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原文传递电动汽车用五相永磁容错电机的设计及运行控制研究

论文题名：	电动汽车用五相永磁容错电机的设计及运行控制研究
关键词：	电动汽车;多相永磁容错电机;PWM算法;矢量控制;缺相故障
摘要：	由于能源危机及环境污染，电动汽车替代内燃机汽车成为人们出行的主要交通工具是未来发展的趋势。电动汽车对可靠性要求高，它要求驱动电机具有较强的容错能力、较高的效率及功率密度，要求电机驱动系统具有较宽的调速范围以及容错运行的能力。多相永磁容错电机通过增加相数来实现容错运行，具有功率密度高、转矩波动小、能实现低压大功率传动等优点，适合电动汽车场合的应用。　　多相永磁容错电机在具有电、热、磁隔离能力的同时，还要具备较高的效率及功率密度。另外，电机控制时可利用的自由度增加，对基波空间分量进行控制的同时要兼顾谐波空间分量的影响。容错运行时，电机相与相之间不对称，系统扰动增加，因此，合理设计容错运行策略，提升容错运行的性能是目前研究的热点。本文以直驱纯电动汽车为应用背景，对五相永磁容错电机的设计及运行控制的关键问题进行研究，所做的工作主要包括以下四个部分：　　首先，对具有电、热、磁隔离能力的五相永磁容错电机的设计方法进行研究。分析了五相永磁容错电机电枢磁动势合成原理及谐波分布，在此基础上，分析了极槽配合对电机绕组因数、齿槽转矩、损耗的影响，提出了具备电、热、磁隔离能力的五相永磁容错电机极槽配合选取的原则；电感参数对电机及其控制系统设计有重要影响，本文对五相永磁容错电机电感参数解析计算方法进行研究，并通过有限元仿真对给出的电感解析计算方法进行验证；分析了主要结构参数对电机的性能的影响，给出了电机参数有限元优化的方法；通过有限元仿真对设计方案进行了验证，结果表明所设计电机满足指标要求，具有良好的电磁性能及容错能力。　　其次，对五相永磁容错电机平衡及非平衡负载下 PWM算法的原理及数字化实现方法进行对比研究。给出了五相永磁容错电机CBPWM算法，相邻二矢量法、相邻四矢量法的原理及实现方法。这三种方法不能对输出相电压中的零序分量进行控制，非平衡负载下不能有效跟随给定参考电压空间矢量；针对非平衡负载的情况，提出基于五相六桥臂拓扑的相邻五矢量法；以母线电压利用率、数字实现复杂度以及处理非平衡负载的能力等方面为指标，对给出的四种PWM算法进行对比分析，给出了不同PWM算法的适用场合；通过仿真及实验对提出的PWM算法进行对比验证，结果表明提出的相邻五矢量SVPWM算法能有效工作于非平衡负载情况下。　　再次，对五相永磁容错电机的矢量控制及三次谐波电流注入方法进行研究。推导了五相永磁容错电机的数学模型，解析分析了永磁体磁链三次谐波对电机控制的影响，给出了单空间矢量控制策略及双空间矢量控制策略的实现方法及适用场合，并给出了电机电流、转速双闭环控制系统的设计方法；当永磁体磁链含有三次谐波分量时，通过三次谐波电流注入的方法能够提高电机的输出转矩。考虑三次谐波电流注入对转矩、损耗的影响，提出电流幅值约束下最优三次谐波电流注入率的实现方法；搭建实验平台，对提出的控制策略进行验证，实验结果与分析一致，验证了提出方法的有效性。　　最后，对缺相故障下五相永磁容错电机的容错运行策略进行研究。构造缺相故障下的解耦变换矩阵，推导了缺相故障下同步旋转坐标系内电机的解耦数学模型；通过优化z轴零序电流的给定，分别实现了基于铜损最小、电流幅值相等原则的容错运行策略；分析了漏感、永磁体磁链三次谐波等因素对电机容错运行的影响，提出基于前馈补偿的容错运行策略来消除这三方面的影响；通过实验对提出的容错运行策略进行验证，结果表明提出的容错运行策略能够实现缺相故障下电机的解耦矢量控制，采用带前馈补偿的容错运行策略能有效减小q轴电流波动，从而减小容错运行时的转矩波动。
作者：	王鹏飞
专业：	电机与电器
导师：	李铁才
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文