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永磁同步电机驱动系统传动故障分析与容错控制

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永磁同步电机驱动系统传动故障分析与容错控制

作者：谢铖铖扬州大学

学位级别：硕士

随着永磁同步电机及控制理论的不断发展,永磁同步电机驱动系统被广泛应用于航空航天、电力系统、交通运输等多个领域,其中的电气部分与机械部分之间存在多变量耦合关系。故而当永磁同步电机驱动系统在完成特定目标时,往往由于系统中的... 详细信息

随着永磁同步电机及控制理论的不断发展,永磁同步电机驱动系统被广泛应用于航空航天、电力系统、交通运输等多个领域,其中的电气部分与机械部分之间存在多变量耦合关系。故而当永磁同步电机驱动系统在完成特定目标时,往往由于系统中的故障而产生不良工况,对于系统的安全运行具有极大的危害。因此,本文对永磁同步电机驱动系统在传动过程中存在的一些故障进行机理分析,提出相应的故障诊断方法和研究容错控制策略,以此来提高系统的可靠性和稳定性。首先,本文对永磁同步电机的工作原理进行分析并建立其dq旋转坐标系下的数学模型,介绍了 PMSM的矢量控制策略和SVPWM调制技术,以id=0的控制方式搭建PMSM矢量控制的仿真模型并验证了该控制系统的可行性。其次,基于LabVIEWFPGA的快速开发流程,研究和搭建了相应的算法模块,设计了一套PMSM矢量控制系统,其中包括cRIO-9045控制器、数据采集卡和相应的硬件电路,软件设计部分包括了电流采样、坐标变换、死区时间设计以及基于LabVIEW的上位机界面设计,通过实验及结果分析验证了该系统的有效性。然后,设计并搭建了永磁电机驱动系统实验平台,包括PMSM以及传动转轴、负载圆盘、联轴器、轴承等相关机械部件,针对系统在传动过程中负载侧的不平衡和不对中故障,运用经典力学知识进行故障机理分析,利用实验平台分别模拟这两种故障,通过NI数据采集系统采集振动信号并进行相应的信号处理,得到信号的时域、频域和轴心轨迹图,分析其变化规律和故障特征信息,验证了故障诊断的有效性。由于驱动系统中的PMSM有非线性,强耦合,参数时变的特性以及实验平台中故障和外部机械零部件磨损、不稳定等因素对系统的影响,在经典自抗扰控制器(ADRC)的基础上,将简化的线性自抗扰控制(LADRC)应用到矢量控制速度环中。实验结果表明,在正常情况、不平衡故障和不对中故障下,相比于传统PI控制,线性自抗扰控制均具有更好的控制效果。最后,考虑在系统外部存在较严重的不平衡故障下,可能会加重扩张状态观测器(ESO)的估计负担,使系统性能下降。针对这一问题,提出一种基于故障模型补偿自抗扰容错控制策略,首先对负载侧的不平衡故障进行动力学建模,得到故障的部分模型信息,并将其加入到LESO的设计中,补偿掉部分不确定性,从而减轻ESO的估计负担,提高控制器的性能。实验结果表明,相比于线性自抗扰控制,该控制策略具有更好的稳态效果,进一步提高了系统的鲁棒性。

关键词：永磁同步电机驱动系统故障诊断自抗扰控制模型补偿容错控制

永磁同步电机驱动系统不平衡故障复合自抗扰容错控制

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永磁同步电机驱动系统不平衡故障复合自抗扰容错控制

作者：罗琳扬州大学

学位级别：硕士

永磁同步电机驱动系统因其体积小、功率密度高、起动转矩大、性能优等优点被广泛应用于工业控制、航空航天、交通运输等领域。驱动系统的电气部分与传动部分存在多变量强耦合关系,当传动部分发生故障时会对电气部分甚至整个系统的性能... 详细信息

永磁同步电机驱动系统因其体积小、功率密度高、起动转矩大、性能优等优点被广泛应用于工业控制、航空航天、交通运输等领域。驱动系统的电气部分与传动部分存在多变量强耦合关系,当传动部分发生故障时会对电气部分甚至整个系统的性能造成不良影响。因此,本文对永磁同步电机驱动系统在传动过程中存在的质量不平衡故障进行机理分析,采用相应的故障诊断方法和容错控制策略,以期来提高驱动系统的稳定性和可靠性。首先,为实现永磁同步电机驱动的高精度容错控制,依据坐标变换理论对永磁同步电机进行解耦、降阶,建立永磁同步电机数学模型,以永磁同步电机传动中的不平衡故障为研究对象,对故障机理进行分析,通过动力学建模得到不平衡故障的数学模型,根据电机输出端与负载端的扭矩关系,最终建立驱动系统的机电耦合模型。其次,为能够更加精准提取系统在故障下的特征,通过传感器采集驱动系统转轴的振动信号,分析不平衡故障表现在系统中的特征频率以及它与电机转速之间存在的联系,根据传感器所获得的信息结合理论推导设计含有故障信息的负载观测器。在此基础上,结合自抗扰控制、故障诊断方法和容错技术对整个系统进行复合容错控制、稳定性分析和仿真实验验证。然后,分别设计串级自抗扰复合容错控制器和非串级自抗扰复合容错控制器。针对系统的非线性采用新型光滑的非线性函数替代非线性fal函数,通过仿真和实验验证基于新型函数和负载观测器模型补偿控制器抗扰能力的优越性;在非串级单环自抗扰控制结构下考虑状态约束与控制量饱和的问题,利用跟踪微分器解决PID控制器中超调量与快速性之间的问题,通过反馈和负载观测前馈的方式对存在不平衡故障的驱动系统实现较好的容错控制效果。最后,针对系统存在不平衡故障时的周期性正弦扰动问题,考虑到频率会随电机速度的变化而变化,设计频率自适应机制实时估计系统的谐波频率。一方面从控制器考虑谐波抑制问题,设计基于频率加权的LQR最优谐波控制器,结合仿真与实验结果证明所设计控制器对谐波抑制的有效性;另一方面从观测器角度考虑,设计谐波抑制扩张状态观测器对时变正弦扰动进行观测补偿和谐波抑制,从频域角度分析此方法的抑制原理,最终仿真与实验结果验证此方法的有效性和优越性,并可提高系统的稳定性和对故障的适应性。

关键词：永磁同步电机驱动系统不平衡故障自抗扰控制谐波抑制容错控制

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永磁同步电机驱动系统在皮带运输机上的运用

低碳世界 2020年第8期10卷 158-159页

作者：魏晓华亭煤业集团公司山寨煤矿甘肃华亭744112

简要介绍和分析了永磁同步电机驱动系统的结构以及特点,并且基于此对永磁同步电机驱动系统在皮带运输机上的具体运用,展开了探讨。同时,通过该方面可以知道,永磁同步电机驱动系统的各项性能,非常适合皮带运输机的运行,可以大大提高皮带... 详细信息

简要介绍和分析了永磁同步电机驱动系统的结构以及特点,并且基于此对永磁同步电机驱动系统在皮带运输机上的具体运用,展开了探讨。同时,通过该方面可以知道,永磁同步电机驱动系统的各项性能,非常适合皮带运输机的运行,可以大大提高皮带运输机的运行效率。

关键词：永磁同步电机驱动系统皮带运输机运行效率

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基于氮化镓的永磁同步电机驱动系统研究

基于氮化镓的永磁同步电机驱动系统研究

作者：陈方诺中国矿业大学

学位级别：硕士

传统硅器件的性能表现已接近材料极限,难以进一步提高,限制了永磁同步电机驱动系统的性能提升。新型宽禁带半导体材料氮化镓（Ga N）具有更加优越的性能,将氮化镓功率器件应用于永磁同步电机驱动系统中能够有效提升系统的效率、功率密... 详细信息

传统硅器件的性能表现已接近材料极限,难以进一步提高,限制了永磁同步电机驱动系统的性能提升。新型宽禁带半导体材料氮化镓（Ga N）具有更加优越的性能,将氮化镓功率器件应用于永磁同步电机驱动系统中能够有效提升系统的效率、功率密度以及动态响应性能,降低谐波含量,具有极大的研究意义与应用价值。本文以基于氮化镓的永磁同步电机驱动系统为研究对象,对Ga N器件的工作特性、死区设置以及驱动电路等问题展开研究,完成基于氮化镓的永磁同步电机驱动系统设计。本文分析了氮化镓功率器件的静、动态工作特性,研究了电路与寄生参数对eGaN HEMT开关过程的影响。考虑各种寄生电容、电感的作用,对基于氮化镓的永磁同步电机驱动系统中eGaN HEMT的开关过程分阶段进行精确建模。针对传统死区计算方法精度低、死区损耗大等问题,提出了一种适用于Ga N基永磁同步电机驱动系统的死区优化设置方法,通过仿真与实验验证了所提出理论的正确性。针对高开关频率下的共模电压问题,在基于氮化镓的永磁同步电机驱动系统中采用AZSPWM1-NSPWM混合调制方法,并针对调制方法固有的死区共模电压尖峰问题修正了调制计算过程,有效抑制了共模电压幅值。设计了控制系统电流环与转速环参数,通过仿真验证了调制方法与控制系统参数设计的有效性,并分析了开关频率及死区对系统输出与损耗的影响。为eGaN HEMT GS61008T设计了驱动电路,优化了驱动电路参数。完成了基于氮化镓的永磁同步电机驱动系统硬件、软件设计,搭建了实验平台。通过实验验证了本文所研究理论的正确性与有效性,以及Ga N器件应用于永磁同步电机驱动领域的可行性与优越性。

关键词： GaN器件特性研究永磁同步电机驱动系统驱动电路设计死区设置

基于MPCC的永磁同步电机驱动系统逆变器IGBT开路故障诊断方法研究

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基于MPCC的永磁同步电机驱动系统逆变器IGBT开路故障诊断方法研究

作者：原敏昕西安理工大学

学位级别：硕士

永磁同步电机因其效率高、响应速度快等特性,已逐步应用到智能制造、轨道交通等领域。电机驱动系统的工作方式决定了绝缘栅双极晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor,IGBT)需要频繁的开断,这就使得IGBT在高温下还要承受极大的电应... 详细信息

永磁同步电机因其效率高、响应速度快等特性,已逐步应用到智能制造、轨道交通等领域。电机驱动系统的工作方式决定了绝缘栅双极晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor,IGBT)需要频繁的开断,这就使得IGBT在高温下还要承受极大的电应力,增加了开路故障的概率。因此,对IGBT进行开路故障检测与定位,对于提高电机驱动系统运行可靠性和降低维护成本具有显著意义。在电机驱动控制方法中,模型预测电流控制(Model Predictive Current Control,MPCC)动态响应快,可以灵活处理非线性系统中的多约束和多变量问题,近年来在状态监测与故障诊断技术领域获得了广泛关注。本文以内置式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)为研究对象,以保障电机驱动系统健康、稳定运行为主要目标,开展了 IPMSM驱动系统逆变器IGBT开路故障诊断方法研究。论文的具体研究内容如下:(1)快速性是故障检测方法中的关键指标之一,而电流检测法的诊断时间至少需要一个相电流周期。针对电流检测法检测时间较长的问题,本文研究了一种基于MPCC的误差电流极性法,该方法将MPCC中代价函数的变化和电流检测法相结合,可有效缩短故障检测时间。(2)MPCC容易受到电机参数变化的影响,负载转矩、转速变化都可能导致电机参数变化或不匹配,进而影响代价函数的输出导致误诊。针对负载转矩、转速变化导致误诊的问题,本文在基于MPCC的误差电流极性法中对故障检测指标进行了归一化处理并加入了计数法,使该方法在保证准确性的基础上进一步提高了鲁棒性。最后,本文通过Matlab2016b/Simulink仿真软件和以TMS320F28335为控制核心的2kWIPMSM驱动系统逆变器IGBT开路故障诊断实验平台分别进行了仿真和实验验证。仿真和实验结果均表明:本文研究方法将代价函数和定子电流的变化作为诊断指标,可以实现对18种开路故障类型的检测与定位,且在转矩和转速变化时不会造成误诊断的现象,具有良好的鲁棒性。

关键词：永磁同步电机驱动系统 IGBT开路故障故障检测与定位模型预测电流控制

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一种永磁同步电机驱动系统效率优化方法

电子质量 2024年第2期 74-76页

作者：王凯黄晓东孔高祥山东省产品质量检验研究院山东济南250102

常规永磁同步电机驱动系统效率优化方法中电机功率因素变化值小,搜索时间长。因此,提出了一种工程化的效率优化方法。在低电压穿越工况下,从运行速度和母线电压等多方面考虑构建了一种非线性的载波切换曲线。根据曲线中最高值和最低值... 详细信息

常规永磁同步电机驱动系统效率优化方法中电机功率因素变化值小,搜索时间长。因此,提出了一种工程化的效率优化方法。在低电压穿越工况下,从运行速度和母线电压等多方面考虑构建了一种非线性的载波切换曲线。根据曲线中最高值和最低值来设置调制系数,采用空间矢量脉宽调制方式的控制器在线性区做最大调制。在此基础上调节最优电流角,通过不连续脉宽调制方法将七段式发波规律改为五段式,最终实现永磁同步电机驱动系统效率的优化。通过对比试验发现,与其他两种效率优化方法对比电机驱动系统,提出的工程化的效率优化方法更具优势。

关键词：低电压穿越工况永磁同步电机驱动系统效率优化

永磁同步电机及驱动系统损耗建模与效率优化控制策略

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永磁同步电机及驱动系统损耗建模与效率优化控制策略

作者：胡陈杉湖南大学

学位级别：硕士

随着经济水平的提升和科技实力的不断增强,我国对汽车的发展不只局限于传统的燃油车,而是致力于发展清洁、绿色、高效、节能的新能源电动汽车。作为电动汽车中不可或缺的两个器件,电机及其控制器性能的好坏直接决定整个系统能否实现可... 详细信息

随着经济水平的提升和科技实力的不断增强,我国对汽车的发展不只局限于传统的燃油车,而是致力于发展清洁、绿色、高效、节能的新能源电动汽车。作为电动汽车中不可或缺的两个器件,电机及其控制器性能的好坏直接决定整个系统能否实现可靠安全的运行。而内置式永磁同步电机因其结构简单、体积小、功率密度高、输出性能好等优点,广泛应用于各个领域。效率的高低是判断整个系统性能好坏的重要标准之一,而在目前的研究中,针对电机的效率优化控制策略有很多,但是对整个驱动系统进行效率优化却寥寥无几。由于对整个驱动系统进行效率优化控制时,需考虑的因素较多,如不可控变量多、计算难度大且实验成本高等,故计算时往往忽略控制器损耗,但这只适用于小容量电机。对于大容量的电机而言,控制器损耗占比总损耗增大,若忽略不计时,则无法实现系统级的效率优化。因此,本文以永磁同步电机驱动系统作为研究对象,通过综合考虑电机及其控制器的损耗,并基于传统的效率优化策略,提出一种基于整个驱动系统效率最优的新型效率优化控制策略,该方法通过调节定子电流的大小,并对其d、q分量进行重新分配,实现降低系统损耗,提升系统效率的目的。本文的主要研究内容如下:首先,详细的分析了永磁同步电机驱动系统各部分的损耗组成,探究各影响因素与其损耗之间的变化规律,并进行分析与总结,从而得到永磁同步电机驱动系统损耗计算的数学表达式。其次,介绍了三种传统的永磁同步电机效率优化控制策略的优缺点,并提出了一种新型效率优化控制策略。该方法同时考虑铜耗、铁耗、机械损耗和杂散损耗,提高了损耗模型的计算精度。通过在线观测铁耗与磁链来代替铁损电阻的计算,避免了参数整定和高阶方程的求解。同时通过增加弱磁模块并设定转矩比系数,实现了宽调速范围内的效率提升。将传统控制策略与有限元相结合得到的结果与采用新型效率优化控制策略的结果进行对比分析。另外,通过增加四种不同情况的扰动,来观测定子电流铁耗分量的变化,以此验证该新型效率优化控制策略的动态响应性能和抗扰动性能。最后,提出了一种基于内置式永磁同步电机驱动系统的效率优化控制策略,并以一个特定的IGBT模块为例,通过构建离线优化模型并进行参数辨识,从而推导出含有定子电流与开关频率的控制器损耗表达式。另外,同时考虑电机损耗和控制器损耗,并以整个驱动系统损耗最小为目标,同时结合永磁同步电机新型效率优化策略,得到宽调速范围内的永磁同步电机驱动系统最优定子电流表达式。为了验证基于永磁同步电机驱动系统优化策略的可行性,分别对三种不同工况下驱动系统的损耗和效率进行计算。同时,通过Simulink和PLECS联合仿真,将采用新型效率优化策略得到的电机损耗、控制器损耗以及它们的总损耗和效率进行对比。另外,通过对这两种控制策略下的实验数据进行对比、分析和总结,从而验证了基于驱动系统效率优化策略具有一定的可行性和工程实践意义。

关键词：永磁同步电机驱动系统效率优化在线计算铁耗系统损耗最小最优定子电流

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永磁电机无电解电容驱动系统研究综述

中国科学：技术科学 2020年第7期50卷 863-875页

作者：赵楠楠王高林徐殿国哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001

永磁同步电机无电解电容驱动技术可以提高系统可靠性、降低成本以及减小体积,成为了现代电机驱动系统的一个重要发展方向,目前已在航空航天、工业传动和家用电器等领域得到了成功应用.本文主要围绕高功率因数控制技术、网侧输入电流谐... 详细信息

永磁同步电机无电解电容驱动技术可以提高系统可靠性、降低成本以及减小体积,成为了现代电机驱动系统的一个重要发展方向,目前已在航空航天、工业传动和家用电器等领域得到了成功应用.本文主要围绕高功率因数控制技术、网侧输入电流谐波抑制和稳定性控制方法三个方面对永磁同步电机无电解电容驱动系统的发展现状进行介绍,针对这三个方面的关键技术和已取得的研究成果进行归纳和总结,指出了相应解决方案的优缺点,并进行了对比分析.最后针对永磁同步电机无电解电容驱动系统目前亟需解决的问题和发展趋势进行了分析和展望.

关键词：永磁同步电机驱动系统无电解电容高功率因数控制网侧输入电流谐波抑制稳定性控制

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永磁电机驱动系统容错策略研究

电气传动自动化 2014年第4期36卷 30-35页

作者：唐寅杰崔博文集美大学轮机工程学院福建厦门361021

驱动系统中的功率器件经常会发生开路或短路故障,电机定子绕组也会发生开路故障。这些故障会严重影响永磁电动机系统正常工作,对整个系统的安全性和稳定性造成严重影响。分析永磁电机驱动系统的容错控制策略,并且对各容错策略进行分析... 详细信息

驱动系统中的功率器件经常会发生开路或短路故障,电机定子绕组也会发生开路故障。这些故障会严重影响永磁电动机系统正常工作,对整个系统的安全性和稳定性造成严重影响。分析永磁电机驱动系统的容错控制策略,并且对各容错策略进行分析比较。展望了永磁电动机容错策略的发展趋势。

关键词：故障永磁同步电机驱动系统容错