux Control,DB-DTFC）以及DB-DTFC容错策略（Fault Tolerant Deadbeat Direct Torque and Flux Control,F-DTFC）等多种DTC策略,为完善开绕组永磁同步电机系统的实用化打下坚实的基础。本文的具体研究内容和主要成果可归结为以下几个方面。1、在分析共母线型OEW-PMSM数学模型及双逆变器输出电压矢量的基础上,研究其传统DTC策略。研究结果表明:传统DTC策略存在零序电流、电磁转矩、定子磁链纹波大等问题。为解决上述问题,提出一种占空比自适应调节的DTC。该策略以零序电压无误差跟踪及定子电压控制误差最小化为目标,设计一种占空比自适应调节机制,通过灵活调整有效电压矢量以及两个零矢量的占空比,达到抑制零序电流、电磁转矩、定子磁链纹波的目的。此外,根据零矢量的冗余特性,所提占空比自适应调节的DTC以开关管在一个控制周期内动作的总次数最少为原则来选择零矢量,从而优化PWM实施方案,可使双逆变器平均开关频率极大程度降低。2、为了进一步降低共母线型OEW-PMSM驱动系统的零序电流和电磁转矩纹波,提出一种基于转矩纹波最小化的DTC。该策略将零序电流这一正弦交流量分解为两个直流量,并采用双PI调节器对这两个直流量分别进行控制,可有效地将零序电流的幅值抑制到0附近。在此基础上,推导了电磁转矩纹波最小时有效电压矢量的占空比,通过插入零序电压分量为零的零矢量对有效电压矢量的占空比进行调节,可确保该电机驱动系统的电磁转矩纹波在理论上是最小的。研究及实验结果表明:与传统DTC及占空比自适应调节的DTC相比,转矩纹波最小化的DTC在不同工况下均具有更好的零序电流和电磁转矩纹波抑制效果。3、预测型DTC具有概念直观、易于处理多变量及非线性约束等优点,本文首次将其应用至共母线型OEW-PMSM系统中。然而,预测型DTC的基本策略存在权重系数难以整定、未对有限控制集中的元素进行优化等问题。针对此,提出一种基于无权重系数和有限控制集优化的预测型DTC。该方案将零序电流、电磁转矩、定子磁链等不同量纲物理量的控制等效为对定子电压矢量的控制。由于等效后的被控对象具有相同的量纲,无需在评价函数中引入权重系数。此外,对有限控制集中的元素提出一种两步优化方案,将原先由单一电压矢量构成的元素优化为由三个电压矢量合成的元素。与预测型DTC的基本策略相比,所提预测型DTC优化方案省去了繁琐的权重系数整定过程且具有更小的零序电流、电磁转矩、定子磁链纹波。4、为了进一步提升该电机驱动系统的运行性能,使共母线型OEW-PMSM中零序电流、电磁转矩、定子磁链的实际值在一个控制周期内跟踪上参考值,提出一种DB-DTFC新策略。所提DB-DTFC基于有效磁链的概念推导直接转矩磁链控制器,揭示了定子电压矢量与电磁转矩、定子磁链幅值这两个控制目标的关系。在此基础上,提出一种基于零序电流滞环控制的新型空间矢量调制（Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM）策略,选择零序电压极性与零序电流控制误差极性相反的电压矢量作为基本电压矢量来合成定子电压参考值。该空间矢量调制策略不仅实现简单、零序电流抑制效果好,且在较高基波调制比时零序电压仍具有较宽的线性调制范围。仿真及实验结果验证了所提DB-DTFC的有效性。5、前面几种共母线型OEW-PMSM的DTC方案均是针对无故障运行的场合提出的,为了提高系统的可靠性,确保该电驱动系统在发生一相开路故障后仍可实现不间断运行,进一步提出一种F-DTFC策略。该策略建立了共母线型OEW-PMSM系统发生一相开路故障后的数学模型,揭示了其运行规律。基于此,构建故障情况下的无差拍直接转矩磁链控制容错算法。在分析剩余健康相所产生电压矢量的基础上,提出一种与之运行工况相适应的改进型SVPWM。研究表明:采用所提F-DTFC策略可使得该电机驱动系统在发生一相开路故障后仍具有较小的电磁转矩和定子磁链纹波,能满足容错运行基本需求。本文的研究将共母线型OEW-PMSM的DTC应用于电动汽车电驱动领域以提高系统运行性能,并可推广至其他驱动应用场合。同时,也丰富发展了DTC理论。
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