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原文传递电动车用开绕组永磁同步电机系统故障诊断及容错技术研究

论文题名：	电动车用开绕组永磁同步电机系统故障诊断及容错技术研究
关键词：	电动汽车;开绕组永磁同步电机;故障诊断;容错技术
摘要：	安全性与可靠性是电动汽车的重要指标，电机及其控制系统为电动汽车的重要组成部分，研究电机及其驱动系统的故障诊断及容错运行方法是提高电动汽车安全与可靠运行的重要手段。永磁同步电机因具有功率密度大、效率高等优点，已成为电机驱动领域中应用较广泛的机型。开绕组永磁同步电机作为永磁同步电机的重要分支，在功率器件容量需求、容错能力、控制性能方面较传统三相永磁同步电机均有较大优势。本文以开绕组永磁同步电机在电动汽车中的应用为背景，以保障车辆故障后仍可安全行驶至安全区域为前提，针对应用过程可能出现的部分故障诊断问题及故障后的运行问题进行研究。　　针对开绕组永磁同步电机驱动系统可能出现的功率器件开路故障，建立了以故障电流特征为基础的诊断方法。该方法由初步诊断与功率器件故障定位两部分组成。初步诊断根据功率器件开路故障后的电流特征，在传统故障诊断方法的基础上，通过引入新的变量，将故障特征值与阈值的判断转化为对故障特征值的正、负、零的符号判断，简化了阈值的设置。开绕组永磁同步电机的系统结构决定了依据故障后电流特征的初步诊断方法，只能判断故障发生在H桥的一对功率器件中。对于功率器件开路的故障定位，以初步诊断后开绕组永磁同步电机切换至两相容错运行为前提，结合永磁体产生的感应电动势，对故障功率器件所在H桥进行单功率器件调制，根据调制后的电流特征完成功率器件开路故障定位。　　针对开绕组永磁同步电机运行中，可能出现的相绕组匝间短路故障，提出了一种可识别相绕组匝间短路故障程度的诊断方法。该方法通过对电流不平衡度的判断，完成对匝间短路所在故障相的定位。以所建立的开绕组永磁同步电机匝间短路数学模型为基础，利用改进粒子群算法对匝间短路故障程度进行辨识，实现了故障程度的诊断。　　针对开绕组永磁同步电机驱动系统中单个功率器件开路故障后的容错运行，提出了一种低开关频率容错运行方案。该方案以功率器件开路故障后，将该器件相连的相绕组经固态开关连接至与直流电压并联的两个电容中点为硬件拓扑。为解决因电容电压波动引起调制过程中的扇区难以选择问题，将考虑电容电压波动的参考电压调制转换至三相静止坐标系下进行。此外，为了降低开关频率，通过引入共模电压变量，根据参考电压的极性，同步调整参考电压，实现了单个控制周期内变换器系统中功率器件开关次数的降低。　　针对开绕组永磁同步电机可能发生的绕组断相故障，提出了一种共直流母线开绕组永磁同步电机系统在绕组断相故障下的控制策略。通过建立同步坐标系下电流分量与静止坐标系下电流分量之间的数学模型，分析同步坐标系下电流分量中的二倍频及四倍频分量与ZSC的关系，提出了在同步坐标系下采用比例积分谐振控制器抑制ZSC的方法。此外，根据绕组断相故障下开绕组永磁同步电机系统电压矢量的分布规律，提出了一种利用两个互相垂直的电压矢量来统一调制参考电压矢量的方案。　　针对开绕组永磁同步电机两独立电池组的能量均衡问题，提出了一种基于模型预测控制的能量分配方法，该方法以锂电池的容量损失、温度、荷电状态数学模型为基础，建立价值函数。根据电机运行中的能量需求，以两电池组的荷电状态误差最小、电池温差最小、容量损失误差最小为控制目标，预测两电池组的电流，根据预测的电池电流，推算出开绕组永磁同步电机驱动系统中两个变换器的参考电压矢量，从而实现电压矢量的优化分配。与传统电压矢量分配方法相比，可有效提高两电池组的均衡能力，从而保障整车的安全可靠运行。
作者：	吕康飞
专业：	电气工程
导师：	王崇林
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2022